基于STC89C51单片机步进电机控制系统的设计
基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现
基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现一、本文概述本文旨在探讨基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现。
随着自动化技术的快速发展，步进电机在各种机械设备中得到了广泛应用，如打印机、机器人、数控机床等。
步进电机控制系统作为其核心组成部分，对于提高设备的运行精度和稳定性具有重要意义。
因此，本文将对基于单片机的步进电机控制系统的设计原理、硬件组成、软件编程等方面进行详细阐述，并通过实验验证系统的可行性和有效性。
本文将对步进电机的基本原理和控制方式进行介绍，为后续系统的设计奠定基础。
将详细介绍基于单片机的步进电机控制系统的硬件组成，包括单片机、步进电机驱动器、电源电路等关键部件的选型与连接。
在此基础上，本文将深入探讨步进电机控制系统的软件编程，包括控制算法的实现、驱动程序的编写等。
本文将通过实验验证基于单片机的步进电机控制系统的性能，分析其优缺点，并提出改进方案。
通过本文的研究，可以为步进电机控制系统的设计提供理论支持和实践指导，推动步进电机在自动化领域的应用发展。
本文的研究也为基于单片机的其他控制系统设计提供了有益的参考和借鉴。
二、步进电机及其工作原理步进电机是一种特殊的电机，其旋转角度与输入的脉冲数成正比，因此也被称为脉冲电机。
步进电机不同于传统的交流或直流电机，其不需要依靠外部电源进行连续供电，而是通过接收一系列离散的脉冲信号，以固定的步长进行旋转。
步进电机通常由定子和转子两部分组成。
定子是由多个电磁铁组成的环形结构，每个电磁铁对应一个特定的步进角度。
而转子则是一个永磁体，它在电磁铁的磁场作用下进行旋转。
当定子上的电磁铁按照特定的顺序和时序进行通电和断电时，转子就会按照固定的步长进行旋转。
步进电机的工作原理可以简单概括为“磁阻最小原理”。
当定子上的电磁铁通电时，会在其周围产生磁场，转子上的永磁体在磁场的作用下会受到力矩的作用，从而发生旋转。
当转子旋转到某个位置时，其上的永磁体与定子上的电磁铁之间的磁阻达到最小，此时转子就稳定在该位置。
基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现
基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现一、引言步进电机是一种特殊的电动机，它以步进方式运行，每次接收到一个脉冲信号时，电机转动一个固定的角度，因此步进电机广泛应用于各种自动化设备和机械领域。
而为了使步进电机能够准确控制，需要设计一个稳定可靠的步进电机控制系统。
本文，主要是通过编程控制单片机来实现步进电机的精确运行控制。
二、步进电机原理简介步进电机是一种由定子线圈和转子磁极组成的电机，通过电流的变化来产生力矩，驱动转子旋转。
在步进电机内部，转子旋转的步长是固定的，通常为1.8°，也就是每接收到一个脉冲信号，电机转动一个步长。
因此，通过控制脉冲信号的频率和次数，可以实现步进电机的准确旋转。
三、步进电机控制系统设计1. 硬件设计步进电机控制系统的硬件设计主要包括步进电机驱动电路和单片机控制电路。
（1）步进电机驱动电路设计：步进电机驱动电路常用的是双H桥驱动电路，这种电路可以控制电机的正转和反转以及停止。
详尽设计时，需要选用合适的双H桥驱动芯片，并依据步进电机的电压和电流要求，设置电流补偿电阻。
通过电流补偿电阻的调整，可以使步进电机实际工作电流与设定电流一致，保证电机的正常运行。
（2）单片机控制电路设计：选用适合的单片机，如常用的51系列单片机。
单片机需要通过编程控制脉冲信号的频率和次数，从而实现对步进电机的控制。
因此，需要设计适应的时钟电路、控制信号输出电路以及电源电路。
同时，还需要将单片机与步进电机的驱动电路进行毗连，实现单片机对电机的控制。
2. 软件设计步进电机控制系统的软件设计主要包括单片机的程序设计和脉冲信号的生成设计。
（1）单片机程序设计：起首，需要初始化配置单片机，包括时钟设置、IO口功能配置等。
然后，通过编写相应的代码，实现对步进电机控制信号的生成和输出。
这需要依据电机的旋转方向和步数要求，编写相应的控制程序，控制脉冲信号的输出频率和次数。
（2）脉冲信号的生成设计：脉冲信号的生成可以通过定时器来实现。
基于单片机的步进电机控制系统的设计
基于单片机的步进电机控制系统的设计
步进电机是一种特殊的电机，它的转动是以步进的形式进行的，每一次步进角度由控制电路发出的一个脉冲决定。
因此，基于单片
机的步进电机控制系统需要实现以下功能：
1. 产生脉冲信号：单片机需要通过定时器等模块产生相应的脉
冲信号，以控制步进电机的运动。
2. 识别旋转方向：步进电机需要能够前进和后退，因此单片机
需要实时检测步进电机的转动方向，并控制脉冲信号发生的顺序。
3. 控制转速：控制步进电机转速需要通过控制脉冲信号的频率
来实现，单片机需要动态地调整脉冲信号的频率，从而控制欲速度。
下面是实现步进电机控制的一种基本算法：
1. 设置电机控制端口，初始化各参数。
2. 等待步进电机稳定。
在控制电路上电时，如果步进电机没有
停在起始位置，需要先手动将步进电机转动到起始位置，然后等待
电机稳定。
3. 根据旋转方向和转速控制脉冲信号产生频率。
