步進電動機單片機控制系統設計步進電動機單片機控制系統設計步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第1頁。畢業設計

題目：步進電動機單片機控制系統設計院、系：電氣工程及其自動化

姓名：0

指導教師：0

系主任：0

2014年6月16日

步進電動機單片機控制系統設計

摘要

本文著重介紹了用單片機控制步進電動機系統的一種設計方法，此系統是通過鍵盤實現對步進電動機的正轉、反轉以及速度快慢的控制。采用兩只數碼管直觀的顯示步進電動機的正反轉以及步進電動機的轉數。第五章給出了步進電動機驅動電路的電子線路以及單片機控制步進電動機的原理圖，第六章給出了實現本控制的控制程序。本設計可以通過鍵盤對步進電機進行正反轉控制和轉速控制。是一套簡單、便捷、經濟的步進電機控制系統。

通過以上幾個部分的研究使我們對步進電動機的驅動控制問題有了較為深入的了解，為今后系統的改進和開發打下了良好的基礎，同時，經過這段時間的研究試驗表明該控制系統是絕對可行的。

關鍵詞單片機；步進電動機；軟件設計

I

Thedesignofthesingle-chipmicrocomputercontrol

steppingmotorsystem

Abstract

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

Passingaboveafewandpartofresearchesmakeusbeatingthebottomthegoodfoundationtoanimprovementforenteringelectricalengineeringdrivingcontrolingproblemcontainthoroughunderstanding,forfromnowonsystemdevelopments,atthesametime,studytheresultexpressedandshould步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第2頁。controlthepossibilityofthesystem.

KeywordsThesingleamachine;stepenterstheelectricalengineering;softwaredesign.

II

目錄

摘要...............................................................................................................IAbstract................................................................................................................II第1章緒論..(1)

1.1設計背景(1)

1.2本文主要設計內容(1)

第2章單片機的基本組成及其應用(2)

2.1單片機的基本介紹(2)

2.2單片機的分類(3)

2.2.1通用型與專用型(3)

2.2.2總線型與非總線型(3)

2.2.3工控型與家電型(3)

2.3單片機的結構(3)

2.3.1運算器(3)

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第3頁。2.3.2控制器(4)

2.3.3存儲器(4)

2.4單片機的應用(5)

第3章步進電動機的基本原理及其分類(8)

3.1步進電動機的基本介紹(8)

3.2步進電動機的工作原理及發熱原理(8)

3.2.1工作原理(8)

3.2.2發熱原理(8)

3.3步進電動機的技術指標(9)

3.3.1靜態指標(9)

3.3.2動態指標(9)

3.3.3步進電動機的分類(10)

第4章步進電動機的控制和驅動(12)

4.1步進電動機的控制(12)

4.1.1控制換相順序(12)

4.1.2控制步進電動機的轉向(12)

4.1.3控制步進電動機的速度(13)

4.2步進電動機的驅動要求(14)

4.3步進電動機的驅動電路(14)

4.3.1步進電動機驅動電路(14)

4.3.2基于ULN2003芯片的步進電動機驅動電路(15)

4.3.3本章小結(17)

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第4頁。III

第5章步進電動機單片機控制系統的設計(18)

5.1主要元器件的選擇和設計(18)

5.1.1單片機AT89C51(18)

5.1.2共陽極數碼管和譯碼器(19)

5.1.3步進電動機(19)

5.2步進電動機單片機控制系統設計電路圖(20)

5.2.1步進電機驅動設計電路(20)

5.2.2數碼管設計電路(21)

5.2.3鍵盤設計電路(22)

5.3本章小結(24)

第6章步進電動機控制程序(25)

6.1參考控制程序(25)

6.1.1程序一(25)

6.1.2程序二(27)

6.2本章小結(29)

結論(30)

致謝(31)

參考文獻(32)

附錄(33)

IV

第1章緒論

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第5頁。1.1設計背景

由于步進電動機不需要位置傳感器或速度傳感器就可以實現定位，即使在開環狀態下它的控制效果也是令人非常滿意的，這有利于裝置或設備的小型化和低成本，因此步進電動機在計算機外圍設備、數控機床和自動化生產線等領域中都得到了廣泛的應用。

