基于51单片机的步进电机控制系统设计

基于51单片机的步进电机控制系统设计
中文摘要
步进电机是一种受脉冲信号控制,并且能将脉冲信号转化为相应的角位移或者线位移的数字电动机。

由于步进电机具有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、成本低等优点，因此，被广泛使用于计算机外围电路、自动化控制装置以及其他的数字控制装置中,如打印机、钟表、数模转换设备等装置中。

随着科学技术的快速发展，相应的控制系统也产生了很多种类，步进电机的身影在众多领域中可以看到。

其中采用单片机作为控制核心的控制系统，由于其电路简单、成本低、可靠性强等优点，满足众多领域的需求,得到了大量的运用.因此，研究基于单片机的步进电机控制系统，具有重要的现实意义。

本设计研究的是基于51单片机对步进电机的控制系统。

通过单片机的I/O端口输出时序方波作为控制信号,信号经过芯片ULN2003驱动芯片驱动步进电机进行不同的指令进行工作。

根据不同的需要,通过按键电路来控制步进电机的启停、正反转和加减速等功能，并在数码管上实时显示步进电机的工作状态。

本文给出了电路各个模块的电路图，并用Proteus的ISIS软件对控制系统的各个功能进行了仿真,并给出了相应的仿真结果图像。

关键词：单片机；步进电机; 电机驱动; 控制系统
Abstract
Stepper motor controlled by a pulse signal，and a pulse signal can be converted to the corresponding angular displacement or linear displacement of the digital motor。

As the stepper motor has a step error does not accumulate, reliable, simple structure，small inertia, low cost, and therefore，are widely used in computer peripheral circuits，automatic control devices and other digital control devices, such as printers，watches and clocks ，digital to analog conversion equipment，and other devices. With the rapid development of science and technology，the corresponding control system also produced many types of stepper motor figure can be seen in many areas. Which uses microcontroller as the control of the control system，because of its simple circuit, low cost，high reliability, etc。

, to meet the needs of many fields，we get a lot of use. Therefore, based on single-chip stepper motor control system has important practical significance.The design study is 51 single-chip stepper motor control system。

As a control signal，the signal through the chip ULN2003 stepper motor drive to work through the microcontroller I / O port output timing square wave。

Depending on the need, through the key circuit to control the start and stop，reversing and ramp functions such as stepper motors, stepper motors in real-time display and digital working condition. In this paper，the circuit diagram of each module, and with the ISIS Proteus software for each function control system simulation，and the simulation results are given corresponding image.
Key words: microcontroller; stepper motor; motor drive；control system
目录
中文摘要 (I)
Abstract (II)
1 绪论 (1)
1.1 步进电机及其发展过程 (1)
1.2 步进电机在我国的应用及前景 (2)
1。

3 本设计的研究内容 (3)
1。

4 步进电机的性能指标及工作原理 (3)
1.4。

1 步进电机的特点 (3)
1.4。

2 步进电机的种类 (4)
1。

4。

3 步进电机的主要性能指标 (5)
1。

4.4 步进电机的工作原理 (6)
1。

5 步进电机控制系统的原理 (7)
2 总体方案设计 (10)
2。

1 设计思路的选择 (10)
2。

2 单片机芯片的选择 (12)
2.3 驱动电机芯片的选择 (12)
2.4 显示电路的选择 (13)
2。

5 步进电机的选择 (13)
3 控制系统的硬件电路设计 (15)
3。

1 键盘控制电路 (15)
3。

2 单片机最小系统电路 (16)
3。

3 数码管显示电路 (18)
3.4 步进电机的驱动电路 (20)
3。

5 步进电机的其他电路 (21)
4 控制系统的软件设计 (23)
4.1 主程序流程图 (23)
4。

2 读按键子程序流程图 (24)
4.3 按键处理子程序流程图 (25)
4.4 电机控制中断程序流程图 (26)
5 仿真与测试 (28)
5.1 仿真软件介绍 (28)
5。

