步进电动机单片机控制系统设计

步进电动机单片机控制系统设计步进电动机单片机控制系统设计步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第1页。毕业设计

题目：步进电动机单片机控制系统设计院、系：电气工程及其自动化

姓名：0

指导教师：0

系主任：0

2014年6月16日

步进电动机单片机控制系统设计

摘要

本文着重介绍了用单片机控制步进电动机系统的一种设计方法，此系统是通过键盘实现对步进电动机的正转、反转以及速度快慢的控制。采用两只数码管直观的显示步进电动机的正反转以及步进电动机的转数。第五章给出了步进电动机驱动电路的电子线路以及单片机控制步进电动机的原理图，第六章给出了实现本控制的控制程序。本设计可以通过键盘对步进电机进行正反转控制和转速控制。是一套简单、便捷、经济的步进电机控制系统。

通过以上几个部分的研究使我们对步进电动机的驱动控制问题有了较为深入的了解，为今后系统的改进和开发打下了良好的基础，同时，经过这段时间的研究试验表明该控制系统是绝对可行的。

关键词单片机；步进电动机；软件设计

I

Thedesignofthesingle-chipmicrocomputercontrol

steppingmotorsystem

Abstract

Thistextintroducedakindofusinganadesignforenteringelectricalengineeringsystemmethod,passingthekeyboardrealizestoentertheelectricalengineeringtothesteppositive,anti,quickandslowcontrolcounteractthefigurestubekeepstheviewofofthemanifestationstepenterstheelectricalengineeringturn,insideout,turnthenumber,andgavetoincludeathestepenterstheelectricalengineeringdriveshomologouselectronicsinetc.inelectriccircuitcircuitwithsoftwareprocess.

Passingaboveafewandpartofresearchesmakeusbeatingthebottomthegoodfoundationtoanimprovementforenteringelectricalengineeringdrivingcontrolingproblemcontainthoroughunderstanding,forfromnowonsystemdevelopments,atthesametime,studytheresultexpressedandshould步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第2页。controlthepossibilityofthesystem.

KeywordsThesingleamachine;stepenterstheelectricalengineering;softwaredesign.

II

目录

摘要...............................................................................................................IAbstract................................................................................................................II第1章绪论..(1)

1.1设计背景(1)

1.2本文主要设计内容(1)

第2章单片机的基本组成及其应用(2)

2.1单片机的基本介绍(2)

2.2单片机的分类(3)

2.2.1通用型与专用型(3)

2.2.2总线型与非总线型(3)

2.2.3工控型与家电型(3)

2.3单片机的结构(3)

2.3.1运算器(3)

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第3页。2.3.2控制器(4)

2.3.3存储器(4)

2.4单片机的应用(5)

第3章步进电动机的基本原理及其分类(8)

3.1步进电动机的基本介绍(8)

3.2步进电动机的工作原理及发热原理(8)

3.2.1工作原理(8)

3.2.2发热原理(8)

3.3步进电动机的技术指标(9)

3.3.1静态指标(9)

3.3.2动态指标(9)

3.3.3步进电动机的分类(10)

第4章步进电动机的控制和驱动(12)

4.1步进电动机的控制(12)

4.1.1控制换相顺序(12)

4.1.2控制步进电动机的转向(12)

4.1.3控制步进电动机的速度(13)

4.2步进电动机的驱动要求(14)

4.3步进电动机的驱动电路(14)

4.3.1步进电动机驱动电路(14)

4.3.2基于ULN2003芯片的步进电动机驱动电路(15)

4.3.3本章小结(17)

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第4页。III

第5章步进电动机单片机控制系统的设计(18)

5.1主要元器件的选择和设计(18)

5.1.1单片机AT89C51(18)

5.1.2共阳极数码管和译码器(19)

5.1.3步进电动机(19)

5.2步进电动机单片机控制系统设计电路图(20)

5.2.1步进电机驱动设计电路(20)

5.2.2数码管设计电路(21)

5.2.3键盘设计电路(22)

5.3本章小结(24)

第6章步进电动机控制程序(25)

6.1参考控制程序(25)

6.1.1程序一(25)

6.1.2程序二(27)

6.2本章小结(29)

结论(30)

致谢(31)

参考文献(32)

附录(33)

IV

第1章绪论

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第5页。1.1设计背景

由于步进电动机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电动机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。

对于一个步进电动机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此要求步进电动机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电动机对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电动机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电动机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。当步进电动机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电动机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电动机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电动机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电动机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电动机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率。

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第6页。由于步进电动机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电动机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电动机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电动机的加减速控制，可以提高步进电动机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电动机控制系统的综合性能。