對于一個步進電動機控制系統而言，總希望它能以最短的時間到達控制終點。因此要求步進電動機的速度盡可能地快，但如果速度太快，則可能發生失步。此外，一般步進電動機對空載最高啟動頻率都是有所限制的。當步進電動機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據步進電動機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差。當步進電動機啟動后，進入穩態時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電動機不可能一下子穩定到較高的工作頻率，必須在啟動時有一個加速的過程。從高速運行到停止也應該有一個減速的過程，防止步進電動機因為系統慣性的原因，而發生沖過終點的現象。為此本文以單片機作為控制核心，實現步進電動機的自動加減速控制，使系統以最短的時間到達控制終點，而又不發生失步的現象。因為步進電動機的轉速正比于控制脈沖的頻率，所以調節步進電動機的轉速，實質上是調節單片機輸出的脈沖頻率。

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第6頁。由于步進電動機的運動特性受電壓波動和負載變化的影響小，方向和轉角控制簡單，并且步進電動機能直接接收數字量的控制，非常適合采用微機進行控制。步進電動機工作時，失步或者過沖都會直接影響其控制精度。研究步進電動機的加減速控制，可以提高步進電動機的響應速度、平穩性和定位精度等性能，從而決定了步進電動機控制系統的綜合性能。

1.2本文主要設計內容

本文使用51單片機設計一套步進電動機單片機控制系統，其中主要包括：單片機電路設計；步進電動機驅動設計；控制程序設計。

1

第2章單片機的基本組成及其應用

2.1單片機的基本介紹

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統。

單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第7頁。功能的芯片，而是把一個計算機系統集成到一個芯片上。單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成，相當于一個微型的計算機（最小系統），和計算機相比，單片機缺少了外圍設備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。它最早是被用在工業控制領域。

由于單片機在工業控制領域的廣泛應用，單片機由僅有CPU的專用處理器芯片發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。

INTEL的8080是最早按照這種思想設計出的處理器，當時的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上發展出了MCS51系列單片機系統。因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。盡管2000年以后ARM已經發展出了32位的主頻超過300M的高端單片機，直到現在，基于8051的單片機還在廣泛的使用。在很多方面單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統，因此它得到了廣泛的應用。事實上單片機是世界上數量最多處理器，隨著單片機家族的發展壯大，單片機和專用處理器的發展便分道揚鑣。

現代人類生活中所用的幾乎每件有電子器件的產品中都會步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第8頁。集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電子產品中都含有單片機。汽車上一般配備40多片單片機，復雜的工業控制系統上甚至可能有數百片單片機在同時工作！單片機的數量遠遠超過PC機和其他計算機的總和。

2

2.2單片機的分類

單片機作為計算機發展的一個重要分支領域，根據發展情況，從不同角度，單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。

2.2.1通用型與專用型

這是按單片機適用范圍來區分的。例如，80C51是通用型單片機，它不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成ADC接口等功能的溫度測量控制電路。

2.2.2總線型與非總線型

這是按單片機是否提供并行總線來區分的。總線型單片機普遍設置有并行地址總線、數據總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成一片內，因此在許多情況下可以不要并行擴展總線，大大減省封裝成步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第9頁。本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。

2.2.3工控型與家電型

這是按照單片機大致應用的領域進行區分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。顯然，上述分類并不是惟一的和嚴格的。例如，80C51類單片機既是通用型又是總線型，還可以作工控用。

2.3單片機的結構

單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成。

2.3.1運算器

運算器由運算部件——算術邏輯單元（Arithmetic&LogicalUnit，簡稱ALU）、累加器和寄存器等幾部分組成。ALU的作用是把傳來的數據進行算術或邏輯運算，輸入來源為兩個8位數據，分別來自累加器和數據寄存器。ALU能完成對這兩個數據進行加、減、與、或、比較大小等操作，最后將結果存入累加器。例如，兩個數6和7相加，在相加之前，操作數6放在累加器中，7放在數據寄存器中，當執行加法指令時，ALU即把兩個數相加并把結果13存入累加器，取代累加器原來的內容6。