2仿真的操作步骤 (28)
5.3 电路板的焊接 (29)
5.4 电路板的测试 (30)
6 结论与展望 (32)
致谢 (34)
参考文献 (35)
附录：系统总体电路图 (36)
系统仿真原理图 (37)
PCB打印图 (38)
原件清单 (39)
程序 (40)
1 绪论
1。

1 步进电机及其发展过程
步进电机是一种受脉冲信号控制，并且能将脉冲信号转化为相应的角位移或者线位移的数字电动机。

由于电源每次输入电脉冲给该电机，该电机就会前进一小步，转动的方式是步进式的,所以称为步进电动机。

由于电源输入的是脉冲式的电压，因此，有时也被称为脉冲电动机。

在步进电机驱动能力范围内，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲个数成正比，不因电源电压、负载变化和环境条件等的变化而变化.所以其输出的角速度或线速度也与输入的脉冲频率成正比，通过改变输入脉冲频率的高低就可以调节步进电机的转速，并能控制步进电机的快速启动，暂停，正反转和加减速等.
由于步进电机具有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、成本低等优点，因此，被广泛使用于计算机外围电路、自动化控制装置以及其他的数字控制装置中，如打印机、钟表、数模转换设备等装置中。

虽然步进电机近些年来才被广泛使用，但其工作原理很早就被人们研究出来。

其中,最早的可以追溯到法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为力矩的方法.当时，激磁相的切换是采用机械式凸轮的接触点来完成，这就是步进电机最初的原理模型。

后来逐步发展还出现了旋转线圈式的应用方法.二十世纪三十年代以后，步进电机的应用才逐渐开始，称为变磁阻型步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控的装置.
随着晶体管元件的快速发展，与之相结合使用的步进电机也得到了快速的发展和广泛的使用.1950年研制出二极管半导体，1964年开发出MOS半导体，特别是经过1950—1965年间半导体材料的高速发展后，由于价格低廉、可靠性高的逻辑数字电路得到广泛的应用,使步进电机的使用量也急剧增加。

多年来，随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机技术的快速发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分的不断发展，使其在单片机控制，数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中都得到了广泛的应用。

现如今，继直流电动机和交流电动机这两大类电机被广泛应用后，步进电机也已成为生活中最常用的第三类电动机。

国内外围绕着步进电机系统的研究做了大量的工作以及相应的
开发工作。

图1-1 步进电机
1。

2 步进电机在我国的应用及前景
我国对于步进电机的研究及制造起始于20世纪50年代.当时，主要是一些高等院校和科研机构使用或开发与步进电机相关的产品。

进入70年代,我国各地,例如北京、南京、江浙一带都有大量的生产和使用，其中的驱动电路的半导体器件,已实现完全国产化。

进入改革开放时代后，随着国外各种步进电机的先进技术进入国内，我国对其进行了大量的研究，并开发出了多种混合式的步进电机以及相应的驱动元件,同时，也被大量的应用于各种领域中。

发展至现今,我国在这方面的理论研究比较成熟，逐渐形成了比较完善的基础理论和设计方法，产品种类也逐渐多样化，性能和参数也逐渐达到甚至有些已经超过国外同类产品的水平。

而国外的大功率驱动工业设备上，只有少数要求较高的设备中才会使用空心转杯电机、交流电机；目前，大多数场合不使用大扭矩的步进电机，而是采用直流电动机。

其原因是从驱动电路的成本、效率、系统惯量与最大扭矩比等指标进行比较,采用直流电动机更为合适。

除此之外，还有一些小功率的工业设备中也得到了广泛的应用,例如，工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机以及大型望远镜等等。