1.2本文主要设计内容

本文使用51单片机设计一套步进电动机单片机控制系统，其中主要包括：单片机电路设计；步进电动机驱动设计；控制程序设计。

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第2章单片机的基本组成及其应用

2.1单片机的基本介绍

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第7页。功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。

由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到现在，基于8051的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第8页。集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！单片机的数量远远超过PC机和其他计算机的总和。

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2.2单片机的分类

单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

2.2.1通用型与专用型

这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专门用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

2.2.2总线型与非总线型

这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第9页。本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

2.2.3工控型与家电型

这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。

2.3单片机的结构

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。

2.3.1运算器

运算器由运算部件——算术逻辑单元（Arithmetic&LogicalUnit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。

运算器有两个功能：

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(1)执行各种算术运算。

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第10页。(2)执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。

运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

2.3.2控制器

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：

(1)从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。

(2)对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。

(3)指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。

微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。

2.3.3存储器

存储器是组成计算机的主要部件，其功能是储存信息（程序步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第11页。和数据）。存储器可以分成两大类，一类是随机存取存储器（RAM），另一类是只读存储器（ROM）。

对于RAM，CPU在运行时进行数据的写入和读出，在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。所以，它用来存放暂时性的输入/输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。

（1）单片机的程序存储器

51单片机的程序计数器PC是16位的计数器，所以能寻址64KB的程序存储地址范围。允许用户程序调用或转向64KB的任何存储单元。

（2）单片机的数据存储器

51单片机的数据存储器，分为片外RAM和片内RAM两大部分。

片内RAM共有128字节，分成工作寄存器区、位寻址区、通用RAM区三个部分。基本型单片机片内RAM地址范围是00H~7FH。增强型单片机片内除地址范围在00H~7FH的128个字节的RAM外，又增加了80H~FFH的高128字节的RAM。增加的这一部分RAM仅能采用间接寻址方式访问。

片外RAM地址空间为64KB，地址范围是0000H~FFFFH。与程序存储器地址空间不同的是，片外RAM地址空间与片内RAM地址空间在地址的低端0000H~007FH是重叠的。这就需要采取不同的寻址方式加以区分。

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在51单片机中，尽管片内RAM的容量不大，但它的功能多，步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第12页。使用灵活，是单片机应用系统设计时必须要周密考虑的。

（3）单片机的特殊功能寄存器（SFR）

在51基本型中设置了与片内RAM统一编址的21个特殊功能寄存器。

与运算器相关的寄存器3个：累加器ACC、寄存器B、程序状态寄存器PSW。

指针类寄存器3个：堆栈指针SP、数据指针DPTR。

与口相关的寄存器7个：并行I/O口P0、P1、P2、P3和串口数据缓冲器SBUF、串行口控制寄存器SCON、串行通信波特率倍增寄存器PCON。

与中断相关的寄存器2个：中断允许控制寄存器IE、中断优先级控制寄存器IP。

与定时/计数器相关的寄存器6个：定时/计数器T0的两个8位计数初始值寄存器TH0、TL0;定时/计数器T1的两个8位计数初始值寄存器TH1、TL1；定时/计数器的工作方式寄存器TMOD；定时/计数器控制寄存器TCON。

2.4单片机的应用

单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第13页。以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说

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自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：（1）智能仪器

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。

（2）工业控制

单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第14页。水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

（3）家用电器

家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。

（4）网络和通信

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

（5）设备领域

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

（6）模块化系统

某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第15页。微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。

在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

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（7）汽车电子

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。

此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

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第3章步进电动机的基本原理及其分类

3.1步进电动机的基本介绍

步进电动机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，

将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电动机供电，步进电动机才能正常工作，驱动器就是为步进电动机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电动机已被广泛地应用，但步进电动机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电动机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第16页。步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

3.2步进电动机的工作原理及发热原理

3.2.1工作原理

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电动机的转动。

3.2.2发热原理

通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第17页。有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有

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磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电动机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电动机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

3.3步进电动机的技术指标

3.3.1静态指标

1、相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第18页。度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

4、定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

5、静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

3.3.2动态指标

1、步距角精度：步进电动机每转过一个步距角的实际值与理论值的误

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差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第19页。5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：步进电动机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

3.3.3步进电动机的分类

步进电动机在构造上有三种主要类型：反应式（VariableReluctance，VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（HybridStepping,HS）。

反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，但动态性能差、效率低、发热大，可靠步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第20页。性难保证。

永磁式：永磁式步进电动机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大。

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混合式：混合式步进电动机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电动机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电动机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

