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4、系统硬件电路的设计

4．1 控制器芯片的选择

控制器采用MCS -51单片机。其引脚功能如下：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 ?指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 4.2 步进电机驱动器构成与特点

1)步进电机不能直接接到交、直流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机的自身性能有关外，在很大程度上也取决于驱动器的优劣。

步进电机驱动器一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电机的驱动器还有多种分配分配保护。

环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并提供步进电机状态转换表的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出就转换一次。因此，步进电机的转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序转换还是反序转换，于是就决定了步进电机的转向。接受CP脉冲和方向电平是环形分配器的最基本功能。

从环形分配器输出的各相导通或者截止的信号送入信号放大或处理级。信号放大的作用是将环形分配器输出的信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这中间一般放大既需电压放大，也需电流放大。信号处理是实现信号的某些转换、合成等功能，产生斩波、抑波等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动，本级还经常与各种保护电路、控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。

2)驱动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以驱动级输入的较大信号。有时，推动级还承担电平转换作用。驱动级直接与步进电机各绕组相连接，它接受来自推动级的输入信号，控制步进电机各绕组的导通与截止，同时也对绕组承受的电压和电流进行控制。

各种电子设备的末级一般需要功率放大，步进电机驱动也是这样。为使步进电机满足各种专有权的输出，驱动级必须对电机的绕组提供足够的电压和电流。但步进电机驱动与一般电子设备的驱动有不同的特点，主要体现在：

a各相绕组都是开关工作，多数电动机的绕组都是连续的交流或者直流，而步进电机的各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是离散的。

b电动机的各相绕组是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。

c绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导通和截止过程中都会产生较大的反向电动势，而截止时的反电动势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。

d电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电动势，这些电动势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电动势基本上与电动机转

速成正比，转速越高，电动势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升高而下降。

e电动机绕组中有电感电动势、互感电动势、旋转电动势。这些电动势与外加电共同作用于功率器件，当其叠加结果使电动机绕组两端电压大大超过电源电压时，使驱动级的工作条件更为恶化。

根据以上的功率放大级的设计要点、组成和特点，结合本课程设计的设计要求，此设计选用单片机控制可以省去环形分配器，节约成本，电路系统结构简单，维护方便，灵活性好等特点。 4.3硬件电路的设计 按钮接P2.0~P2.3作为触发输入

单片机P1.0~P1.3作为O口输出控制脉冲

由三极管、二极管、电阻搭建2个H桥作为驱动电路驱动步进电机。

图1单片机控制二相步进电机电路图

图 2 AT89S51引脚

图3二相步进电机的驱动电路

5、系统设计仿真

5.1 Proteus仿真电路