基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計參考模板

1、基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計中文摘要步進電機是一種受，并且能將相應的或者的電動機。由于步進電機具有步距誤差不積累、運行可靠、結構簡單、慣性小、成本低等優(yōu)點，因此，被廣泛使用于計算機外圍電路、自動化控制裝置以及其他的數(shù)字控制裝置中，如打印機、鐘表、數(shù)模轉換設備等裝置中。隨著科學技術的快速發(fā)展，相應的控制系統(tǒng)也產(chǎn)生了很多種類，步進電機的身影在眾多領域中可以看到。其中采用單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)，由于其電路簡單、成本低、可靠性強等優(yōu)點，滿足眾多領域的需求，得到了大量的運用。因此，研究基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)，。本設計研究的是基于51單片機。通過單片機的I/O端口輸出時序方波作為控制信

2、號，信號經(jīng)過芯片ULN2003驅動芯片驅動步進電機進行不同的指令進行工作。根據(jù)不同的需要，通過按鍵電路來控制步進電機的啟停、正反轉和加減速等功能，并在數(shù)碼管上實時顯示步進電機的工作狀態(tài)。本文給出了電路各個模塊的電路圖，并用Proteus的ISIS軟件對控制系統(tǒng)的各個功能進行了仿真，并給出了相應的仿真結果圖像。關鍵詞：單片機； 步進電機； 電機驅動； 控制系統(tǒng)I / 58Abstract Stepper motor controlled by a pulse signal, and a pulse signal can be converted to the corresponding angu

3、lar 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, s

4、uch 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 contro

5、l 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

6、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 mo

7、tors 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 function control system simulation, and the simulation results are given corresponding image.Key words: microcontroller; stepper motor; motor drive;

8、 control system目 錄中文摘要IAbstractII1 緒論11.1 步進電機及其發(fā)展過程11.2 步進電機在我國的應用及前景21.3 本設計的研究內(nèi)容31.4 步進電機的性能指標及工作原理3 1.4.1 步進電機的特點3 1.4.2 步進電機的種類4 1.4.3 步進電機的主要性能指標5 1.4.4 步進電機的工作原理61.5 步進電機控制系統(tǒng)的原理82 總體方案設計102.1 設計思路的選擇102.2 單片機芯片的選擇122.3 驅動電機芯片的選擇122.4 顯示電路的選擇132.5 步進電機的選擇133 控制系統(tǒng)的硬件電路設計153.1 鍵盤控制電路153.2 單片機最小系

9、統(tǒng)電路163.3 數(shù)碼管顯示電路183.4 步進電機的驅動電路203.5 步進電機的其他電路214 控制系統(tǒng)的軟件設計234.1 主程序流程圖234.2 讀按鍵子程序流程圖244.3 按鍵處理子程序流程圖254.4 電機控制中斷程序流程圖265 仿真與測試285.1 仿真軟件介紹285.2仿真的操作步驟285.3 電路板的焊接 295.4 電路板的測試306 結論與展望32致 謝34參考文獻35附錄：系統(tǒng)總體電路圖36 系統(tǒng)仿真原理圖37 PCB打印圖38 原件清單39 程 序401 緒論1.1 步進電機及其發(fā)展過程步進電機是一種受，并且能將相應的或者的電動機。由于電源每次輸入電脈沖

10、給該電機，該電機就會前進一小步，轉動的方式是步進式的，所以稱為步進電動機。由于電源輸入的是脈沖式的電壓，因此，有時也被稱為脈沖電動機。在步進電機驅動能力范圍內(nèi)，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖個數(shù)成正比，不因電源電壓、負載變化和環(huán)境條件等的變化而變化。所以其輸出的角速度或線速度也與輸入的脈沖頻率成正比，通過改變輸入脈沖頻率的高低就可以調節(jié)步進電機的轉速，并能控制步進電機的快速啟動，暫停，正反轉和加減速等。由于步進電機具有步距誤差不積累、運行可靠、結構簡單、慣性小、成本低等優(yōu)點，因此，被廣泛使用于計算機外圍電路、自動化控制裝置以及其他的數(shù)字控制裝置中，如打印機、鐘表、數(shù)模轉換設備等裝置中。雖然

11、步進電機近些年來才被廣泛使用，但其工作原理很早就被人們研究出來。其中，最早的可以追溯到法國人佛羅曼提出了將電磁鐵的吸引力轉化為力矩的方法。當時，激磁相的切換是采用機械式凸輪的接觸點來完成，這就是步進電機最初的原理模型。后來逐步發(fā)展還出現(xiàn)了旋轉線圈式的應用方法。二十世紀三十年代以后，步進電機的應用才逐漸開始，稱為步進電機，被用作。 隨著晶體管元件的快速發(fā)展，與之相結合使用的步進電機也得到了快速的發(fā)展和廣泛的使用。1950年研制出二極管半導體，1964年開發(fā)出MOS半導體，特別是經(jīng)過19501965年間半導體材料的高速發(fā)展后，由于價格低廉、可靠性高的邏輯數(shù)字電路得到廣泛的應用，使步進電機的使用量也