根据步进电机
的旋转方向，确定脉冲信号产生的顺序，然后通过定时器等模块产
生相应的脉冲信号，从而控制步进电机旋转。
4. 根据指令调整转速。
根据实际需求调整步进电机的转速，即
调整脉冲信号频率。
上述算法是一个最基本的控制算法，具体的实现还需要考虑步
进电机控制的精度、错误处理等方面的问题。
基于单片机的步进电机控制系统设计方案
D10-基于单片机旳步进电机控制系统一、理解什么是步进电机以及其工作原理步进电机是数字控制电机，步进电机旳运转是由电脉冲信号控制旳，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一种脉冲，步进电机就转动一种角度（不距角）或前进、倒退一步。
步进电机旋转旳角度由输入旳电脉冲数确定，因此，也有人称步进电机为数字/角度转换器。
步进电机旳各相绕组按合适旳时序通电，就能使步进电机转动。
当某一相绕组通电时，对应旳磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，假如定子和转子旳小齿没有对齐，在磁场旳作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小途径旳特点，则转子将转动一定旳角度，使转子与定子旳齿互相对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转旳原因。
二、步进电机旳特点（1）步进电机旳角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有合计误差，具有良好旳跟随性。
（2）由步进电机与驱动电路构成旳开环数控系统，既非常以便、廉价，也非常可靠。
同步，它也可以有角度反馈环节构成高性能旳闭环数控系统。
（3）步进电机旳动态响应快，易于启停、正反转及变速。
（4）速度可在相称宽旳范围内平滑调整，低速下仍能保证获得很大旳转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。
（5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。
（6）步进电机自身旳噪声和振动比较大，带惯性负载旳能力强。
三、步进电机旳控制步进电机旳控制重要包括换相次序旳控制、速度控制、速度控制、加减速控制等，控制系统就是运用单片机旳功能实现以上控制旳系统，即本次设计旳目旳。
四、示意图五、硬件设计计划本设计旳硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。
最小系统只要是为了使单片机正常工作。
控制电路只要由开关和按键构成，由操作者根据对应旳工作需要进行操作。
显示电路重要是为了显示电机旳工作状态和转速。
驱动电路重要是对单片机输出旳脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。
（1）控制电路根据步进电机旳工作原理可以懂得，步进电机转速旳控制重要是通过控制通入电机旳脉冲频率，从而控制电机旳转速。
基于单片机控制的步进电机调速系统的设计51单片机步进电机调速
基于单片机控制的步进电机调速系统的设计51单片机步进电机调速基于单片机控制的步进电机调速系统的设计|51单片机步进电机调速前言步进电机最早是在1920年由英国人所开发。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。
以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。
在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中。
步进电机作为执行元件，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。
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。
步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。
一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。
步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。
在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
因此非常适合于单片机控制。
步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。
传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
第一章步进电机概述第一节步进电机的特点一般步进电机的特点有以下三个特点：1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。
基于89C51单片机的电动机转速控制器设计
1 引言：在电气时代的今天，电动机一直在现代的生产和生活中扮演着十分重要的作用。
据资料统计，如今有90%的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。
电动机与人们的生活密切相关。