经过多年的发展,步进电机的应用越来越广泛，功能更加强大，种类也很繁多，相应的产品也日趋完善。

步进电机以它显著的优点在工业生产和自动化控制中占据着不可动摇的地位。

相信在不久的未来，伴随着科学技术的快速发展，步进电机将会在更多的领域得到广泛的应用。

1.3 本设计的研究内容
本设计研究的是基于51单片机的步进电机控制系统。

采用单片机STC89C51作为控制核心，通过四个按键控制步进电机的运行状态,即控制启停、转向、加减速等，并利用四位的数码管显示步进电机的转向和速度等级。

本设计的硬件部分主要由单片机、键盘控制模块、电机驱动模块、数码管显示模块以及电源模块五部分组成。

本产品主要实现的功能:
（1）5个按键控制整个电路,对应功能分别是：启动/暂停、正/反转、加速、减速、复位；
（2）数码管显示正/反转的指示和电机转动速度的等级；
（3）5个LED灯，一个为电源工作指示灯，其余四个则指示电机的转速等级。

本设计的控制核心是利用软件控制单片机输出不同的脉冲信号,从而驱动步进电机进行相应的动作，显示不同的运行结果，同时，为了使步进电机的运行状态显示的更为直观,利用数码管显示电路实时的显示出来.
1.4 步进电机的性能指标及工作原理
本设计是以STC89C51单片机作为控制单元，集成芯片ULN2003作为电机的驱动芯片，DC-5V步进电机作为控制对象.本设计通过五个按键的控制,改变输入脉冲的频率和个数来调节步进电机的正反转、加速、减速、暂停和复位功能；LED数码管的第一、二位显示速度等级，而第四位则显示步进电机的转动方向;5个发光二极管，一个为电源指示灯，其余四个则指示电机的转速。

1.4。

1 步进电机的特点
从应用的角度来说，对步进电机的基本要求如下：
（1）步进电机能够在一系列脉冲信号的控制下,快速、平滑、稳定的实现启动、暂停、正/反转,加/减速等运行方式；
（2）为了提高精度,要求脉冲对应的位移量小,并要准确、均匀。

这就要求步进电机步距小、步距精度高，不能存在失步的现象。

要求步进电机输出转矩大，可以直接带动负载工作
（3）响应要快速.即要求步进电机不仅启动、暂停、反转的动作要快速，并能连续高速的运转工作以提高劳动的生产效率。

（4）工作
要求步进电机输出转矩。

大，可以直接带动负载
1。

4。

2 步进电机的种类
常用的步进电机有三种：
（1)永磁式步进电机
永磁式步进电机内部主要由定子和转子两部分组成，组成的形式也可以为两种，即转子采用永久磁铁，定子采用线圈;或者反之，也可以.其工作原理是通电的定子线圈产生的磁场和转子永久磁铁产生的磁场，通过吸引或排斥的相互作用，产生转动力矩，使其进行转动工作。

该电机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，启动频率和运行频率较低,永磁需要量也大.缺点是由于永久磁铁之间的磁化间距不便于测量、控制,受到影响的因素较多，故为了保持良好的效果，步距角通常会设置的较大。

（2）反应式步进电机
反应式步进电机，通常也被称为可变磁阻型步进电机,其转子磁路是由软磁材料制成的铁芯，而定子则由励磁绕组线圈缠绕着铁芯构成的；其工作原理是磁性转子铁芯通过定子产生的脉冲磁场而形成的吸引或排斥的相互作用，产生转矩，使其进行转动工作。

子和转子均不含永久磁
由于该类步进电机的定
铁，因此无励磁时没有
保持力。

这类电机的转子结构简单、转子直径小,有利于高速响应.这种电机具有效率低、启动和运行频率较高、转子的阻尼差、噪声大等缺点。

优点是制造材料费用低、结构简单、步距角小。

(3）混合式步进电机
由于该电机的转子导磁体上嵌有永久磁铁,可以说是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。

故称为混合型步进电机.混合式步进电机分为两相、三相和五相等。

由于其内部结构组成的特点，使其同时具备了永磁式和反应式的各自的优点,具有输出转矩大,响应速度快,效率高，振动噪声小等优点。

1.4。

3 步进电机的主要性能指标
（1)步距角
控制系统输入一个电脉冲信号时,转子所旋转过的机械角度称为步距角.即：当定子绕组完成一次通电周期时，转子绕组由于受到磁场变化的作用，产生磁矩,旋转相应的机械角度。