12、急劇增加。多年來，隨著電力電子技術、自動化控制技術以及計算機技術的快速發(fā)展，步進電機系統(tǒng)尤其是其中的驅動電路部分的不斷發(fā)展，使其在單片機控制，數(shù)控機床、繪圖儀、打印機以及光學儀器中都得到了廣泛的應用。現(xiàn)如今，繼電動機和電動機這兩大類電機被廣泛應用后，步進電機也已成為生活中最常用的。國內(nèi)外圍繞著步進電機系統(tǒng)的研究做了大量的工作以及相應的開發(fā)工作。圖1-1 步進電機1.2 步進電機在我國的應用及前景我國對于步進電機的研究及制造起始于20世紀50年代。當時，主要是一些高等院校和科研機構使用或開發(fā)與步進電機相關的產(chǎn)品。進入70年代，我國各地，例如北京、南京、江浙一帶都有大量的生產(chǎn)和使用，其中的驅動電路

13、的半導體器件，已實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。進入改革開放時代后，隨著國外各種步進電機的先進技術進入國內(nèi)，我國對其進行了大量的研究，并開發(fā)出了多種混合式的步進電機以及相應的驅動元件，同時，也被大量的應用于各種領域中。發(fā)展至現(xiàn)今，我國在這方面的理論研究比較成熟，逐漸形成了比較完善的基礎理論和設計方法，產(chǎn)品種類也逐漸多樣化，性能和參數(shù)也逐漸達到甚至有些已經(jīng)超過國外同類產(chǎn)品的水平。而國外的大功率驅動工業(yè)設備上，只有少數(shù)要求較高的設備中才會使用空心轉杯電機、交流電機；目前，大多數(shù)場合不使用大扭矩的步進電機，而是采用直流電動機。其原因是從驅動電路的成本、效率、系統(tǒng)慣量與最大扭矩比等指標進行比較，采用直流電動機更為合適

14、。除此之外，還有一些小功率的工業(yè)設備中也得到了廣泛的應用，例如，工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設備、照相機以及大型望遠鏡等等。經(jīng)過多年的發(fā)展，步進電機的應用越來越廣泛，功能更加強大，種類也很繁多，相應的產(chǎn)品也日趨完善。步進電機以它顯著的優(yōu)點在工業(yè)生產(chǎn)和自動化控制中占據(jù)著不可動搖的地位。相信在不久的未來，伴隨著科學技術的快速發(fā)展，步進電機將會在更多的領域得到廣泛的應用。1.3 本設計的研究內(nèi)容本設計研究的是基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)。采用單片機STC89C51作為控制核心，通過四個按鍵控制步進電機的運行狀態(tài)，即控制啟停、轉向、加減速等，并利用四位的數(shù)碼管顯示步進電機的

15、轉向和速度等級。本設計的硬件部分主要由、模塊、模塊、模塊以及模塊。本產(chǎn)品主要實現(xiàn)的功能：（1）5個按鍵控制整個電路，對應功能分別是：啟動/暫停、正/反轉、加速、減速、復位；（2）數(shù)碼管顯示正/反轉的指示和電機轉動速度的等級；（3）5個LED燈，一個為電源工作指示燈，其余四個則指示電機的轉速等級。本設計的控制核心是利用軟件控制單片機輸出不同的脈沖信號，從而驅動步進電機進行相應的動作，顯示不同的運行結果，同時，為了使步進電機的運行狀態(tài)顯示的更為直觀，利用數(shù)碼管顯示電路實時的顯示出來。1.4 步進電機的性能指標及工作原理本設計是以STC89C51單片機作為控制單元，集成芯片ULN2003作為電機的驅

16、動芯片，DC-5V步進電機作為控制對象。本設計通過五個按鍵的控制，改變輸入脈沖的頻率和個數(shù)來調節(jié)步進電機的正反轉、加速、減速、暫停和復位功能；LED數(shù)碼管的第一、二位顯示速度等級，而第四位則顯示步進電機的轉動方向；5個發(fā)光二極管，一個為電源指示燈，其余四個則指示電機的轉速。1.4.1 步進電機的特點從應用的角度來說，對步進電機的基本要求如下:（1） 步進電機能夠在一系列脈沖信號的控制下,快速、平滑、穩(wěn)定的實現(xiàn)啟動、暫停、正/反轉，加/減速等運行方式；（2） 為了提高精度，要求脈沖對應的位移量小，并要準確、均勻。這就要求步進電機步距小、步距精度高，不能存在失步的現(xiàn)象。要求步進電機輸出轉矩大，可以