步进电机作为机电一体化的关键产品之一，是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的控制电机，广泛应用于工业控制系统中。
其转速和机械角位移分别与输入电机绕组中的脉冲平率和脉冲个数成正比。
通过改变电脉冲频率，可大范围内进行调速【1】。
同时，该电机还能快速起动、制动、反转和自锁。
此外，步进电机易于实现计算机或其它数字元件接口，适用于数字控制系统。
由于具有上述特点，步进电机日益广泛应用于数字控制系统中，如数控机床、绘图机、自动记录仪表和数一模转换等装置。
但步进电机的驱动信号经常还是用一些专用的模拟芯片控制器或者是信号发生器来产生，缺乏灵活性和可靠性。
在一些智能化要求较高的场合，用模拟芯片以及信号发生器来控制步进电机有一定的局限性，可以采用AT89C51 单片机控制步进电机以改善其性能【2】。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在国民经济各个领域都有应用。
2 步进电机的工作原理步进电机本身可以直接接受数字信号，不需要进行数字与模拟量的转换，具有高精度快速启停能力。
如果选用三相六拍，步距1.5°，即进一步，电机转动1.5°，转动一周需要200步【3】。
步进电机直接由数字信号控制，其控制程序可以分为脉冲序列的生成、方向的控制、步进电机变速控制程序3部分。
2.1 步进电机控制的基本原理步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制2个方面。
如图2.1.1，从结构上看，步进电机分为三相、四相、五相等类型，常用的则以三相为主。
三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，下面具体加以阐述。
（1）换相顺序的控制步进电机通电换相这个过程称为脉冲分配。
例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相的通电顺序为A-B-C-A，通电控制脉冲必须按照这一顺序分别控制A、B、C相得通断。
基于单片机的步进电机控制系统设计与实现
基于单片机的步进电机控制系统设计与实现1. 本文概述随着现代工业自动化水平的不断提高，步进电机因其高精度、易控制等特点，在各个领域得到了广泛应用。
本文旨在设计并实现一种基于单片机的步进电机控制系统，以实现步进电机的精确控制和高效运行。
本文首先对步进电机的原理和工作特性进行了详细分析，然后选择了合适的单片机作为控制核心，并设计了系统的硬件和软件部分。
在硬件设计方面，本文详细介绍了电源模块、驱动模块、信号处理模块等关键部分的设计与实现在软件设计方面，本文阐述了系统控制算法的设计和程序流程的实现。
通过实验验证了系统的稳定性和可靠性，并对实验结果进行了详细分析。
本文的研究成果对于提高步进电机控制系统的性能，促进工业自动化技术的发展具有重要的理论和实际意义。
2. 步进电机原理及特性步进电机是一种电动机，它将电脑指令转换为机械运动，每接收到一个脉冲信号就转动一个步距角。
这种电机的主要特点是其“步进”功能，即它可以在没有反馈系统的情况下，通过控制脉冲的数量和频率来精确控制旋转的角度和速度。
步进电机的工作原理基于电磁学，它通过施加脉冲电流到电机的线圈上来产生旋转力矩。
电机内部有多个线圈，它们按一定的顺序被激活，产生磁场，这个磁场与永磁体相互作用，从而推动电机的转子转动。
每个线圈的激活对应一个步距角，通过控制线圈的激活顺序和时间，可以实现精确的角度控制。
精确控制：步进电机能够精确地控制旋转的角度和速度，这对于需要精确定位的应用场景非常重要。
无需反馈系统：与伺服电机不同，步进电机不需要外部反馈系统来控制位置，这简化了控制系统的设计。
低速度时的高扭矩：步进电机在低速时能提供较高的扭矩，适合于需要大扭矩但速度不高的场合。
控制简便：步进电机的控制通常只需要简单的数字信号，易于与微控制器或单片机接口。
速度与扭矩的可调性：通过改变脉冲频率和电流大小，可以调整步进电机的转速和扭矩。
失步问题：在高速或高负载的情况下，步进电机可能会出现失步现象，即电机的实际位置与控制信号指示的位置不同步。
基于51单片机的步进电机控制系统设计
基于51单片机的步进机电控制系统设计之阿布丰王创作中文摘要.由于步进机电具有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、本钱高等优点,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,相应的控制系统也发生了很多种类,步进机电的身影在众多领域中可以看到.其中采纳单片机作为控制核心的控制系统,由于其电路简单、本钱低、可靠性强等优点,满足众多领域的需求,获得了年夜量的运用.因此,研究基于单片机的步进机电控制系统本设计研究的是基于51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驱动芯片驱动步进机电进行分歧的指令进行工作.根据分歧的需要,通过按键电路来控制步进机电的启停、正反转和加减速等功能,并在数码管上实时显示步进机电的工作状态.