步距角的大小会影响到步进电机的运行频率和启动。

步距角的误差不会长期
积累，只与输入脉冲信
组成结
号的个数相对应，可以
构简单且具有一定精度
的开环控制系统，也可
组成闭环系
以在要求更高的精度时
统。

一般情况下,步距角越小,加工精度就越高。

（2)最大静转矩
步进电机在规定的通电
相数下，一相绕组在通
矩值称
上额定电流时的最大转
为最大静转矩。

它表示了步进电机所能承受负载的能力。

一般情况下，流入步进电机绕组的电流越大,最大静转矩也就越大，也就可以带动更大的负载转矩，此时的运行的快速性及稳定性就越好.
（3）静态步距角误差
静态步距角误差,由名称可知,是指步距角的理论值域实际值之间的误差，由于误差较小,通常在分的级别，一般不会超过10分的精度范围.该误差值主要是有电磁转矩的不均匀等其他因素造成的，这种误差在实际生活中不可避免，通常只有进一步提高机械齿轮的制造精度,使误差值尽可能的减小。

步距角误差直接影响工作的加工精度以及步进电机的动态特性。

通常在空载情况下进行测定，静态步距角误差越小，表示步进电机的精度越高.
（4)启动频率和启动频率特性
启动频率是指步进电机在不带任何负载的情况下，由静止状态直接进行启动,并且能够稳定的、不失步的进入正常运行状态，所需要的脉冲频率的最大值。

它
若定子绕组的通电变化
也是衡量步进电机响应速度快慢的一个重要的参数。

频率
则步进电机就不能在空。

启动频高于步进电机空载时的启动频率，载下直接启动
率与负载惯量有关，一般来说随着负载惯量的增长而下降。

产品介绍上往往会给出空载时的启动频率.然而实际使用中，大多数步进电机都是在带有负载的情况下启动，因此，所以产品介绍通常会以表格或曲线的形式给出启动的矩频特性，即启动频率特性，以便确定负载启动频率。

（5)运行频率和运行矩频特性
运行频率是指步进电机在启动后，稳定运行的过程中，连续上升脉冲信号的频率时，率
步进电机仍能继续稳定。

运行频率是衡量步进
运行而不失步的最高频
电机定子绕组通电变化频率快慢的一个重要参数。

频率
运行频率的值要比启动的值大的多。

运行频率随负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。

运行矩频特性通常会在产品介绍中以表格或曲线的形式给出。

运行矩频特性是指当步进电机系
带负载运行时的运行频。

它是衡量步进电机带负
率与负载转矩之间的关
载运行时，参数指标
步进电机所能承受带负。

载能力大小的一个重要
1.4。

4 步进电机的工作原理
步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。

因为步进电机的运动不产生旋转量的误差积累.
四相电机运行时，可以是四相中每次只有一相绕组通电来工作,也可以是两相同时通电,或者是单相和两相交替通电。

前一种驱动方式称为四相单四拍,后两者分别为四相双四拍和四相八拍。

这里所谓的“四相"是指步进电机具有四相定子绕组；“单"是指每次只有一相绕组通电;“四拍”是指四次换接为一个循环，第五次换接重复第一次的情况.
（1)四相单四拍.电机的通电顺序为A-B—C-D-A-B。

,如表1—1所示；
（2）四相双四拍。

电机的通电顺序为AB—BC-CD—DA—AB—BC。

.。

，如表1—2所示；
（3）四相八拍。

电机的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB。

，如表1—3所示；
表1-1 四相单四拍
表1-2 四相双四拍
表1-3 四相八拍
本次设计中使用的是28BYJ-48步进电机，该电机属于四相八拍电机，因此，该步进电机的输入脉冲信号也应该是四相八拍的工作方式.使用单片机的定时器0，把工作方式设置为1，单片机的每一次中断都会给步进电机的绕组输入一个脉冲电压,步进电机随即将脉冲信号转化为线位移或角位移，转动一个角度.
1.5 步进电机控制系统的原理
传统的步进电机控制系统是电子电路组成的，主要由脉冲发生器、环形脉冲分配器、功率放大器以及步进电机组成,结构图如图1—4所示：
图1—4 传统的步进电机控制系统
脉冲发生器的作用是产生一连串（一系列）连续的脉冲信号的电子器件，脉冲信号的频率范围较宽,可以是低频的是20赫兹至10兆赫兹,也可以是高频的100千赫兹至300兆赫兹等等.环形脉冲分配器的作用是将输入的连续脉冲信号，按照一定的规律顺序，分别分配给驱动元件的各个端口。