17、直接帶動負載工作（3） 響應要快速。即要求步進電機不僅啟動、暫停、反轉的動作要快速，并能連續(xù)高速的運轉工作以提高勞動的生產(chǎn)效率。（4） 。1.4.2 步進電機的種類常用的步進電機有三種：（1）永磁式步進電機 永磁式步進電機內(nèi)部主要由定子和轉子兩部分組成，組成的形式也可以為兩種，即轉子采用永久磁鐵，定子采用線圈；或者反之，也可以。其工作原理是通電的定子線圈產(chǎn)生的磁場和轉子永久磁鐵產(chǎn)生的磁場，通過吸引或排斥的相互作用，產(chǎn)生轉動力矩，使其進行轉動工作。 該電機的特點是勵磁功率小、效率高、造價便宜，啟動頻率和運行頻率較低，永磁需要量也大。缺點是由于永久磁鐵之間的磁化間距不便于測量、控制，受到影響的因素

18、較多，故為了保持良好的效果，步距角通常會設置的較大。（2)反應式步進電機 反應式步進電機，通常也被稱為可變磁阻型步進電機，其轉子磁路是由軟磁材料制成的鐵芯，而定子則由勵磁繞組線圈纏繞著鐵芯構成的；其工作原理是磁性轉子鐵芯通過定子產(chǎn)生的脈沖磁場而形成的吸引或排斥的相互作用，產(chǎn)生轉矩，使其進行轉動工作。這類電機的轉子結構簡單、轉子直徑小，有利于高速響應。這種電機具有效率低、啟動和運行頻率較高、轉子的阻尼差、噪聲大等缺點。優(yōu)點是制造材料費用低、結構簡單、步距角小。（3）混合式步進電機由于該電機的轉子導磁體上嵌有永久磁鐵，可以說是永磁型和可變磁阻型相結合的一種形式。故稱為混合型步進電機?；旌鲜讲竭M電機

19、分為兩相、三相和五相等。由于其內(nèi)部結構組成的特點，使其同時具備了永磁式和反應式的各自的優(yōu)點，具有輸出轉矩大，響應速度快，效率高，振動噪聲小等優(yōu)點。1.4.3 步進電機的主要性能指標（1）步距角 控制系統(tǒng)輸入一個電脈沖信號時，轉子所旋轉過的機械角度稱為步距角。即：當定子繞組完成一次通電周期時，轉子繞組由于受到磁場變化的作用，產(chǎn)生磁矩，旋轉相應的機械角度。步距角的大小會影響到步進電機的運行頻率和啟動。 一般情況下，步距角越小，加工精度就越高。（2）最大靜轉矩 為最大靜轉矩。它表示了步進電機所能承受負載的能力。一般情況下，流入步進電機繞組的電流越大，最大靜轉矩也就越大，也就可以帶動更大的負載轉矩，此

20、時的運行的快速性及穩(wěn)定性就越好。（3）靜態(tài)步距角誤差 靜態(tài)步距角誤差，由名稱可知，是指步距角的理論值域實際值之間的誤差，由于誤差較小，通常在分的級別，一般不會超過10分的精度范圍。該誤差值主要是有電磁轉矩的不均勻等其他因素造成的，這種誤差在實際生活中不可避免，通常只有進一步提高機械齒輪的制造精度，使誤差值盡可能的減小。步距角誤差直接影響工作的加工精度以及步進電機的動態(tài)特性。通常在空載情況下進行測定，靜態(tài)步距角誤差越小，表示步進電機的精度越高。（4）啟動頻率和啟動頻率特性 啟動頻率是指步進電機在不帶任何負載的情況下，由靜止狀態(tài)直接進行啟動，并且能夠穩(wěn)定的、不失步的進入正常運行狀態(tài)，所需要的脈沖頻

21、率的最大值。它也是衡量步進電機響應速度快慢的一個重要的參數(shù)。高于步進電機，。啟動頻率與負載慣量有關，一般來說隨著負載慣量的增長而下降。產(chǎn)品介紹上往往會給出空載時的啟動頻率。然而實際使用中，大多數(shù)步進電機都是在帶有負載的情況下啟動，因此，所以產(chǎn)品介紹通常會以表格或曲線的形式給出啟動的矩頻特性，即啟動頻率特性，以便確定負載啟動頻率。（5）運行頻率和運行矩頻特性運行頻率是指步進電機在啟動后，穩(wěn)定運行的過程中，連續(xù)上升脈沖信號的頻率時，。運行頻率是衡量步進電機定子繞組通電變化頻率快慢的一個重要參數(shù)。的。運行頻率隨負載的性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。運行矩頻特性通常會在產(chǎn)品介紹中以表格或曲線的

