基于单片机的步进电机控制系统设计
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Vpp为本引脚的第二功能。
（2）ALE/ (Address Latch Enable/PROGramming,30引脚)：地址锁存信号允许输出端。当单片机方位外部数据存储器时，用于为单片机提供外部地址的锁存控制信号。即便是单片机不访问外部RAM，ALE也会不断地输出频率为时钟振荡频率1/6的正脉冲信号，用示波器观察该信号，可以初步判断单片机是否正常工作。
下面，我将对单片机和步进电机的工作原理进行详细的介绍。
2.1
单片机是一种集成电路芯片，按功能划分，主要有以下几个部件组成：
器（RAM）
[3]程序存储器（ROM）
[4]并行I/O口，4个（P0、P1、P2、P3口）
[5]串行口，1个
[6]定时器/计数器，16位，2个
步进电机主要应用于开环系统之中，该开环系统的控制精度主要取决于两个因素，一个因素是步进电机本身的精度，另外一个因素是步进电机的驱动，当然外围的传动环节的误差也会对整个开环系统的精度产生影响。在一些小容量、低速和精度要求不高的场合，选用步进电机构成的开环控制系统，可以更好的满足用户的需求。本课题采用51单片机来控制步进电机，并设计了驱动电路、键盘、显示器等外围电路，实现对步进电机的正转、反转、加速、减速等开环控制。整个控制系统具有较强的应用性，可以很方便的应用于其他场合。
1.4
由于步进电机的诸多优点，基于步进电机自动化控制系统的应用越来越广泛。随着微电子技术、计算机技术和微型计算机技术的发展，步进电机的控制方法愈发多样化，并且稳定性、经济性和适应性都有了更加显著的提高，使其在工业现场等众多领域有了更加广泛的应用，最典型的比如计算机数控系统。在计算机数控机床系统中，步进电机常常作为轴转动的动力提供装置。另外，在很多计算机外围设备中，步进电机也被经常使用，比如打印机、绘图仪等。步进电机在众多领域中扮演了越来越重要的角色，已经成为很多系统中不可或缺的组成部件。
例如在计算机的许多外围设备中，步进电机得到广泛应用。② 步进电机的调频段很宽，在其调频段内，步进电机可以很高效的实现快速启动和停止。这个优点是很多其他电机没有的。③步进电机转动的角度和位移由输入电机的脉冲信号的个数来决定。用户可以通过改变输入步进电机的脉冲的个数，实现对步进电机转动位移和角度的精确控制。④步进电机转动的加速度和速度由输入电机的脉冲信号的频率来决定。用户可以通过改变输入步进电机的脉冲的频率，实现对步进电机转动速度的精准控制。
本课题控制核心器件为单片机，被控对象为步进电机。所以，在设计本控制系统之前，首先要弄清楚单片机的工作原理以及步进电机的工作原理，这样才能为后续的工作打下良好的基础，保证电路原理设计和软件设计顺利进行。
在本课题中，选用51单片机来控制步进电机。我采用的单片机为深圳宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机。该单片机是一款新一代的低功耗、高速度、超强抗干扰的8051单片机，其指令代码和传统8051单片机完全兼容。在本部分我会介绍本单片机的基本硬件结构，了解该单片机的工作原理，为后续的硬件电路设计和软件系统设计做好铺垫。对于步进电机，我选用的是慈溪市九菱电器有限公司生产的20BYJ46型号的步进电机为例，这是一款五线四相式步进电机。对步进电机的工作原理进行了解，也有助于我们进行后续的研究和设计。
本课题主要研究对象为步进电机控制系统，目的在于研究一种方便用户的满足不同场合需求的步进电机控制系统。该系统的可变化性较大，可操作性较强，功能较为齐全，并且操作简便，可以满足大多数用户的需求。
本研究的要求主要有以下几个方面：①了解步进电机不同的控制方案，并选择适合本系统的控制方案和核心控制芯片。②完成所选芯片的电路原理图的总体设计。③设计系统的软件系统，撰写程序代码。④利用protues软件对电路原理图和程序代码进行仿真，并对功能进行理论验证。⑤在开发板上验证程序代码，并对整体设计进行论证。⑥绘制PCB图并制作电路板，完成硬件电路的安装，并进行程序调试，实现对步进电机的多种方式的控制。