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第4章步进电动机的控制和驱动

4.1步进电动机的控制

步进电动机区别于其他控制电机的最大特点，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第21页。进步电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：

4.1.1控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电动机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。

4.1.2控制步进电动机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电动机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

通过单片机按顺序的脉冲电流，就可以控制电机转动，从而进行了数字角度的转换。

(1)单相三拍方式——按单相绕组施加电流脉冲

(2)双相三拍方式——按双相绕组施加电流脉冲

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(3)三相六拍方式——单相绕组和双向绕组交替施加电流脉冲

单相三拍方式的每一拍步进角为3度，三相六拍看法进角则为1.5度。因此在三相六拍下，步进电动机的运行平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动脉冲的频率需提高一倍，对驱动开关管的开关特性要求较高.

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第22页。4.1.3控制步进电动机的速度

如果给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电动机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电动机进行调速。

步进电动机两个相邻磁极之间的夹角为60度，线圈绕地相对的二个磁极构成一相。此外各梯极上还有5个均匀分布的矩形小齿。电机转子上没有绕组，它上面有40个矩形小齿均匀分布在园周上，相邻两个齿之间的夹为9度。

当某相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电动机向前走一步。

步进电动机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法,即使用单片机实现,这样不但简化了电路,而且也降低了成本.使用单片机以软件方式控制步电机,不但可以通过编程方法在一定范围之内自由地设

定步进电动机的转速,往返转动的角度以及转动次数等;而且还可以方便灵活地控制步进电动机的运行关门,以满足不同的用户的要求。

4.2步进电动机的驱动要求

一、能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第23页。接近矩形。

具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。

二、具有较高韵功率及效率。

步进电动机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电动机旋转一个步距角。也就是说步进电动机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。步进电动机驱动器有很多，应以实际的功率要求合理的选择驱动器。

4.3步进电动机的驱动电路

步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。

4.3.1步进电动机驱动电路

如下图所示是一个四相步进电动机的驱动电路。A、B、C、D分别接到P1口的P1.4～P1.7。通过软件控制一组脉冲序列，控制步进电动机的转速、方向和步距。

在步进电动机的驱动线路中，主CPU发出的控制信号经U1放大，传到复合三极管前一级的基极。若CPU送出的数据为步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第24页。0，则前级三极管BG5作为开关三极管不导通，BG1也处于截止状态，电机内的线圈不得电；若CPU送出的数据为1，则前级三极管BG5的基极有了驱动电流，12V电压经电机的线圈、限流电阻和三极管形成通路。在电路图中的A、B、C、D分别代表电机内部的4个线圈，在驱动线中的R5～R8作为限流电阻来限制线圈中的电流值。在电阻和线圈两侧有并联的单向二极管，当CPU信号由1跳变为0时，三极管截止，电机的线圈会产生很大的感应电动势，这时线圈、限流电阻和单向二极管形成回路，保护三极

14

管不被线圈的瞬时感应电动势烧坏。二极管D1～D4也称回流二极管，在选择时要考虑到电源电压及线圈电流。R1～R4和D1～D4组成一条支路，在对应的线圈突然不通电时能够和线圈构成一组循环回路。该电阻的作用是分担支路中的电压，保护二极管。在每个集成放大器的输出端接有一个LED，作为脉冲信号输入的显示器件。CPU送入的数据为0时，LED下端的电位也为低，LED被导通发光；CPU送入的数据为1时，LED的下端电位为高，LED无法导通，不发光。R9～R12为限流电阻，使三极管基极的流入电流不至于过大而烧毁。

4.3.2基于ULN2003芯片的步进电动机驱动电路

ULN2003是一款电机脉冲分配芯片，由于其结构简单，价格低廉，而且无需外接功率放大电路，因此也常用来作为步进步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第25页。电动机的驱动芯片。

一、ULN2003芯片引脚介绍

ULN2003芯片引脚如下图所示。

15

引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端

引脚2：CPU脉冲输入端

引脚3：CPU脉冲输入端

引脚4：CPU脉冲输入端

引脚5：CPU脉冲输入端

引脚6：CPU脉冲输入端

引脚7：CPU脉冲输入端

引脚8：接地

引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。

引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。

引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。

引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。

引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。

引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。

引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第26页。引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。

ULN2003的内部结构可参见下图。在ULN2003芯片内部为达林顿管阵列，其工作原理与上一节电路驱动相似。由于该电路为芯片的内部结构，仅供初学者理解芯片的工作方式用，在芯片使用时可以忽略。