22、形式給出。當步進電機。帶負載運行時，。1.4.4 步進電機的工作原理 步進電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不產(chǎn)生旋轉量的誤差積累。 四相電機運行時，可以是四相中每次只有一相繞組通電來工作，也可以是兩相同時通電，或者是單相和兩相交替通電。前一種驅動方式稱為四相單四拍，后兩者分別為四相雙四拍和四相八拍。這里所謂的“四相”是指步進電機具有四相定子繞組；“單”是指每次只有一相繞組通電；“四拍”是指四次換接為一個循環(huán)，第五次換接重復第一次的情況。（1）四相單四拍。電機的通電順序為A-B-C-D-A-B.，如表1-1所示;（2）四相雙四拍。電機的通電順序為AB-BC-CD-

23、DA-AB-BC.，如表1-2所示;（3）四相八拍。電機的通電順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB.，如表1-3所示;表1-1 四相單四拍步序控制位工作狀態(tài)A相B相C相D相11000A20100B30010C40001D表1-2 四相雙四拍步序控制位工作狀態(tài)A相B相C相D相11100AB20110BC30011CD41001DA表1-3 四相八拍步序控制位工作狀態(tài)A相B相C相D相11000A21100AB30100B40110BC50010C60011CD70001D81001DA 本次設計中使用的是28BYJ-48步進電機，該電機屬于四相八拍電機，因此，該步進電機的輸入脈沖

24、信號也應該是四相八拍的工作方式。使用單片機的定時器0，把工作方式設置為1，單片機的每一次中斷都會給步進電機的繞組輸入一個脈沖電壓，步進電機隨即將脈沖信號轉化為線位移或角位移，轉動一個角度。1.5 步進電機控制系統(tǒng)的原理 傳統(tǒng)的步進電機控制系統(tǒng)是電子電路組成的，主要由脈沖發(fā)生器、環(huán)形脈沖分配器、功率放大器以及步進電機組成，結構圖如圖1-4所示：圖1-4 傳統(tǒng)的步進電機控制系統(tǒng)脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生一連串（一系列）連續(xù)的脈沖信號的電子器件，脈沖信號的頻率范圍較寬，可以是低頻的是20赫茲至10兆赫茲，也可以是高頻的100千赫茲至300兆赫茲等等。環(huán)形脈沖分配器的作用是將輸入的連續(xù)脈沖信號，按照一定的

25、規(guī)律順序，分別分配給驅動元件的各個端口。在這個過程中，環(huán)形脈沖分配器按照一定的順序接通、斷開，使電機繞組的通電按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化。由于環(huán)形脈沖分配器輸出的脈沖信號電流很小，往往只有幾微安，所以要想驅動步進電機進行工作就需要添加功率放大器，將功率就行放大。采用以往的電子電路的控制方式，由于其電路組成復雜，成本較高，因而限制了它的應用，不能大范圍的應用。但是，若采用基于單片機的控制系統(tǒng)，由軟件代替脈沖發(fā)生器和環(huán)形分配器的作用，不僅大大簡化了電路的組成，也降低了成本，穩(wěn)定性和可靠性也大大提高。此外，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，靈活的改變步進電機的控制設計方案，使其性能不在單一，使用很方便。常用的基于

26、單片機控制步進電機系統(tǒng)原理圖，如圖1-5所示：圖1-5 基于單片機的控制系統(tǒng) 將圖2與圖1相比，主要區(qū)別在與用單片機代替了脈沖發(fā)生器和環(huán)形分配器的作用。因此，并實現(xiàn)。每當步進電機脈沖輸入線上得到一個脈沖，它使沿著方向控制線信號所確定的方向行進。步進電機在正常的工作狀態(tài)下，對步進電機每輸入一個脈沖信號，步進電機就會轉動相應的步距角，且該步距角是成比例的，且角度值是固定的。，若能已知其行進的步數(shù)和行進前的初始位置，。2 總體方案設計2.1 設計思路的選擇對于步進電機控制的研究，國內(nèi)外近些年出現(xiàn)了多種控制方式，其中最常見的控制方式為以下三種：（1）基于電子電路的控制方式：步進電機能直接接收數(shù)字信號的

27、特點，所以被廣泛應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。其中較常用的控制電路是采用硬件電路的方式，即利用數(shù)字邏輯單元組成的電子電路。此種控制方式的特點是電路結構簡單，可靠性強，性能穩(wěn)定，可以實現(xiàn)一般的基本任務要求。缺點是功能性比較單一，電路的功能不能更改。若要改變控制系統(tǒng)的功能，一般需要重新設計硬件電路，靈活性較差。（2）基于單片機的控制方式:采用基于單片機的步進電機控制方式，實現(xiàn)了軟、硬件相結合的控制方法。為了能夠更加準確、精準的控制步進電機，最好的控制方式是利用軟件將脈沖信號有規(guī)律的輸出到步進電機的驅動元件上，從而，取代了環(huán)形脈沖分配器的功能。由于單片機的強大功能，還可以擴張大量的外圍電路，鍵盤作為一個外圍

