单片机实现步进电机控制

科信学院

单片机系统设计项目(三级项目)

设计说明书

（2012/2013学年第二学期）

题目：基于单片机的步进电机控制______ __

专业班级：通信工程10级1班___ __

学生姓名：彭斯媛刘洋何亚惠_ ____

刘萌李赛___ __

学号： 100312102 100312101 100312110

100312120 100312128___ __

指导教师：马小进、贾少锐、李晓东、付佳_

设计周数： 2周____ ___

：__ ___

2013年6月21日

设计成绩：

目录

1 步进电机的简介 (3)

1.1 什么是步进电机 (3)

1.2 步进电机的分类 (3)

1.3 步进电机的特点 (3)

1.4 步进电机的原理 (3)

1.5步进电机的驱动电路 (4)

2 89C51单片机 (6)

2.1 单片机引脚图 (6)

2.2 单片机简介 (6)

2.2.1主要特性 (6)

2.2.2 管脚说明 (6)

2.2.3 振荡器特性 (8)

2.2.4 芯片擦除 (9)

3 硬件程序设计 (9)

3.1 系统总体框图 (9)

3.2 最小系统 (10)

3.3驱动部分 (10)

3.4 状态指示部分 (11)

3.5 按键部分 (11)

3.6 时钟部分 (12)

4 Proteus仿真总图 (12)

5实物图 (13)

6系统程序 (13)

7课程设计总结 (15)

8参考文献 (16)

1步进电机简介

1.1什么是步进电机

步进电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，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。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；同时也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。

1.2步进电机的分类

步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

1.3步进电机的特点

1．精度高

一般的步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点；

2．过载性好

其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；

3．控制方便

步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；

4．整机结构简单

传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。

1.4步进电机的原理

图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。

图1步进电机

它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：

Lθ＝360/P×N

式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。

1.5步进电机的驱动电路

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，除与步进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。步进电机的驱动电路应该既要保证绕组有足够的电压电流，同时又要保证驱动级功率器件的安全运行，另外还应有较高的效率、较小的功耗和较低的成本。

驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率的晶体管、达林顿管、可控硅以及各种功率模块。对于小功率的步进电机，可用中小功率晶体管进行驱动，晶体管具有放大倍数大、线路简单等优点，用于驱动小功率的步进电机（绕组电流在数百毫安）。对于功率较大的步进电机，由于绕组所需要的电流较大、电压高、反电动势也大，因此需要用大功率的的晶体管驱动。

步进电机驱动电路与一般电气设备驱动的不同点主要有：

(1) 各相绕组都是工作在开关状态，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。

(2) 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。

(3) 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。

(4) 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。

(5) 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源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，会使驱动级的工作条件更为恶化。

由于步进电机需要的驱动电流比较大，所以单片机与步进电机的连接都需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以是锁存器，也可以是可编程的接口芯片，如8255、8155等。驱动器可以用大功率复合管，也可以是专门的驱动器。本系统为了抗干扰，或避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号进入单片机而烧毁器件，因而在驱动器与单片机之间增加一级光耦隔离器。其接口电路原理图如图2所示。

图2驱动电路

电路工作原理：当A输出为1时，发光二极管不发光，因而光敏三极光截止，从而使达林顿管导通，A相绕组通电。反之当A为0时经反相后，使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使达林顿管截止，A相绕组不通电，控制B、C、D相亦然。总之，只要按一定的顺序改变A、B、C、D通电的顺序，就可控制步进电机按一定的方向步进。

2 89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存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1000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。AT89C51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。引脚排列如图所示

图3引脚图

2.2.1主要特性

与MCS-51 兼容，4K字节可编程FLASH存储器，寿命：1000写/擦循环，1 28×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

2.2.2管脚说明

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P 1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个T TL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（计时器0外部输入）

P3.5 T1（计时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFF H），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESE T；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

2.2.3振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，X TAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4～P1.7输出，经74LS13反相后进入9014，经9014放大后控制光电开关，光电隔离后，由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大，驱动步进电机的各相绕组。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。图中L1为步进电机的一

相绕组。AT89C2051选用频率22MHz的晶振，选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。

RL1～RL4为绕组内阻，50Ω电阻是一外接电阻，起限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件。D1～D4为续流二极管，使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1～D4)而衰减掉，从而保护了功率管TIP122不受损坏。

在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。

2.2.4芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3硬件程序设计

3.1系统总体框图

本系统采用外部中断方式，p2口作为信号输入部分，p0口为发光LCD显示部分，p1口作为电机驱动部分。

图4系统整图

3.2最小系统

基本电路的最后一部分是存储器的设置，如果31脚接电源，则采用内部存储器，如果31脚接地，则采用外部存储器。将时钟电路、复位电路与单片机连接并设置好存储器，就构成最小系统。最小系统是做任何单片机设计必须有的部分。如图所示