在这个过程中，环形脉冲分配器按照一定的顺序接通、断开，使电机绕组的通电按输入脉冲的控制而循环变化。

由于环形脉冲分配器输出的脉冲信号电流很小，往往只有几微安,所以要想驱动步进电机进行工作就需要添加功率放大器，将功率就行放大.采用以往的电子电路的控制方式，由于其电路组成复杂，成本较高，因而限制了它的应用，不能大范围的应用。

但是，若采用基于单片机的控制系统，由软件代替脉冲发生器和环形分配器的作用,不仅大大简化了电路的组成，也降低了成本,稳定性和可靠性也大大提高.此外，可以根据系统的需要，灵活的改变步进电机的控制设计方案，使其性能不在单一，使用很方便。

常用的基于单片机控制步进电机系统原理图，如图1—5所示：
图1-5 基于单片机的控制系统
将图2与图1相比，主要区别在与用单片机代替了脉冲发生器和环形分配器的作用。

因此，把
单片机的主要作用就是并行的二进制码转换为串行脉冲序列,并实现反向控制。

每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它使沿着方向控制线信号所确定的方向行进.步进电机在正常的工作状态下，对步进电机每输入一个脉冲信号，步进电机就会转动相应的步距角，且该步距角是成比例的，且角度值是固定的。

进电机的步距角大小
通过资料可以计算出步，若能已知其行进的步数
便可以计算出电机最终。

和行进前的初始位置，的停止位置
2 总体方案设计
2.1 设计思路的选择
对于步进电机控制的研究,国内外近些年出现了多种控制方式，其中最常见的控制方式为以下三种：
（1）基于电子电路的控制方式:
步进电机能直接接收数字信号的特点，所以被广泛应用于数字控制系统中。

其中较常用的控制电路是采用硬件电路的方式，即利用数字逻辑单元组成的电子电路。

此种控制方式的特点是电路结构简单,可靠性强，性能稳定，可以实现一般的基本任务要求.缺点是功能性比较单一,电路的功能不能更改。

若要改变控制系统的功能，一般需要重新设计硬件电路，灵活性较差.
(2）基于单片机的控制方式：
采用基于单片机的步进电机控制方式,实现了软、硬件相结合的控制方法。

为了能够更加准确、精准的控制步进电机，最好的控制方式是利用软件将脉冲信号有规律的输出到步进电机的驱动元件上，从而，取代了环形脉冲分配器的功能。

由于单片机的强大功能，还可以扩张大量的外围电路，键盘作为一个外围中断源，可控制步进电机实现启停、正反转、加减速等功能，也可以利用数码管作为显示电路，来显示步进电机的工作状态。

此种控制方式的特点是系统的灵活性好，可靠性强，增加了控制系统的功能多样性.缺点是系统硬件设计相对复杂，电路设计工作量相对较大。

（3）基于PLC的控制方式:
PLC的控制方式是在工业领域中，以计算机控制技术相结合发展起来的控制技术。

通过PLC编程软件输出方波脉冲，环形脉冲分配器将控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组上。

而环形脉冲分配器可以分为软件和硬件两种。

采用软件环形分配器时，占用PLC资源较多，电路结构简单；而采用硬件环形分配器时，电路结构复杂，PLC资源占用较少，但增加成本.此种控制方式的特点是抗干扰能力强，可靠性高,编程简单，性价比高,安装简便,维修方便等。