28、中斷源，可控制步進電機實現(xiàn)啟停、正反轉、加減速等功能，也可以利用數(shù)碼管作為顯示電路，來顯示步進電機的工作狀態(tài)。此種控制方式的特點是系統(tǒng)的靈活性好，可靠性強，增加了控制系統(tǒng)的功能多樣性。缺點是系統(tǒng)硬件設計相對復雜，電路設計工作量相對較大。（3）基于PLC的控制方式：PLC的控制方式是在工業(yè)領域中，以計算機控制技術相結合發(fā)展起來的控制技術。通過PLC，將控制脈沖按步進電機的相應的上。而環(huán)形脈沖分配器可以分為軟件和硬件兩種。采用軟件環(huán)形分配器時，占用PLC資源較多，電路結構簡單；而采用硬件環(huán)形分配器時，電路結構復雜，PLC資源占用較少，但增加成本。此種控制方式的特點是抗干擾能力強，可靠性高，編程簡單

29、，性價比高，安裝簡便，維修方便等。缺點是不能在高頻率下對步進電機進行控制，且控制精度小。通過對以上三種方案的比較，可以發(fā)現(xiàn)：基于電子電路的控制方式靈活性不高；基于PLC的控制方式不能在高頻率下進行，控制精度小；而隨著科學技術的快速發(fā)展，人們對控制功能的要求也越來越高，使得單片機的優(yōu)點更加的直白的顯現(xiàn)出來，因此，單片機與控制電路的結合是日后發(fā)展的主流方向。結合本設計的設計成本等因素的考量，故本設計采用基于單片機的控制方式。本方案有以下優(yōu)點：（1） 利用，通過改變單片機的輸入程序，使步進電機的和大大提高；（2） 利用單片機的軟件可以使步進電機的，也使控制方式實現(xiàn)了和，可以有效的對電路產(chǎn)生的影響；（

30、3） 由于單片機的擴展性較強，使其功能日趨完善，功能也逐漸多樣化，設計成本較低，具有很；（4） 由于單片機擁有很多的外圍電路，且現(xiàn)存的子程序日趨完善，在使用時，直接調用，大大減少了工作量，也提高了系統(tǒng)的交互性。 硬件部分主要是以，本設計選用的步進電機是，通過軟、硬件的結合，實現(xiàn)了步進電機的、/、功能，并且將電機的在上。本設計是由、模塊、模塊、模塊以及模塊。其中、是本次設計的。本設計的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示：單片機鍵盤控制模塊電機驅動模塊數(shù)碼管顯示模塊電源模塊圖2-1 總體設計框圖2.2 單片機芯片的選擇方案一：采用凌陽單片機。凌陽單片機是一款控制處理數(shù)據(jù)以及數(shù)字信號處理的設備。該單片機具有多種

31、不同的產(chǎn)品類型，可以滿足不同的電路場合的需求。它具有集成度高、數(shù)/?；旌?、功能全、低功耗、低電壓和易于擴展等特點，并且能用電池供電，具有較強的中斷處理能力。另外，它還增加了適合于DSP的某些特殊指令，有些系列的單片機還嵌入了LCD控制/驅動和雙音多頻發(fā)生器功能，并且支持語音提示功能。缺點是價格較貴，不利于提高產(chǎn)品的性價比。 方案二：采用51系列的單片機。51單片機是現(xiàn)在應用最為廣泛的單片機。該單片機具有高、小、低、齊全、容易、方便、能力強、可靠等優(yōu)點。同時，它的價格低廉，有利于提高性價比。缺點是數(shù)據(jù)處理較弱?，F(xiàn)實生活中，為了使電路更穩(wěn)定的工作，有時單片機芯片需要具有一定的抗干擾能力以及一定范圍

32、的工作環(huán)境溫度等等特殊的要求。按適用的工作溫度分，單片機芯片可分為商用級、工業(yè)級、軍用級三個等級，這里選擇一般的商用機即可。按抗干擾能力方面的要求，由于本次設計的功能有限，一般的單片機均能滿足該要求，因此，抗干擾方面不需要特別考慮。若從易學掌握的角度出發(fā)，要求所選單片機要支持簡單易學的編程語言，并且擁有易于學習的編程軟件。此外，本設計選用的單片機最好具有豐富的相關學習資料，便于查找學習，使其具有更高的通用性。若從該角度出發(fā)，51系列的單片機具有一定的優(yōu)勢。綜上所述，通過從各方面的綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案二51單片機作為主控芯片。在常用的51單片機中，STC89C51系列的單片機是宏晶科技推出的