（1）XTAL1(19引脚)。
（2）XTAL2(20引脚)。
2.2.3控制引脚
单片机的控制引脚主要为单片机提供控制信号。其中，有的引脚还拥有第二功能。
（1）RST/Vpp(9引脚)：单片机的复位信号输入端。当向该引脚输入超过两个机器周期的高电平时，单片机便完成了复位操作。复位引脚的设定，可以有效解决单片机死循环等问题。
2.2
MCS-51子系列单片机中的各种型号的芯片的引脚是兼容的。目前大多采用双列直插（DIP）式封装，如图2-2所示。
MCS-51系列单片机总共有40只引脚。40只引脚有不同的功能。按照功能来分类，主要可以分为以下四类：
（1）电源引脚：Vcc、Vss。
（2）时钟引脚：XTAL1、XTAL2。
（3）控制引脚： 、ALE、 、RESET。
[7]中断系统
[8]特殊功能寄存器（SFR）
单片机的以上八个功能部件结构图如图2-1所示。
图2-1单片机的硬件结构图
单片机采用单总线结构，即各功能部件通过单一总线连接而成，基本结构仍然是采用CPU加上外围芯片的方式。特殊功能寄存器用于CPU对各个功能部件的控制。单片机采用这种集中控制方式，可以更好地实现各个不同功能部件之间高效地配合工作。
然而，随着科学技术日新月异的发展，人们对控制精度、控制方式以及控制系统的可靠性稳定性的要求也越来越高。现有的步进电机的控制方法、控制模式已经不能满足某些高精度场合的需求，寻找完善的能够满足用户需求的步进电机控制方式是摆在人们面前的又一重大课题，越来越多的人致力于研究新的步进电机控制方案。
1单片机及步进电机的工作原理
（4）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
图2-2单片机引脚图
下面，我针对每个引脚，做一个简单介绍。
2.2.1电源引脚
单片机的工作电源通过电源引脚引入到单片机。
（1）Vcc（40引脚）：接+5V电源
（2）Vss（20引脚）：接地，即电源负极。
2.2.2时钟引脚
当时钟引脚外接晶体时，与片内的反相放大器构成振荡器，可以为单片机提供时钟控制信号。两个时钟引脚也可以外接晶体振荡器。
（2）ALE/ (Address Latch Enable/PROGramming,30引脚)：地址锁存信号允许输出端。当单片机方位外部数据存储器时，用于为单片机提供外部地址的锁存控制信号。即便是单片机不访问外部RAM，ALE也会不断地输出频率为时钟振荡频率1/6的正脉冲信号，用示波器观察该信号，可以初步判断单片机是否正常工作。
下面，我将对单片机和步进电机的工作原理进行详细的介绍。
2.1
单片机是一种集成电路芯片，按功能划分，主要有以下几个部件组成：
器（RAM）
[3]程序存储器（ROM）
[4]并行I/O口，4个（P0、P1、P2、P3口）
[5]串行口，1个
[6]定时器/计数器，16位，2个
步进电机主要应用于开环系统之中，该开环系统的控制精度主要取决于两个因素，一个因素是步进电机本身的精度，另外一个因素是步进电机的驱动，当然外围的传动环节的误差也会对整个开环系统的精度产生影响。在一些小容量、低速和精度要求不高的场合，选用步进电机构成的开环控制系统，可以更好的满足用户的需求。本课题采用51单片机来控制步进电机，并设计了驱动电路、键盘、显示器等外围电路，实现对步进电机的正转、反转、加速、减速等开环控制。整个控制系统具有较强的应用性，可以很方便的应用于其他场合。
1.4
由于步进电机的诸多优点，基于步进电机自动化控制系统的应用越来越广泛。随着微电子技术、计算机技术和微型计算机技术的发展，步进电机的控制方法愈发多样化，并且稳定性、经济性和适应性都有了更加显著的提高，使其在工业现场等众多领域有了更加广泛的应用，最典型的比如计算机数控系统。在计算机数控机床系统中，步进电机常常作为轴转动的动力提供装置。另外，在很多计算机外围设备中，步进电机也被经常使用，比如打印机、绘图仪等。步进电机在众多领域中扮演了越来越重要的角色，已经成为很多系统中不可或缺的组成部件。