图5 最小系统

3.3驱动部分

步进电机的的驱动部分选用芯片ULN2003进行驱动，如图所示：

图6 驱动部分

3.4状态指示部分

状态指示用p0口控制LCD的显示，STA显示转动的方向，SPD显示转动的速度，RUN显示机器是否运转，用它来表示步进电机所处状态。如图所示：

图7 状态指示

3.5按键部分

选用单片机p2口来控制信号输入，将按键与p2口连接起来，当按下key1按键，相当于给p2.0一个低电平，开始转动。当按下key2按键，相当于给p2. 1一个低电平，以此类推，如图所示：

图8 按键部分

3.6时钟部分

时钟电路控制节奏，可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度，本实验采用12MHZ的晶振。如图所示：

图9时钟部分

4 proteus仿真总图

图10 仿真图

5 实物图

图11 实物图

6 系统程序

#include"lcd1602.h"

#include"reg52.h"

//unsigned char code F_Rotation[4]={0x02,0x04,0x08,0x10}; //正转表格，换算成二进制 0000 0010，0000 0100，0000 1000，0001 0000

unsigned char code F_Rotation[]={01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h}; //正转表格，换算成二进制 0000 0010，0000 0100，0000 1000，0001 0000

unsigned char code B_Rotation[]={01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h}; //反转表格，换算成二进制 0001 0000，0000 1000，0000 0100，0000 0010

unsigned char table[32]="STA=0 SPD=0 RUN=0 ";

sbit K1=P3^4;

sbit K2=P3^5;

sbit K3=P3^6;

sbit K4=P3^7;

/******************************************************************/

/* 延时函数 */

/******************************************************************/

void Delay(unsigned int i)//延时

{

while(--i);

}

/******************************************************************/

/* 主函数 */

/******************************************************************/

main()

{

unsigned char i;

unsigned char StartFlag;

unsigned char TurnDrictionFlag=0;

int spd=800,SPEED=0;

init1602();

lcdrw=0;

write1602_data(table);

while(1)

{

while(StartFlag)

{

table[25]=SPEED/10+48;

table[26]=SPEED%10+48;

SPEED=SPEED>99?0:SPEED;

if(TurnDrictionFlag==1)

{

for(i=0;i<8;i++) //4相

{

P1=F_Rotation[i]; //输出对应的相可以自行换成反转表格

Delay(spd); //改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大

}

SPEED++;

}else{

for(i=0;i<4;i++) //4相

{

P1=B_Rotation[i]; //输出对应的相可以自行换成反转表格

Delay(spd); //改变这个参数可以调整电机转速 ,数字越小，转速越大

}

SPEED++;

}

while(K2==0){

while(K2==0);

if(TurnDrictionFlag==0){

TurnDrictionFlag=1;

table[10]='0';

write1602_data(table);}else{

TurnDrictionFlag=0;

table[10]='1';

write1602_data(table);

}

}

while(K3==0){

spd-=1000;

table[25]='A';

write1602_data(table);

}

while(K4==0){

spd+=1000;

table[25]='D';

write1602_data(table);

}

while(K1==0){

StartFlag=0;

table[4]='0';

write1602_data(table);

}

}

while(K1==0){

StartFlag=1;

table[4]='1';

write1602_data(table

}

}

}

7课程设计总结

在这次课程设计的整个过程中，我们做了一次全面、较规范的设计练习，全面地温习了以前所学过的知识，用理论联系实际并结合单片机原理课程和解决实际问题，巩固、加深和扩展了有关单片机设计方面的知识。此次课程设计，第一次自己烧片子，自己调试，对开发板的原理也有了一定深度的了解。由于任务的分配，让我们的几个队友分别学习到不同的设计过程，增强了团队的合作精神。

通过对通用89C51单片机机处理器、常用元器件的设计还有传感器的应用，除了掌握了单片机的设计方法和设计思路外，也使我们对分立元件的应用有了进一步的认识，以前学习的时候觉得自己会应用了，可是到了实践中才发现知识的匮乏。本次试验软件我们用C语言编写，让我们除了对汇编有了认识同时也学习了C语言对单片机的编写过程。增强了自身的动手能力也是一方面，把以前书本上讲的或是没有讲的，通过一次课程设计具体的实施，使自己真正得到锻炼，对于以后我们的发展与学习来说，都可以看做是一个巨大的进步，前面还有很多需要我们去尝试和探索。

步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。本系统采用了软件方法，即用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方比采用硬件方法，即采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制，电路更加简单，成本更低。

在做本次设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的。在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：C语言、模拟和数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。

设计结束了，但是从中得到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。此次设计更锻炼了我的毅力，我觉得做任何事情要善始善终，不要中途放弃，只要自己认真的去对待，再难的问题也能找到办法解决。

8参考文献

[1]张毅刚，单片机原理及应用，高等教育出版社，2003

[2]张友德，单片微型机原理，上海，复旦大学出版社，2005

[3]李夙，异步电动机直接转矩控制，北京机械工业出版社，1998

[4]王秀和，永磁电机，北京中国电力出版社，2007