運算器有兩個功能：

3

(1)執行各種算術運算。

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第10頁。(2)執行各種邏輯運算，并進行邏輯測試，如零值測試或兩個值的比較。

運算器所執行全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的，并且，一個算術操作產生一個運算結果，一個邏輯操作產生一個判決。

2.3.2控制器

控制器由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序發生器和操作控制器等組成，是發布命令的“決策機構”，即協調和指揮整個微機系統的操作。其主要功能有：

(1)從內存中取出一條指令，并指出下一條指令在內存中的位置。

(2)對指令進行譯碼和測試，并產生相應的操作控制信號，以便于執行規定的動作。

(3)指揮并控制CPU、內存和輸入輸出設備之間數據流動的方向。

微處理器內通過內部總線把ALU、計數器、寄存器和控制部分互聯，并通過外部總線與外部的存儲器、輸入輸出接口電路聯接。外部總線又稱為系統總線，分為數據總線DB、地址總線AB和控制總線CB。通過輸入輸出接口電路，實現與各種外圍設備連接。

2.3.3存儲器

存儲器是組成計算機的主要部件，其功能是儲存信息（程序步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第11頁。和數據）。存儲器可以分成兩大類，一類是隨機存取存儲器（RAM），另一類是只讀存儲器（ROM）。

對于RAM，CPU在運行時進行數據的寫入和讀出，在關閉電源時，其所存儲的信息將丟失。所以，它用來存放暫時性的輸入/輸出數據、運算的中間結果或用作堆棧。

（1）單片機的程序存儲器

51單片機的程序計數器PC是16位的計數器，所以能尋址64KB的程序存儲地址范圍。允許用戶程序調用或轉向64KB的任何存儲單元。

（2）單片機的數據存儲器

51單片機的數據存儲器，分為片外RAM和片內RAM兩大部分。

片內RAM共有128字節，分成工作寄存器區、位尋址區、通用RAM區三個部分。基本型單片機片內RAM地址范圍是00H~7FH。增強型單片機片內除地址范圍在00H~7FH的128個字節的RAM外，又增加了80H~FFH的高128字節的RAM。增加的這一部分RAM僅能采用間接尋址方式訪問。

片外RAM地址空間為64KB，地址范圍是0000H~FFFFH。與程序存儲器地址空間不同的是，片外RAM地址空間與片內RAM地址空間在地址的低端0000H~007FH是重疊的。這就需要采取不同的尋址方式加以區分。

4

在51單片機中，盡管片內RAM的容量不大，但它的功能多，步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第12頁。使用靈活，是單片機應用系統設計時必須要周密考慮的。

（3）單片機的特殊功能寄存器（SFR）

在51基本型中設置了與片內RAM統一編址的21個特殊功能寄存器。

與運算器相關的寄存器3個：累加器ACC、寄存器B、程序狀態寄存器PSW。

指針類寄存器3個：堆棧指針SP、數據指針DPTR。

與口相關的寄存器7個：并行I/O口P0、P1、P2、P3和串口數據緩沖器SBUF、串行口控制寄存器SCON、串行通信波特率倍增寄存器PCON。

與中斷相關的寄存器2個：中斷允許控制寄存器IE、中斷優先級控制寄存器IP。

與定時/計數器相關的寄存器6個：定時/計數器T0的兩個8位計數初始值寄存器TH0、TL0;定時/計數器T1的兩個8位計數初始值寄存器TH1、TL1；定時/計數器的工作方式寄存器TMOD；定時/計數器控制寄存器TCON。

2.4單片機的應用

單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第13頁。以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說

5

自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。

單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：（1）智能儀器

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。

例如精密的測量設備（電壓表、功率計，示波器，各種分析儀）。

（2）工業控制

單片機具有體積小、控制功能強、功耗低、環境適應能力強、擴展靈活和使用方便等優點，用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統、通信系統、信號檢測系統、無線感知系統、測控系統、機器人等應用控制系統。例如工廠流步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第14頁。水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。