缺点是不能在高频率下对步进电机进行控制，且控制精度小.
通过对以上三种方案的比较，可以发现：基于电子电路的控制方式灵活性不高；基于PLC的控制方式不能在高频率下进行,控制精度小；而随着科学技术的快
速发展，人们对控制功能的要求也越来越高，使得单片机的优点更加的直白的显现出来，因此，单片机与控制电路的结合是日后发展的主流方向.结合本设计的设计成本等因素的考量，故本设计采用基于单片机的控制方式。

本方案有以下优点：
（1）利用形分配器的功能
单片机的软件代替了环,通过改变单片机的输入程序,驱动
用一种电路可以实现对，使步进电机的灵活性和
多相步进电机的控制和
通用性大大提高；
（2）利用单片机的软件可以使步进电机的复杂控制变得更为简洁，也使控制方式实现了自动化控制和精准控制，可以有效的避免振荡、失步对电路产生的影响；
（3）由于单片机的扩展性较强，使其功能日趋完善,功能也逐渐多样化，设计成本较低，具有很高的性价比；
（4）由于单片机拥有很多的外围电路，且现存的子程序日趋完善，在使用时，直接调用，大大减少了工作量,也提高了系统的交互性。

硬件部分主要是以单片机为核心，本设计选用的步进电机是四相的步进电机,
启动/、正转/反转、加减速功能，通过软、硬件的结合，实现了步进电机的暂停
并且将电机的转向和速度等级动态的显示在数码管上.本设计是由单片机、键盘控制模块、电机驱动模块、数码管显示模块以及电源模块五部分组成。

其中键盘控制模块、电机驱动模块、数码管显示模块是本次设计的核心内容。

本设计的系统框图如图2-1所示：
图2—1 总体设计框图
2.2 单片机芯片的选择
方案一:采用凌阳单片机.凌阳单片机是一款控制处理数据以及数字信号处理的设备。

该单片机具有多种不同的产品类型，可以满足不同的电路场合的需求.它具有集成度高、数/模混合、功能全、低功耗、低电压和易于扩展等特点,并且能用电池供电，具有较强的中断处理能力。

另外，它还增加了适合于DSP 的某些特殊指令，有些系列的单片机还嵌入了LCD 控制/驱动和双音多频发生器功能，并且支持语音提示功能。

缺点是价格较贵，不利于提高产品的性价比。

方案二：采用51系列的单片机。

51单片机是现在应用最为广泛的单片机。

该单片机具有集成程度高、体积小、功耗低、系类齐全、扩展容易、使用方便、
抗干扰能力强、性能可靠等优点.同时，它的价格低廉，有利于提高性价比。

缺
点是数据处理较弱。

现实生活中，为了使电路更稳定的工作,有时单片机芯片需要具有一定的抗干扰能力以及一定范围的工作环境温度等等特殊的要求。

按适用的工作温度分，单片机芯片可分为商用级、工业级、军用级三个等级，这里选择一般的商用机即可。

按抗干扰能力方面的要求，由于本次设计的功能有限,一般的单片机均能满足该要求，因此，抗干扰方面不需要特别考虑。

若从易学掌握的角度出发,要求所选单片机要支持简单易学的编程语言，并且拥有易于学习的编程软件。

此外，本设计选用的单片机最好具有丰富的相关学习资料,便于查找学习，使其具有更高的通用性。

若从该角度出发，51系列的单片机具有一定的优势。

综上所述，通过从各方面的综合考虑，本系统选择方案二51单片机作为主控芯片。

在常用的51单片机中，STC89C51系列的单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速低功耗的单片机，它的功能已完全能够实现本设计的要求，且价格便宜，下载程序方便。

2.3 驱动电机芯片的选择
方案一: 使用驱动芯片ULN2003。

ULN2003芯片可以直接处理数字信号,例如经过数字逻辑电子电路产生的脉冲信号.该芯片的内部结构由达林NPN 个7顿管组
成的,并且与一个基极电阻串联每一对达林顿管都分别。

通常被广泛应用于单片机、PLC 、仪表电器等控制驱动电路中.特点是电流增益高、
工作电压高、驱动能力强、稳定性能好、体积小、价格低廉等等。