33、新一代超強抗干擾、高速低功耗的單片機，它的功能已完全能夠實現(xiàn)本設計的要求，且價格便宜，下載程序方便。2.3 驅動電機芯片的選擇方案一： 使用驅動芯片ULN2003。 ULN2003芯片可以直接處理數(shù)字信號，例如經(jīng)過數(shù)字邏輯電子電路產(chǎn)生的脈沖信號。該芯片的內(nèi)部結構由組成的，并且。通常被廣泛應用于單片機、PLC、儀表電器等控制驅動電路中。特點是高、高、強、好、小、低廉等等。 方案二： 使用驅動芯片L298。L298N芯片屬于H橋集成電路。驅動芯片L298可以直接和單片機進行連接，接收單片機的數(shù)字脈沖信號。由于其輸出電流大、功率大的特點，可以直接驅動電機進行工作。而當驅動芯片L298直接驅動步進電機

34、工作時，只需要改變脈沖信號的邏輯電平值，就可以實現(xiàn)對步進電機工作狀態(tài)的控制。該芯片具有體積小，控制方便等優(yōu)點，缺點是使用該芯片時需要添加光電耦合器件，進行光電隔離，消除電機對單片機產(chǎn)生的干擾，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。綜上所述，通過從各方面的綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案一ULN2003作為本設計的驅動芯片。2.4 顯示電路的選擇方案一:采用LCD液晶顯示器。LCD液晶顯示器不僅可以顯示、和漢字，還可，并且可以實現(xiàn)、屏幕內(nèi)容的等功能，具有小、輕、小、小、清晰等優(yōu)點。缺點是對單片機的接口要求高，一般多采用并行接口，占用資源多，同時也需要專門的驅動電路，且器件價格昂貴。 方案二:采用LED數(shù)碼管。LED

35、數(shù)碼管的顯示模塊的數(shù)碼管，。STC89C51單片機輸出的脈沖序列經(jīng)過上拉電阻驅動數(shù)碼管顯示。采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，具有亮度高、響應速度快、防潮防濕性能好、使用壽命長、硬件電路簡單、編程簡便、顯示信息清晰、價格低廉等優(yōu)點，但占用單片機I/O端口較多。綜上所述，通過從使用的實用性和價格等各方面的綜合考慮，本系統(tǒng)選擇方案二LED數(shù)碼管作為本設計的顯示模塊。2.5 步進電機的選擇由于本次設計的供電電源是5V的直流電源，STC89C51單片機的VCC電壓也為5V，該設計的最高電壓也是5V。因此，選擇的類型也應該是驅動電壓為直流5V的，經(jīng)過綜合考量， 28BYJ-48步進電機比較符合本設計的要求，性價比

36、各方面也很符合。28BYJ-48步進電機屬于四相八拍電機，輸入電壓范圍為直流5V-12V。當步進電機輸入一系列連續(xù)的脈沖信號時，步進電機按照相應的運行狀態(tài)，轉動相應的角度。例如，當輸入步進電機的通電狀態(tài)改變一次時，相應的轉子也就轉過對應的一個步距角，與之相對。3 控制系統(tǒng)的硬件電路設計本設計采用的是STC89C51作為步進電機的控制芯片。帶4K，是典型的嵌入。，同時，由于，因此，它也與工業(yè)標準。單片機如圖3-1所示：圖3-1 單片機3.1 鍵盤控制電路根據(jù)控制系統(tǒng)功能的要求，需要設置四個控制按鍵，即：K2、K3、K4、K5，分別來控制步進電機的啟停、轉向、加速和減速功能。鍵盤控制電路的原理圖如

37、圖3-2所示。通過K2、K3狀態(tài)變化來實現(xiàn)電機的啟停、轉向控制功能。當控制按鍵K2或K3有輸入信號時，單片機檢測到P1.0端口或P1.1端口的狀態(tài)由高電平變?yōu)榈碗娖?，?nèi)部程序調用相應的啟停程序或轉向程序，進而控制步進電機的啟停和轉向工作狀態(tài)。由步進電機的工作原理可知：步進電機轉速的控制主要是受輸入步進電機的頻率大小所決定的。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷。本設計采用是定時中斷的方法。通過控制K4或K5按鍵開關的閉合、斷開，來控制步進電機的加速或減速。根據(jù)K4或K5按鍵開關的輸入次數(shù)，將其輸入到單片機中，更改程序定時器中的中斷次數(shù)，改變輸出的脈沖頻率，繼而，實現(xiàn)對步進電機加速或

38、減速的控制。圖3-2 鍵盤控制電路原理圖3.2 單片機最小系統(tǒng)電路是由。（1）復位及復位電路的設計：在單片機系統(tǒng)中，復位電路是不可缺少的。單片機在正常工作（即執(zhí)行指令）前，必須要進行復位操作，這樣做的目的是將CPU以及系統(tǒng)中其他部件都處于一個明確的初始狀態(tài)，便于系統(tǒng)啟動。要實現(xiàn)復位操作，必須使單片機RESET管腳至少保持2個機器周期以上的高電平即可。在實際系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)電源電壓的上升時間和晶體振蕩器的起振時間，為了保證系統(tǒng)能可靠地復位，復位信號應該至少維持20ms以上高電平。單片機的復位電路有很多種，主要分為上電復位和手動按鍵復位兩種。 本電路的復位電路部分采用的是手動按鍵復位方式，復位電