（3）家用電器

家用電器廣泛采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備和白色家電等。

（4）網絡和通信

現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。

（5）設備領域

單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫用呼吸機，各種分析儀，監護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。

（6）模塊化系統

某些專用單片機設計用于實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第15頁。微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。

在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。

6

（7）汽車電子

單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發動機控制器，基于CAN總線的汽車發動機智能電子控制器、GPS導航系統、abs防抱死系統、制動系統、胎壓檢測等。

此外，單片機在工商、金融、科研、教育、電力、通信、物流和國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。

7

第3章步進電動機的基本原理及其分類

3.1步進電動機的基本介紹

步進電動機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，

將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電動機供電，步進電動機才能正常工作，驅動器就是為步進電動機分時供電的，多相時序控制器。

雖然步進電動機已被廣泛地應用，但步進電動機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電動機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第16頁。步進電動機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電動機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電動機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

3.2步進電動機的工作原理及發熱原理

3.2.1工作原理

通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電動機的轉動。

3.2.2發熱原理

通常見到的各類電機，內部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第17頁。有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗；鐵心有

8

磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。步進電動機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進電動機普遍存在發熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

3.3步進電動機的技術指標

3.3.1靜態指標

1、相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。

2、拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉子齒數*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第18頁。度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

4、定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。

5、靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。

3.3.2動態指標

1、步距角精度：步進電動機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤

9

差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。

2、失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。

3、失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

4、最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第19頁。5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。

6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。

其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，采用小電感大電流的電機。

7、電機的共振點：步進電動機均有固定的共振區域，二、四相感應子式的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。

3.3.3步進電動機的分類

步進電動機在構造上有三種主要類型：反應式（VariableReluctance，VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（HybridStepping,HS）。

反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，但動態性能差、效率低、發熱大，可靠步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第20頁。性難保證。

永磁式：永磁式步進電動機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大。

10

混合式：混合式步進電動機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進電動機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電動機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

11

第4章步進電動機的控制和驅動

4.1步進電動機的控制

步進電動機區別于其他控制電機的最大特點，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，電機的轉速由脈沖信號頻率決定。

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第21頁。進步電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下：

4.1.1控制換相順序

通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電動機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。

4.1.2控制步進電動機的轉向

如果給定工作方式正序換相通電，步進電動機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。

通過單片機按順序的脈沖電流，就可以控制電機轉動，從而進行了數字角度的轉換。

(1)單相三拍方式——按單相繞組施加電流脈沖

(2)雙相三拍方式——按雙相繞組施加電流脈沖

12

13

(3)三相六拍方式——單相繞組和雙向繞組交替施加電流脈沖

單相三拍方式的每一拍步進角為3度，三相六拍看法進角則為1.5度。因此在三相六拍下，步進電動機的運行平穩柔和，但在同樣的運行角度與速度下，三相六拍驅動脈沖的頻率需提高一倍，對驅動開關管的開關特性要求較高.

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第22頁。4.1.3控制步進電動機的速度

如果給步進電動機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電動機就轉得越快。調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電動機進行調速。

步進電動機兩個相鄰磁極之間的夾角為60度，線圈繞地相對的二個磁極構成一相。此外各梯極上還有5個均勻分布的矩形小齒。電機轉子上沒有繞組，它上面有40個矩形小齒均勻分布在園周上，相鄰兩個齒之間的夾為9度。

當某相繞組通電時，相應的兩個磁極就分別形成N-S極，產生磁場，并與轉子形成磁路。如果這時定子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉子將轉動一定的角度，使轉子齒與定子齒對齊，從而使步進電動機向前走一步。

步進電動機控制(包括控制脈沖的產生和分配)也可以使用軟件方法,即使用單片機實現,這樣不但簡化了電路,而且也降低了成本.使用單片機以軟件方式控制步電機,不但可以通過編程方法在一定范圍之內自由地設

定步進電動機的轉速,往返轉動的角度以及轉動次數等;而且還可以方便靈活地控制步進電動機的運行關門,以滿足不同的用戶的要求。

4.2步進電動機的驅動要求

一、能夠提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形盡量步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第23頁。接近矩形。