16

二、ULN2003芯片概述与特点

ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。ULN2003芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件。

ULN2003芯片是可以专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003芯片的输出端允许通过电流200mA，饱和压降约1V。输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器（SSR）等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。

ULN2003芯片的每一对达林顿都串联一个2.7k.的基极电阻，也可以不用限流电阻而直接由51的P口驱动。在5V的步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第27页。工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003芯片工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态（有低电平输入时，输出为高电平）时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。信号脉冲通过P1口送出，可经4.7k.上拉电阻接到ULN2003芯片的输入端口。P1.4～P1.7分别对应ULN2003的1C、2C、3C、4C输出端。在使用步进电动机时，对P1口赋予不同的值来送出电机正转或反转的脉冲信号。

4.3.3本章小结

本章主要讲述了步进电机转速、转向的控制方法和几种步进电机的驱动方法。经过研究对比发现使用ULN2003芯片驱动步进电机是一种简单方便经济的方法。在本设计系统中选择用ULN2003芯片驱动步进电机，在下文中会有具体介绍。

17

第5章步进电动机单片机控制系统的设计

步进电动机控制的最大特点是开环控制，不需要返馈信号。因为步进电动机的运动不产生旋转量的误差积累。

本次设计的主要是要通过单片机芯片来控制步进电动机的各种动作。步进电动机单片机控制系统示意图如下所示：

步进电动机单片机控制系统示意图

5.1主要元器件的选择和设计

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第28页。5.1.1单片机AT89C51

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机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。

18

195.1.2共阳极数码管按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平

时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第29页。二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管在仪器仪表中主要显示单片机的输出数据，状态等，因而作为外围典型器件，数码管显示是反映系统输出和操纵输入的有效器件。用单片机驱动LED数码管有很多方法，可分为静态显示和动态显示。静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用和电路硬件较多。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板的空间。

5.1.3步进电动机

步进电动机的选择需要注意以下条件。

判断需多大力矩：静扭矩是选择步进电动机的主要参数之一。负载大时，需采用大力矩电机。力矩指标大时，电机外形也大。

判断电机运转速度：转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。

选择电机的安装规格：如57、86、110等，主要与力矩要求有关。

确定定位精度和振动方面的要求情况：判断是否需细分，需步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第30页。多少细分。

本次设计所选择的步进电动机为42BYG028型步进电动机，其主要技术指标如下：类型：反应式相数：4电压：12v电流：0.4A电阻：30欧电感：23mH

最大静转矩：2000g.cm。其接线图如下图所示：

5.2步进电动机单片机控制系统设计电路图

5.2.1步进电机驱动设计电路

通过ULN2803构成比较多的驱动电路，电路图如下图所示。通过单片机的P1.0~P1.3输出脉冲到ULN2803的1B~4B口，经信号放大后从1C~4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。

20

21

5.2.2数码管设计电路

在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的P0口和P2口。采用两个共阳数码管作显示。第一个数码管接的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P0.0~P0.7口，用于显示电机正反转状态，正转时显示“1”，反转时显示“一”，不转时显示“0”。第二个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P2.0~P2.7口，用于显示电机的转速步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第31页。级别，共七级，即从1~7转速依次递增，“0”表示转速为零。电路如下图所示。

5.2.3复位电路和晶振电路

单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。

复位电路：使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。该设计要求只需4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了6路独立式键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用30PF的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。如图5示。

晶振电路：8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图所示。其电容值一般在5~30pf,晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第32页。22

5.2.4总体设计电路

把各个部分的电路图组合成总电路图，如下图所示。

23

5.3本章小结

在理论正确的基础上，选择合适的硬件，连接成正确的电路才能使系统实现我们要求的功能。在这过程中，每一个细节都要注意，出现一处错误就可能导致不可挽回的损失。正如名言所说：实践出真知，只有在将理论变为实践的过程中我们才能真正体会到整个控制系统的一些关键点。生成真正的产品才是验证我们理论正确的最终途径。

24

第6章步进电动机控制程序

6.1参考控制程序

6.1.1程序一

#include#defineucharunsignedchar

uchardatavar=100;

uchardataflag=0;

uchardatacount=4;

uchardatakey=3;

uchardataonce=1;

uchar步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第33页。buf[100]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0x10,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15,