39、路部分如圖3-3所示。手動按鍵復位方式的工作原理：當按下復位開關K1時，電源VCC與單片機的復位口RST直接相連，將復位端口置于高電平，極性電容C2也放電；當松開復位開關K1時，由于電容兩端的電壓值不能突變，故復位端口RST仍為高電平，此時電源VCC對電容C2充電，直至充電完成，電容相當于開路，復位端口RST被置為低電平，電路復位工作完成。（2）時鐘電路的設計:在設計單片機系統(tǒng)電路時，時鐘電路也是不可缺少的。在計算機系統(tǒng)中，所有的工作都是在一個節(jié)拍（時鐘）下同步工作，這樣才不會出現(xiàn)沖突。而為這個系統(tǒng)提供統(tǒng)一的節(jié)拍的，便是時鐘電路的工作，就如同心臟一樣，給計算機提供動力。在單片機系統(tǒng)中，單片機系

40、統(tǒng)的工作快慢主要取決于時鐘電路中晶振頻率的大小。 特別注意的是，在單片機中，時鐘電路的設計一定要和單片機靠近，路線盡可能短。時鐘電路的地一定要和同一時鐘的芯片的地共地。在晶振頻率的選擇上，在滿足系統(tǒng)需要的前提下盡可能地選用低頻率的晶振，這樣可以降低系統(tǒng)的功耗，不是選用的頻率越高越好。在單片機系統(tǒng)中，時鐘信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用的是內(nèi)部時鐘方式，如圖3-3所示。晶振電路是由兩個30PF的電容和一個12M的晶體振蕩器組成的，兩端分別跨接在單片機的XTAL1和XTAL2的兩個端口上。這里的兩個電容是起到穩(wěn)定頻率的作用，對晶振產(chǎn)生的頻率微調，使振蕩頻率與晶振頻率

41、保持一致。圖3-3 單片機的最小系統(tǒng)3.3 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管顯示器，也稱為LED顯示器，通常是由多個發(fā)光二極管組成的，可以顯示字段的顯示器件。當LED顯示器中的段二極管導通時，字段中的一段或一點相應的點亮，若能快速的同時控制發(fā)光二極管的導通，便可以控制數(shù)碼管顯示器顯示出不同的字符。各段LED顯示器需要由驅動電路驅動。生活中，由于其成本較低、顯示性能優(yōu)異等優(yōu)點，被廣泛使用于各種場合，常用的數(shù)碼管顯示器有很多種，例如四位的數(shù)碼管顯示器、米字形數(shù)碼管顯示器等等。按發(fā)光二極管單元連接方式的不同，數(shù)碼管可分為以下兩類： （1）共陽極接法。，并與電源電壓+5V相連，。當輸入端為低電平時，發(fā)光二極管導

42、通點亮，可以顯示相應的字符信息。如圖3-4所示。 （2）共陰極接法。，并接地連接。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當輸入端為高電平時，發(fā)光二極管導通點亮，可以顯示相應的字符信息。如圖3-5所示。 圖3-4 共陽極接法 圖3-5 共陰極接法在本設計中所采用的是共陽極數(shù)碼管作為顯示電路，利用三極管的導通與關斷作用驅動數(shù)碼管。數(shù)碼管選用7段共陽4位LED,第一位顯示步進電機的正反轉狀態(tài)，第一位顯示“0”或“1”，第三、四位顯示電機的速度等級。其中第一位為“0”是，表示該電機的轉向是正向旋轉；“1”則是反向旋轉。而第三四位顯示的速度等級有10個，即“00”到“10”。顯示如圖3-6所示：圖3

43、-6 數(shù)碼管驅動顯示電路3.4 步進電機的驅動電路本設計采用的是生活中廣泛使用的電機驅動芯片ULN2003為步進電機提供脈沖信號。ULN2003芯片是高壓、大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品。其內(nèi)部結構是由7個硅NPN復合晶體管組成。具有電流增益高、工作電壓高、驅動能力強、體積小、價格低廉等特點，通常被廣泛應用于單片機、PLC、儀表電器等控制驅動電路中。同時，ULN2003芯片可以直接驅動大功率繼電器等負載電路。因此，它被廣泛用于計算機，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。ULN2003的設計與標準TTL系列兼容。它的管腳連接圖如圖3-7所示:圖3-7 ULN2003管腳連接圖其主要特性如表3-8，所示：表3-8