具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減。

二、具有較高韻功率及效率。

步進電動機驅動器，它是把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電動機的角位移，或者說：控制系統每發一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電動機旋轉一個步距角。也就是說步進電動機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率，就可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數，就可以對電機精確定位。步進電動機驅動器有很多，應以實際的功率要求合理的選擇驅動器。

4.3步進電動機的驅動電路

步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。

4.3.1步進電動機驅動電路

如下圖所示是一個四相步進電動機的驅動電路。A、B、C、D分別接到P1口的P1.4～P1.7。通過軟件控制一組脈沖序列，控制步進電動機的轉速、方向和步距。

在步進電動機的驅動線路中，主CPU發出的控制信號經U1放大，傳到復合三極管前一級的基極。若CPU送出的數據為步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第24頁。0，則前級三極管BG5作為開關三極管不導通，BG1也處于截止狀態，電機內的線圈不得電；若CPU送出的數據為1，則前級三極管BG5的基極有了驅動電流，12V電壓經電機的線圈、限流電阻和三極管形成通路。在電路圖中的A、B、C、D分別代表電機內部的4個線圈，在驅動線中的R5～R8作為限流電阻來限制線圈中的電流值。在電阻和線圈兩側有并聯的單向二極管，當CPU信號由1跳變為0時，三極管截止，電機的線圈會產生很大的感應電動勢，這時線圈、限流電阻和單向二極管形成回路，保護三極

14

管不被線圈的瞬時感應電動勢燒壞。二極管D1～D4也稱回流二極管，在選擇時要考慮到電源電壓及線圈電流。R1～R4和D1～D4組成一條支路，在對應的線圈突然不通電時能夠和線圈構成一組循環回路。該電阻的作用是分擔支路中的電壓，保護二極管。在每個集成放大器的輸出端接有一個LED，作為脈沖信號輸入的顯示器件。CPU送入的數據為0時，LED下端的電位也為低，LED被導通發光；CPU送入的數據為1時，LED的下端電位為高，LED無法導通，不發光。R9～R12為限流電阻，使三極管基極的流入電流不至于過大而燒毀。

4.3.2基于ULN2003芯片的步進電動機驅動電路

ULN2003是一款電機脈沖分配芯片，由于其結構簡單，價格低廉，而且無需外接功率放大電路，因此也常用來作為步進步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第25頁。電動機的驅動芯片。

一、ULN2003芯片引腳介紹

ULN2003芯片引腳如下圖所示。

15

引腳1：CPU脈沖輸入端，端口對應一個信號輸出端

引腳2：CPU脈沖輸入端

引腳3：CPU脈沖輸入端

引腳4：CPU脈沖輸入端

引腳5：CPU脈沖輸入端

引腳6：CPU脈沖輸入端

引腳7：CPU脈沖輸入端

引腳8：接地

引腳9：該腳是內部7個續流二極管負極的公共端，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于感性負載時，該腳接負載電源正極，實現續流作用。如果該腳接地，實際上就是達林頓管的集電極對地接通。

引腳10：脈沖信號輸出端，對應7腳信號輸入端。

引腳11：脈沖信號輸出端，對應6腳信號輸入端。

引腳12：脈沖信號輸出端，對應5腳信號輸入端。

引腳13：脈沖信號輸出端，對應4腳信號輸入端。

引腳14：脈沖信號輸出端，對應3腳信號輸入端。

引腳15：脈沖信號輸出端，對應2腳信號輸入端。

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第26頁。引腳16：脈沖信號輸出端，對應1腳信號輸入端。

ULN2003的內部結構可參見下圖。在ULN2003芯片內部為達林頓管陣列，其工作原理與上一節電路驅動相似。由于該電路為芯片的內部結構，僅供初學者理解芯片的工作方式用，在芯片使用時可以忽略。