例如在计算机的许多外围设备中，步进电机得到广泛应用。② 步进电机的调频段很宽，在其调频段内，步进电机可以很高效的实现快速启动和停止。这个优点是很多其他电机没有的。③步进电机转动的角度和位移由输入电机的脉冲信号的个数来决定。用户可以通过改变输入步进电机的脉冲的个数，实现对步进电机转动位移和角度的精确控制。④步进电机转动的加速度和速度由输入电机的脉冲信号的频率来决定。用户可以通过改变输入步进电机的脉冲的频率，实现对步进电机转动速度的精准控制。
本课题控制核心器件为单片机，被控对象为步进电机。所以，在设计本控制系统之前，首先要弄清楚单片机的工作原理以及步进电机的工作原理，这样才能为后续的工作打下良好的基础，保证电路原理设计和软件设计顺利进行。
在本课题中，选用51单片机来控制步进电机。我采用的单片机为深圳宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机。该单片机是一款新一代的低功耗、高速度、超强抗干扰的8051单片机，其指令代码和传统8051单片机完全兼容。在本部分我会介绍本单片机的基本硬件结构，了解该单片机的工作原理，为后续的硬件电路设计和软件系统设计做好铺垫。对于步进电机，我选用的是慈溪市九菱电器有限公司生产的20BYJ46型号的步进电机为例，这是一款五线四相式步进电机。对步进电机的工作原理进行了解，也有助于我们进行后续的研究和设计。
本课题主要研究对象为步进电机控制系统，目的在于研究一种方便用户的满足不同场合需求的步进电机控制系统。该系统的可变化性较大，可操作性较强，功能较为齐全，并且操作简便，可以满足大多数用户的需求。
本研究的要求主要有以下几个方面：①了解步进电机不同的控制方案，并选择适合本系统的控制方案和核心控制芯片。②完成所选芯片的电路原理图的总体设计。③设计系统的软件系统，撰写程序代码。④利用protues软件对电路原理图和程序代码进行仿真，并对功能进行理论验证。⑤在开发板上验证程序代码，并对整体设计进行论证。⑥绘制PCB图并制作电路板，完成硬件电路的安装，并进行程序调试，实现对步进电机的多种方式的控制。
（1）XTAL1(19引脚)。
（2）XTAL2(20引脚)。
2.2.3控制引脚
单片机的控制引脚主要为单片机提供控制信号。其中，有的引脚还拥有第二功能。
（1）RST/Vpp(9引脚)：单片机的复位信号输入端。当向该引脚输入超过两个机器周期的高电平时，单片机便完成了复位操作。复位引脚的设定，可以有效解决单片机死循环等问题。
2.2
MCS-51子系列单片机中的各种型号的芯片的引脚是兼容的。目前大多采用双列直插（DIP）式封装，如图2-2所示。
MCS-51系列单片机总共有40只引脚。40只引脚有不同的功能。按照功能来分类，主要可以分为以下四类：
（1）电源引脚：Vcc、Vss。
（2）时钟引脚：XTAL1、XTAL2。
（3）控制引脚： 、ALE、 、RESET。
[7]中断系统
[8]特殊功能寄存器（SFR）
单片机的以上八个功能部件结构图如图2-1所示。
图2-1单片机的硬件结构图
单片机采用单总线结构，即各功能部件通过单一总线连接而成，基本结构仍然是采用CPU加上外围芯片的方式。特殊功能寄存器用于CPU对各个功能部件的控制。单片机采用这种集中控制方式，可以更好地实现各个不同功能部件之间高效地配合工作。
然而，随着科学技术日新月异的发展，人们对控制精度、控制方式以及控制系统的可靠性稳定性的要求也越来越高。现有的步进电机的控制方法、控制模式已经不能满足某些高精度场合的需求，寻找完善的能够满足用户需求的步进电机控制方式是摆在人们面前的又一重大课题，越来越多的人致力于研究新的步进电机控制方案。
1单片机及步进电机的工作原理
（4）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
图2-2单片机引脚图
下面，我针对每个引脚，做一个简单介绍。
2.2.1电源引脚
单片机的工作电源通过电源引脚引入到单片机。
（1）Vcc（40引脚）：接+5V电源
（2）Vss（20引脚）：接地，即电源负极。
2.2.2时钟引脚
当时钟引脚外接晶体时，与片内的反相放大器构成振荡器，可以为单片机提供时钟控制信号。两个时钟引脚也可以外接晶体振荡器。