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；步进机电；机电驱动；控制系统AbstractStepper 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 functioncontrol system simulation, and the simulation resultsare given corresponding image.Key words: microcontroller; stepper motor; motor drive; control system目录中文摘要IAbstract II1 绪论11.1 步进机电及其发展过程 (1)1.2 步进机电在我国的应用及前景 (2)1.3 本设计的研究内容 (3)1.4 步进机电的性能指标及工作原理 (3)1.4.1 步进机电的特点 (4)1.4.2 步进机电的种类 (4)1.4.3 步进机电的主要性能指标 (5)1.4.4 步进机电的工作原理 (6)1.5 步进机电控制系统的原理 (8)2 总体方案设计92.1 设计思路的选择 (9)2.2 单片机芯片的选择 (11)2.3 驱念头电芯片的选择 (12)2.4 显示电路的选择 (13)2.5 步进机电的选择 (13)3 控制系统的硬件电路设计143.1 键盘控制电路 (14)3.2 单片机最小系统电路 (15)3.3 数码管显示电路 (17)3.4 步进机电的驱动电路 (19)3.5 步进机电的其他电路 (21)4 控制系统的软件设计224.1 主法式流程图 (22)4.2 读按键子法式流程图 (23)4.3 按键处置子法式流程图 (24)4.4 机电控制中断法式流程图 (25)5 仿真与测试265.1 仿真软件介绍 (26)5.2仿真的把持步伐 (27)5.3 电路板的焊接285.4 电路板的测试 (29)6 结论与展望30致谢32参考文献32附录：系统总体电路图 (34)系统仿真原理图 (35)PCB打印图 (36)原件清单 (36)程序 (37)1 绪论1.1步进机电及其发展过程.由于电源每次输入电脉冲给该机电,该机电就会前进一小步,转动的方式是步进式的,所以称为步进电念头.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念头.在步进机电驱动能力范围内,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、负载变动和环境条件等的变动而变动.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高攀可以调节步进机电的转速,并能控制步进机电的快速启动,暂停,正反转和加减速等.由于步进机电具有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、本钱高等优点,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.虽然步进机电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.那时,激磁相的切换是采纳机械式凸轮的接触点来完成,这就是步进机电最初的原理模型.后来逐步发展还呈现了旋转线圈式的应用方法.二十世纪三十年代以后,步进机电的应用才逐渐开始,称为,随着晶体管元件的快速发展,与之相结合使用的步进机电也获得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年间半导体资料的高速发展后,由于价格昂贵、可靠性高的逻辑数字电路获得广泛的应用,使步进机电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,步进机电系统尤其是其中的驱动电路部份的不竭发展,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获得了广泛的应用.现如今,继直流电念头和交流电念头这两年夜类机电被广泛应用后,步进机电也已成为生活中最经常使用的第三类电动机.国内外围绕着步进机电系统的研究做了年夜量的工作以及相应的开发工作.图1-1 步进机电1.2 步进机电在我国的应用及前景我国对步进机电的研究及制造起始于20世纪50年代.那时,主要是一些高等院校和科研机构使用或开发与步进机电相关的产物.进入70年代,我国各地,例如北京、南京、江浙一带都有年夜量的生产和使用,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,随着国外各种步进机电的先进技术进入国内,我国对其进行了年夜量的研究,并开发出了多种混合式的步进机电以及相应的驱动元件,同时,也被年夜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力成熟,逐渐形成了比力完善的基础理论和设计方法,产物种类也逐渐多样化,性能和参数也逐渐到达甚至有些已经超越国外同类产物的水平.而国外的年夜功率驱开工业设备上,只有少数要求较高的设备中才会使用空心转杯机电、交流机电；目前,年夜大都场所不使用年夜扭矩的步进机电,而是采纳直流电念头.其原因是从驱动电路的本钱、效率、系统惯量与最年夜扭矩比等指标进行比力,采纳直流电念头更为合适.除此之外,还有一些小功率的工业设备中也获得了广泛的应用,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、照相机以及年夜型望远镜等等.经过多年的发展,步进机电的应用越来越广泛,功能更加强年夜,种类也很繁多,相应的产物也日趋完善.