16

二、ULN2003芯片概述與特點

ULN2003芯片是高耐壓、大電流達林頓陣列，由7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網絡以及鉗位二極管網絡構成，具有同時驅動7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅動各種類型的負載。功率驅動電路是功率電子設備輸出電路的一個重要組成部分。ULN2003芯片高壓大電流達林頓晶體管陣列產品屬于可控大功率器件。

ULN2003芯片是可以專門用來驅動繼電器的芯片，甚至在芯片內部做了一個消線圈反電動勢的二極管。ULN2003芯片的輸出端允許通過電流200mA，飽和壓降約1V。輸出口的外接負載可根據以上參數估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅動繼電器或固體繼電器（SSR）等外接控制器件，也可直接驅動低壓燈泡。

ULN2003芯片的每一對達林頓都串聯一個2.7k.的基極電阻，也可以不用限流電阻而直接由51的P口驅動。在5V的步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第27頁。工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003芯片工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態（有低電平輸入時，輸出為高電平）時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。信號脈沖通過P1口送出，可經4.7k.上拉電阻接到ULN2003芯片的輸入端口。P1.4～P1.7分別對應ULN2003的1C、2C、3C、4C輸出端。在使用步進電動機時，對P1口賦予不同的值來送出電機正轉或反轉的脈沖信號。

4.3.3本章小結

本章主要講述了步進電機轉速、轉向的控制方法和幾種步進電機的驅動方法。經過研究對比發現使用ULN2003芯片驅動步進電機是一種簡單方便經濟的方法。在本設計系統中選擇用ULN2003芯片驅動步進電機，在下文中會有具體介紹。

17

第5章步進電動機單片機控制系統的設計

步進電動機控制的最大特點是開環控制，不需要返饋信號。因為步進電動機的運動不產生旋轉量的誤差積累。

本次設計的主要是要通過單片機芯片來控制步進電動機的各種動作。步進電動機單片機控制系統示意圖如下所示：

步進電動機單片機控制系統示意圖

5.1主要元器件的選擇和設計

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第28頁。5.1.1單片機AT89C51

AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

18

195.1.2共陽極數碼管按發光二極管單元連接方式可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管。共陽數碼管是指將所有發光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數碼管，共陽數碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平

時，相應字段就不亮。共陰數碼管是指將所有發光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數碼管，共陰數碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發光步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第29頁。二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。

數碼管在儀器儀表中主要顯示單片機的輸出數據，狀態等，因而作為外圍典型器件，數碼管顯示是反映系統輸出和操縱輸入的有效器件。用單片機驅動LED數碼管有很多方法，可分為靜態顯示和動態顯示。靜態顯示雖然數據顯示穩定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路，使用和電路硬件較多。動態顯示需要CPU時刻對顯示器件進行刷新，顯示數據有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節省線路板的空間。

5.1.3步進電動機

步進電動機的選擇需要注意以下條件。

判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步進電動機的主要參數之一。負載大時，需采用大力矩電機。力矩指標大時，電機外形也大。

判斷電機運轉速度：轉速要求高時，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅動器時采用較高供電電壓。

選擇電機的安裝規格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關。

確定定位精度和振動方面的要求情況：判斷是否需細分，需步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第30頁。多少細分。

本次設計所選擇的步進電動機為42BYG028型步進電動機，其主要技術指標如下：類型：反應式相數：4電壓：12v電流：0.4A電阻：30歐電感：23mH

最大靜轉矩：2000g.cm。其接線圖如下圖所示：

5.2步進電動機單片機控制系統設計電路圖

5.2.1步進電機驅動設計電路

通過ULN2803構成比較多的驅動電路，電路圖如下圖所示。通過單片機的P1.0~P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B~4B口，經信號放大后從1C~4C口分別輸出到電機的A、B、C、D相。

20

21

5.2.2數碼管設計電路

在該步進電機的控制器中，電機可以正反轉，可以加速、減速，其中電機轉速的等級分為七級，為了方便知道電機的運行狀態和電機的轉速的等級，這里設計了電機轉速和電機的工作狀態的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機的P0口和P2口。采用兩個共陽數碼管作顯示。第一個數碼管接的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P0.0~P0.7口，用于顯示電機正反轉狀態，正轉時顯示“1”，反轉時顯示“一”，不轉時顯示“0”。第二個數碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0~P2.7口，用于顯示電機的轉速步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第31頁。級別，共七級，即從1~7轉速依次遞增，“0”表示轉速為零。電路如下圖所示。