0x16,0x17,0x18,0x19,0x20,0x21,0x22,0x23,0x24,0x25,

0x26,0x27,0x28,0x29,0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,

0x36,0x37,0x38,0x39,0x40,0x41,0x42,0x43,0x44,0x45,

0x46,0x47,0x48,0x49,0x50,0x51,0x52,0x53,0x54,0x55,

0x56,0x57,0x58,0x59,0x60,0x61,0x62,0x63,0x64,0x65,

0x66,0x67,0x60,0x69,0x70,0x71,0x72,0x73,0x74,0x75,

0x76,0x77,0x78,0x79,0x80,0x81,0x82,0x83,0x84,0x85,

0x86,0x87,0x88,0x89,0x90,0x91,0x92,0x93,0x94,0x95,

0x96,0x97,0x98,0x99};

voiddelay()

{

uchari,j;

for(i=0;i{

for(j=0;j{}

}

}

voidcontrol()

25

{

uchari;

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第34页。ucharj=0x01;

if(flag)

{

for(i=0;i{

P1=j;

delay();

buf[0]=buf[0]+1;

if(buf[0]==100){buf[0]=0;}

j=jif(j==0x10){j=0;}

P0=buf[0];

}

}

else

{

for(i=0;i{

P1=j;

delay();

buf[0]++;

if(buf[0]==100){buf[0]=0;}

j=j>>1;

if(j==0){j=0x08;}

P0=buf[0];

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第35页。}

}

}

voidpresskey()

{

if((key==1)&&(once)){flag!=flag;once=0;}

26

elseif((key==2)&&once){once=0;count++;}if(count==5){count=1;}

switch(count)

{

case1:var=10;break;

case2:var=20;break;

case3:var=40;break;

case4:var=100;break;

default:

break;

}

}

voidmain()

{

key=3;

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第36页。while(1)

{

key=P0&0x03;

if(key!=3){presskey();}

elseif(key==3){once=1;}

control();

}

6.1.2程序二

#include#defineucharunsignedchar

uchardatavar=100;

uchardataflag=0;

uchardatacount=4;

uchardatakey=3;

uchardataonce=1;

voiddelay()

{

27

uchari,j;

for(i=0;ifor(j=0;j}

voidcontrol()

{

uchari;

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第37页。ucharj=0x01;

if(flag)

for(i=0;i{

P1=j;

delay();

j=jif(j==0x10)

j=0x01;

}

else

for(i=0;i{

P1=j;

delay();

j=j>>1;

if(j==0)

j=0x08;

}

}

voidpresskey(void)

{

if((key==1)&&once)

{flag=!flag;once=0;}

if((key==2)&&once)

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第38页。{

28

once=0;

count++;

if(count==5)

count=1;

switch(count)

{

case1:var=10;break;

case2:var=20;break;

case3:var=40;break;

case4:var=100;break;

}

}

}

voidmain()

{

key=3;

while(1)

{

key=P2&0x03;

if(key!=3)

步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第39页。{presskey();}

if(key==3)

{once=1;}

control();

}

6.2本章小结

本程序编写简单、运行流畅、工作稳定。单片机里的控制程序是控制系统的灵魂。一个好的程序运算简单，运行稳定，反应快速。强大的硬件并不一定能出色的完成所需功能，必须配上好的程序才能实现硬件的功能。我要努力学习程序的编写，会写简单的汇编程序和C语言程序。

29

结论

经过这次毕业设计,我不仅重新回顾了过去四年所学过的专业知识,增加了在软件开发方面的经验,而且初步掌握了电子绘图软件和CodecRuiserfor51的应用,还了解了一些相关的电路设计和硬件的知识,特别是51系列单片机方面的知识,可以说是对我的大学期间所学知识的一次综合性检验；并且通过切身的动手实验,不仅加强了理论知识而且加强了我的感性认识,再次体会到自己在知识上的局限性和存在的不足。这次毕业设计既锻炼了我动脑分析问题的能力,又锻炼了我动手解决实际问题的能力,这将对我以后的学习和工步进电动机单片机控制系统设计全文共43页，当前为第40页。作起到不可估量的作用。

本文主要对单片机控制的步进电动机作为研究对象,通过单片机输出脉冲控制步进电动机的正反快慢的转动.在实现电机转动的基础上,又加入了两个八段显象管用来直观的显示步进电动机的转动步数和速度。虽然本控制系统设计简单，但可以基本完成步进电动机的控制任务，极其便捷稳定。在步进电动机的驱动上我们选择了芯片驱动的方法，简化了电路增加了系统稳定性且便于维修。步进电机的控制系统需要根据实际使用条件进行选择和设计。本步进电动机控制系统可以作为一个简单模型。读者可以根据实际的功能要求进行功能拓展，实现对步进电动机更多功能的控制。

本次毕业设计主要完成了单片机控制步进电动机系统的软硬件设计，包括电机驱动电路的整体设