步进机电以它显著的优点在工业生产和自动化控制中占据着不成摆荡的位置.相信在不久的未来,陪伴着科学技术的快速发展,步进机电将会在更多的领域获得广泛的应用.1.3 本设计的研究内容本设计研究的是基于51单片机的步进机电控制系统.采纳单片机STC89C51作为控制核心,通过四个按键控制步进机电的运行状态,即控制启停、转向、加减速等,并利用四位的数码管显示步进机电的转向和速度品级.本产物主要实现的功能：（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/反转的指示和机电转动速度的品级；（3）5个LED灯,一个为电源工作指示灯,其余四个则指示机电的转速品级.本设计的控制核心是利用软件控制单片机输出分歧的脉冲信号,从而驱动步进机电进行相应的举措,显示分歧的运行结果,同时,为了使步进机电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 步进机电的性能指标及工作原理本设计是以STC89C51单片机作为控制单位,集成芯片ULN2003作为机电的驱动芯片,DC-5V步进机电作为控制对象.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机电的正反转、加速、减速、暂停和复位功能；LED数码管的第一、二位显示速度品级,而第四位则显示步进机电的转动方向；5个发光二极管,一个为电源指示灯,其余四个则指示机电的转速.1.4.1 步进机电的特点从应用的角度来说,对步进机电的基本要求如下:（1）步进机电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.这就要求步进机电步距小、步距精度高,不能存在失步的现象.要求步进机电输出转矩年夜,可以直接带动负载工作（3）响应要快速.即要求步进机电不单启动、暂停、反转的举措要快速,并能连续高速的运转工作以提高劳动的生产效率.（41.4.2 步进机电的种类经常使用的步进机电有三种：（1）永磁式步进机电永磁式步进机电内部主要由定子和转子两部份组成,组成的形式也可以为两种,即转子采纳永久磁铁,定子采纳线圈；或者反之,也可以.其工作原理是通电的定子线圈发生的磁场和转子永久磁铁发生的磁场,通过吸引或排斥的相互作用,发生转动力矩,使其进行转开工作.该机电的特点是励磁功率小、效率高、造价廉价,启动频率和运行频率较低,永磁需要量也年夜.缺点是由于永久磁铁之间的磁化间距方便于丈量、控制,受到影响的因素较多,故为了坚持良好的效果,步距角通常会设置的较年夜.（2)反应式步进机电反应式步进机电,通常也被称为可变磁阻型步进机电,其转子磁路是由软磁资料制成的铁芯,而定子则由励磁绕组线圈环绕纠缠着铁芯构成的；其工作原理是磁性转子铁芯通过定子发生的脉冲磁场而形成的吸引或排斥的相互作用,发生转矩,使其进行转开工作..这类机电的转子结构简单、转子直径小,有利于高速响应.这种机电具有效率低、启动和运行频率较高、转子的阻尼差、噪声年夜等缺点.优点是制造资料费用低、结构简单、步距角小.（3）混合式步进机电由于该机电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.故称为混合型步进机电.混合式步进机电分为两相、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,具有输出转矩年夜,响应速度快,效率高,振动噪声小等优点.1.4.3 步进机电的主要性能指标（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动的作用,发生磁矩,旋转相应的机械角度.步距角的年夜小会影响到步进机电的运行频率和启动.,步距角越小,加工精度就越高.（2）最年夜静转矩为最年夜静转矩.它暗示了步进机电所能接受负载的能力.一般情况下,流入步进机电绕组的电流越年夜,最年夜静转矩也就越年夜,也就可以带动更年夜的负载转矩,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,一般不会超越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成防止,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机电的静态特性.通常在空载情况下进行测定,静态步距角误差越小,暗示步进机电的精度越高. （4）启动频率和启动频率特性启动频率是指步进机电在不带任何负载的情况下,由静止状态直接进行启动,而且能够稳定的、不失步的进入正常运行状态,所需要的脉冲频率的最年夜值.它也是衡量步进机电响应速度快慢的一个重要的参数.高于步进机电启动频率与负载惯量有关,一般来说随着负载惯量的增长而下降.产物介绍上往往会给出空载时的启动频率.然而实际使用中,年夜大都步进机电都是在带有负载的情况下启动,因此,所以产物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机电在启动后,稳定运行的过程中,连续上升脉冲信号的频率时运行频率是衡量步进机电定子绕组通电变动频率快慢的一个重要参数运行频率随负载的性质和年夜小而异,与驱动电源也有很年夜关系.运行矩频特性通常会在产物介绍中以表格或曲线的形式给出.当步进机电载运行时1.4.4 步进机电的工作原理步进机电控制的最年夜特点是开环控制,不需要反馈信号.因为步进机电的运动不发生旋转量的误差积累.