5.2.3復位電路和晶振電路

單片機最小系統或者稱為最小應用系統，素質用最少的元件組成的單片機可以工作的系統，對51系列單片機來說，最小系統一般應該包括：單片機、復位電路、晶振電路。

復位電路：使用了獨立式鍵盤，單片機的P1口鍵盤的接口。該設計要求只需4個鍵對步進電機的狀態進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，使用了6路獨立式鍵盤。復位電路采用手動復位，所謂手動復位，是指通過接通一按鈕開關，使單片機進入復位狀態，晶振電路用30PF的電容和一12M晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。如圖5示。

晶振電路：8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構成了內部晶振方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。內部振蕩方式的外部電路如下圖所示。其電容值一般在5~30pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況也比較多。內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩定，實用電路實用較多。

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第32頁。22

5.2.4總體設計電路

把各個部分的電路圖組合成總電路圖，如下圖所示。

23

5.3本章小結

在理論正確的基礎上，選擇合適的硬件，連接成正確的電路才能使系統實現我們要求的功能。在這過程中，每一個細節都要注意，出現一處錯誤就可能導致不可挽回的損失。正如名言所說：實踐出真知，只有在將理論變為實踐的過程中我們才能真正體會到整個控制系統的一些關鍵點。生成真正的產品才是驗證我們理論正確的最終途徑。

24

第6章步進電動機控制程序

6.1參考控制程序

6.1.1程序一

#include#defineucharunsignedchar

uchardatavar=100;

uchardataflag=0;

uchardatacount=4;

uchardatakey=3;

uchardataonce=1;

uchar步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第33頁。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;

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第34頁。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];

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第35頁。}

}

}

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;

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第36頁。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;

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第37頁。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)

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第38頁。{

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)

步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第39頁。{presskey();}

if(key==3)

{once=1;}

control();

}

6.2本章小結

本程序編寫簡單、運行流暢、工作穩定。單片機里的控制程序是控制系統的靈魂。一個好的程序運算簡單，運行穩定，反應快速。強大的硬件并不一定能出色的完成所需功能，必須配上好的程序才能實現硬件的功能。我要努力學習程序的編寫，會寫簡單的匯編程序和C語言程序。

29

結論

經過這次畢業設計,我不僅重新回顧了過去四年所學過的專業知識,增加了在軟件開發方面的經驗,而且初步掌握了電子繪圖軟件和CodecRuiserfor51的應用,還了解了一些相關的電路設計和硬件的知識,特別是51系列單片機方面的知識,可以說是對我的大學期間所學知識的一次綜合性檢驗；并且通過切身的動手實驗,不僅加強了理論知識而且加強了我的感性認識,再次體會到自己在知識上的局限性和存在的不足。這次畢業設計既鍛煉了我動腦分析問題的能力,又鍛煉了我動手解決實際問題的能力,這將對我以后的學習和工步進電動機單片機控制系統設計全文共43頁，當前為第40頁。作起到不可估量的作用。

本文主要對單片機控制的步進電動機作為研究對象,通過單片機輸出脈沖控制步進電動機的正反快慢的轉動.在實現電機轉動的基礎上,又加入了兩個八段顯象管用來直觀的顯示步進電動機的轉動步數和速度。雖然本控制系統設計簡單，但可以基本完成步進電動機的控制任務，極其便捷穩定。在步進電動機的驅動上我們選擇了芯片驅動的方法，簡化了電路增加了系統穩定性且便于維修。步進電機的控制系統需要根據實際使用條件進行選擇和設計。本步進電動機控制系統可以作為一個簡單模型。讀者可以根據實際的功能要求進行功能拓展，實現對步進電動機更多功能的控制。

本次畢業設計主要完成了單片機控制步進電動機系統的軟硬件設計，包括電機驅動電路的整體設