四相机电运行时,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”是指步进机电具有四相定子绕组；“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.机电的通电顺序为A-B-C-D-A-B...,如表1-1所示;（2）四相双四拍.机电的通电顺序为AB-BC-CD-DA-AB-BC...,如表1-2所示;（3）四相八拍.机电的通电顺序为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5 0 0 1 0 C6 0 0 1 1 CD7 0 0 0 1 D8 1 0 0 1 DA本次设计中使用的是28BYJ-48步进机电,该机电属于四相八拍机电,因此,该步进机电的输入脉冲信号也应该是四相八拍的工作方式.使用单片机的按时器0,把工作方式设置为1,单片机的每一次中断城市给步进机电的绕组输入一个脉冲电压,步进机电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 步进机电控制系统的原理传统的步进机电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、功率放年夜器以及步进机电组成,结构图如图1-4所示：图1-4 传统的步进机电控制系统脉冲发生器的作用是发生一连串（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,依照一定的规律顺序,分别分配给驱动元件的各个端口.在这个过程中,环形脉冲分配器依照一定的顺序接通、断开,使机电绕组的通电按输入脉冲的控制而循环变动.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,所以要想驱动步进机电进行工作就需要添加功率放年夜器,将功率就行放年夜.采纳以往的电子电路的控制方式,由于其电路组成复杂,本钱较高,因而限制了它的应用,不能年夜范围的应用.可是,若采纳基于单片机的控制系统,由软件取代脉冲发生器和环形分配器的作用,不单年夜年夜简化了电路的组成,也降低了本钱,稳定性和可靠性也年夜年夜提高.另外,可以根据系统的需要,灵活的改变步进机电的控制设计方案,使其性能不在单一,使用很方便.经常使用的基于单片机控制步进机电系统原理图,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取代了脉冲发生器和环形分配器的作用.因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,并实此把反向控制.每当步进机电脉冲输入线上获得一个脉冲,它使沿着方向控制线信号所确定的方向行进.步进机电在正常的工作状态下,对步进机电每输入一个脉冲信号,步进机电就会转动相应的步距角,且该步距角是成比例通过资料可以计算出步,若能的,且角度值是固定的进电机的步距角大小已知其行进的步数和行进前的初始位便可以计算出电机最终.置,的停止位置2 总体方案设计2.1设计思路的选择对步进机电控制的研究,国内外近些年呈现了多种控制方式,其中最罕见的控制方式为以下三种：（1）基于电子电路的控制方式：步进机电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.其中较经常使用的控制电路是采纳硬件电路的方式,即利用数字逻辑单位组成的电子电路.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.缺点是功能性比力单一,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:采纳基于单片机的步进机电控制方式,实现了软、硬件相结合的控制方法.为了能够更加准确、精准的控制步进机电,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机电的驱动元件上,从而,取代了环形脉冲分配器的功能.由于单片机的强年夜功能,还可以扩张年夜量的外围电路,键盘作为一个外围中断源,可控制步进机电实现启停、正反转、加减速等功能,也可以利用数码管作为显示电路,来显示步进机电的工作状态.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年夜.（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.而环形脉冲分配器可以分为软件和硬件两种.采纳软件环形分配器时,占用PLC资源较多,电路结构简单；而采纳硬件环形分配器时,电路结构复杂,PLC资源占用较少,但增加本钱.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,装置简便,维修方便等.缺点是不能在高频率下对步进机电进行控制,且控制精度小.通过对以上三种方案的比力,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.结合本设计的设计本钱等因素的考量,故本设计采纳基于单片机的控制方式.本方案有以下优点：（1通过改变单片机的输入法式使步进（2也使控制方式实现了和,可以有效的（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,设计本钱较低,（4）由于单片机拥有很多的外围电路,且现存的子法式日趋完善,在使用时,直接调用,年夜年夜减少了工作量,也提高了系统的交互性.硬件部份主要是以本设计选用的步进机电是通过软、硬件的结合,,.本设计是由块、块、模块以及模块.其中、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：采纳凌阳单片机.凌阳单片机是一款控制处置数据以及数字信号处置的设备.该单片机具有多种分歧的产物类型,可以满足分歧的电路场所的需求.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,而且能用电池供电,具有较强的中断处置能力.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,而且支持语音提示功能.缺点是价格较贵,晦气于提高产物的性价比.方案二：采纳51系列的单片机.51单片机是现在应用最为广泛的单片机..同时,它的价格昂贵,有利于提高性价比.缺点是数据处置较弱.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、军用级三个品级,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动身,要求所选单片机要支持简单易学的编程语言,而且拥有易于学习的编程软件.另外,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.若从该角度动身,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.在经常使用的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,且价格廉价,下载法式方便.2.3驱念头电芯片的选择方案一：使用驱动芯片ULN2003.ULN2003芯片可以直接处置数字信号,例如经过数字逻辑电子电路发生的脉冲信号.该芯片的内部结构由组成的,而且通常被广泛应用于单片机、PLC、仪表电器等控制驱动电路中..方案二：使用驱动芯片L298.L298N芯片属于H桥集成电路.驱动芯片L298可以直接和单片机进行连接,接收单片机的数字脉冲信号.由于其输出电流年夜、功率年夜的特点,可以直接驱念头电进行工作.而当驱动芯片L298直接驱动步进机电工作时,只需要改变脉冲信号的逻辑电平值,就可以实现对步进机电工作状态的控制.该芯片具有体积小,控制方便等优点,缺点是使用该芯片时需要添加光电耦合器件,进行光电隔离,消除机电对单片机发生的干扰,从而使系统稳定可靠地工作.综上所述,通过从各方面的综合考虑,本系统选择方案一ULN2003作为本设计的驱动芯片.2.4显示电路的选择方案一:采纳LCD液晶显示器.LCD,幕内容功能,具、.缺点是对单片机的接口要求高,一般多采纳并行接口,占用资源多,同时也需要专门的驱动电路,且器件价格昂贵.方案二:采纳LED数码管.LED数码管的显示模块的数码管单片机输出的脉冲序列经过上拉电阻驱动数码管显示.采纳数码管静态显示方式,具有亮度高、响应速度快、防潮防湿性能好、使用寿命长、硬件电路简单、编程简便、显示信息清晰、价格昂贵等优点,但占用单片机I/O端口较多.综上所述,通过从使用的实用性和价格等各方面的综合考虑,本系统选择方案二LED数码管作为本设计的显示模块.2.5步进机电的选择由于本次设计的供电电源是5V的直流电源,STC89C51单片机的VCC电。
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基于STC89C51单片机步进电机控制系统的设计
作者：陈慧琴
来源：《山东工业技术》2016年第18期
摘要：本文基于STC89C51单片机，设计了步进电机控制系统，系统分为STC89C51单片机最小系统、按键模块、显示模块、电机驱动模块以及步进电机等几个部分，通过编程实现了步进电机的正反转，加减速，启停控制以及运行状态LED状态显示功能。
实验结果表明，系统性能优于传统的步进电机控制器。
关键词：STC89C51单片机；步进电机；控制系统；设计
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.18.165
1 引言
步进电机是机电设备中最广泛使用的一种电机，又被称为脉冲电动机或者阶跃电动机，其工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或线位移。
每输入一个电脉冲，电机转动一个角度前进一步，其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。
在控制中，可以利用输入电脉冲的频率、数量和各相绕组的通电顺序来精确控制电机的启停、转速、转向和定位，几乎不受电压和环境温度等影响，误差小。
随着单片机嵌入式系统的发展应用，基于单片机的步进电机控制系统在各个领域得到了广泛应用，比如线切割的工作台运动、ATM机、刻字机、工业控制系统等等，并且特别适合要求性能稳定、误差率低、响应迅速、运行时产生噪音小、具有较长的使用寿命以及能输出较大扭矩的应用场合。
本文设计了基于STC89C51单片机的步进电机控制系统，具备价格低廉、结构简单、移植性好等特点，具有广泛的应用前景。
2 系统总体框架
本系统主要由STC89C51单片机最小系统、驱动电路模块、按键电路模块、数码管显示电路模块和步进电机等几个模块组成。
本设计中步进电机功率和额定电流都较小，从经济性方面考虑，驱动芯片选用 ULN2003芯片，ULN2003芯片是一种高耐压、大电流、内部包含七个硅PNP达林顿管的驱动芯片。
步进电机的控制主要通过按键来实现，分别负责控制加减速、换向、转速。
STC89C51单片机向ULN2003输出脉冲信号，驱动芯片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相应的动作。
系统结构如图1所示。
3 硬件电路设计
以STC89C51单片机为核心处理器及主控制器，由28BYJ-48步进电机与ULN2003组成电机与驱动模块，矩阵键盘模块分别控制步进电机的启停、正反转、加速、减速，显示模块驱动数码管显示步进电机当前的转速与转动方向。
3.1 步进电机选择与设计
本设计采用28BYJ-48步进电机，内部结构如图2所示，内部接线如图3所示。
28BYJ-48步进电机一共有四组线圈，每对绕组有一个共同端点，将两个公共端点连在一起引出，这样一共得到5根引出线。
给各引出端通电，就能使步进电机转动。
步进电机的转动方向由给定工作方式的换相通电顺序决定。
正转的循环通电顺序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，反转的循环通电顺序是D-DC-C-CB-B-BA-A-AD，通过调整步进电机的四个绕组的通电顺序，来控制其转动方向，通过调整发射脉冲信号的频率来控制其转速，频率越高，速度越快。
3.2 单片机系统
本设计采用STC89C5l单片机作为核心，如图4所示，该单片机结构简单，价格低廉，使用方便，能够反复写入或擦除程序达几万次以上。
除此之外，STC89C51还支持MCS51系列单片机的所有功能。
单片机最小系统主要由复位电路和振荡电路组成。
最小系统如图5所示。
3.3 按键控制电路
开关断开时，输出电压为低电平，开关闭合时，输出电压为高电平。
通过按键扫描程序扫描按键输出的是否为高电平就可以判断按键是否闭合。
设计四个发光二极管用于显示当前脉冲信号的发射状态，如果按键按下，则发光二极管的发光状态会发生改变。
控制按键电路如图6所示。
3.4 数码管显示电路
选用共阳极数码管来显示步进电机当前实时转动速度和方向。
数码管显示电路图如图7所示。
3.5 步进电机驱动电路
ULN2003通过1号到4号接口依次与单片机的28号到25号接口相连，STC89C51通过这四个引脚向ULN2003输入信号，同时ULN2003的16号到13号接口与步进电机相连用于驱动步进电机转动。
本设计采用单拍方式对步进电机进行控制，1号到4号接口在同一时刻只有一
个连通，其余的3个接口断开。
步进电机每个时刻只有一个引出端与ULN2003相连。
驱动电路如图8所示。
4 软件设计
4.1 软件设计思路
软件系统采用MCS-51 单片机汇编语言编写，系统由初始化模块、按键模块、显示模块、步进电机控制模块等几个部分组成，通过按键模块控制步进电机的启停，调整转速、转向。
转速和转向通过LED数码管实时显示。
程序流程图如图9所示。
4.2 按键扫描模块
按键扫描子程序的运行流程是首先启动按键扫描子程序，然后扫描按键输出端，检测是否有按键动作发生，如果没有按键动作发生，就回到程序的开始，即继续扫描按键输出端以检测是否发生按键动作，直到检测到有按键动作发生时运行按键处理子程序，而后回到程序的初始，继续扫描按键输出端。
在本子程序中，还需要加入一个消抖子程序，当检测到输入时，运行一个延时程序，延时时间为十毫秒，接着再次对按键输端进行扫描，如果仍能检测到输入，则说明真的有按键动作发生，否则按键输出是由抖动产生，最后将所确认的按键输出值反馈给按键扫描子程序以准备运行按键处理子程序。
4.3 按键处理模块
按键处理子程序的目的是改变定时器T0的运行状态，因为定时器T0控制着脉冲信号的输出。
按键处理子程序的运行流程是：首先开始运行按键处理子程序，将各变量初始化，接着依次检测四个按键是否有按键动作发生，如果有按键动作发生，就对相应的值做修改，然后退出该程序。
需要注意的是，每运行一次程序只对一个按键做出反应，即检测到一个按键有输入并处理完之后就退出该程序而非把所有按键都检测一遍之后再退出。
4.4 步进电机控制模块
在设计中，将换向子程序放在定时中断服务程序中，运行时，通过判断换向按键是否按下，来决定是否执行换向子程序，以达到对转向的控制。
首先运行步进电机控制中断子程序，设置T0时间参数，接着根据按键处理子程序运行的结果判断是否需要改变转动方向控制位的值，如果需要则改变方向控制位的变量值，然后退出程序，如果不需要则再根据按键输出子程序的运行结果来查询输出脉冲为多少，最后退出程序。
需注意的是，如果按键处理子程序没有检测到加速、减速按钮的按键动作，则根据步进电机当前的转动速度来决定脉冲信号的输出频率。
5 总结
本文基于STC89C 51单片机、ULN2003驱动芯片和28BYJ-48步进电机设计了步进电机控制硬件电路，软件编程实现了实时精确控制步进电机转速、转向和停转，该系统结构简单、性能稳定、精确度高、通用性强、成本低廉。
经仿真测试，该步进电机控制系统各项指标达到了良好效果，实现了预期目标，可广泛应用于数控机床、轧钢机、机器人以及自动化仪表等多个方面。
具有较高的实用价值和经济效益。
参考文献：
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