44、 ULN2003主要特性參數(shù)輸入電流/(mA)輸入電壓/（V)功耗/(W)工作溫度/()數(shù)值25301-20+85ULN2003芯片的特點：（1） ULN2003，在5V的工作電壓下，它能來處理的數(shù)據(jù)。（2） ULN2003內(nèi)流入的外部，高負載電流下。步進電機驅動電路的工作過程是： 首先，單片機從P1口輸出00000001B，同時，由于單片機與ULN2003驅動芯片通過P2.4-P2.7端口連接的，所以這四個管腳中每時每刻只有一個管腳處于導通狀態(tài)，剩余的三個管腳則處于斷開狀態(tài)（單片機采用的是單拍方式對步進電機控制）。這樣就使得ULN2003的輸出端口中的一個與步進電機進行導通連接。電機驅動電路

45、原理圖如圖3-9所示：圖3-9 步進電機驅動原理圖3.5 步進電機的其他電路 步進電機的其他部分電路，包括5V電源電路和下載接口電路，如圖3-10和3-11所示： 圖3-10 5V電源電路 圖3-11 下載接口電路 將各部分接口外圍電路，通過單片機使各部分結合起來形成一個完整的電路，如附錄：系統(tǒng)總體電路圖所示。它是以單片機作為核心的控制電路，可以實現(xiàn)步進電機根據(jù)按鍵電路的不同輸入，使其進行不同的運行狀態(tài)，并通過數(shù)碼管顯示電路和發(fā)光二極管顯示步進電機的運行狀態(tài)。在系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)碼管顯示步進電機的正反轉狀態(tài)和轉動的速度，并通過發(fā)光二極管指示步進電機的運行狀態(tài)的快慢，即四個發(fā)光二極管來回閃爍的

46、速度越快則表明步進電機的旋轉速度越快；反之，則越慢。4 控制系統(tǒng)的軟件設計本次畢業(yè)設計軟件部分要實現(xiàn)的功能如下:按動啟動/停止按鍵時，步進電機停止當前的運行狀態(tài)，再次按動時，步進電機繼續(xù)運行當前的運行狀態(tài)；按動正轉/反轉按鍵時，步進電機可以實現(xiàn)正、反轉的轉向切換，但轉速不會發(fā)生改變；按動加速或減速按鍵時，步進電機可以實現(xiàn)從“01”至“10”十個速度等級的速度加減控制。同時，數(shù)碼管顯示模塊中的第一位可以實時顯示電機的轉向，“0”表示正轉，“1”表示反轉；第三、四位則實時的顯示電機的速度等級，變化范圍為“01”至“10”；而第二位數(shù)碼管不顯示，以區(qū)分開電機的轉向和轉速的顯示信息。為了實現(xiàn)本設計的功

47、能，本設計采用的是控制定時器的中斷技術，因此，設計了讀取按鍵子程序、按鍵處理子程序、電機控制中斷程序等部分。本設計中，主程序采用的是查詢尋址方式掃描鍵盤端口，檢查按鍵是否發(fā)生動作，此時，調用的是讀取按鍵子程序進行工作 ；若有按鍵發(fā)生動作，則進入按鍵處理子程序，根據(jù)按鍵的次數(shù)，更改程序定時器的中斷次數(shù)，改變輸出的中斷次數(shù)，實現(xiàn)對步進電機的控制。定時器0中斷服務程序控制步進電機的轉動：根據(jù)鍵盤電路輸入的次數(shù)，改變T0的定時時間常數(shù)，設置TH0和TL0的值，達到對轉速精確控制的目的；通過改變轉動方向控制位的值，控制脈沖信號循環(huán)移動的方向，達到對步進電機轉動方向控制的目的。4.1 主程序流程圖開始初始

48、化調按鍵、顯示子程序調按鍵子程序調用正反轉子程序調用加減速子程序停止圖4-1 步進電機控制系統(tǒng)主程序流程圖4.2 讀按鍵子程序流程圖按鍵電路采用的是掃描方法，與初始值進行比較，若兩者相等，則說明按鍵沒有被按下；若兩者不相等，則進行軟件消抖，確認按鍵是否被按下。延時10ms后再次進行掃描，再次與初始值進行比較，若兩者相等，則說明前一次比較不相等是由抖動產(chǎn)生的；若兩者不相等，則說明確實有按鍵按下，繼續(xù)執(zhí)行鍵盤子程序里的程序，將相應的變量值改變，準備處理鍵盤子程序。如圖4-2所示:啟動否是否有鍵按下處理鍵盤子程序是圖4-2 掃描鍵盤字程序流程圖4.3 按鍵處理子程序流程圖初始化變量開始P1.0是否按

49、下P3.0是否按下P1.1是否按下P3.1是否按下退出TR0取反，通過啟停T0啟停步進電機取反方向控制為，改變電機轉動方向修改速度參數(shù)值，減速修改速度參數(shù)值，加速 是是是是圖4-3鍵盤處理子程序流程圖4.4 電機控制中斷程序流程圖開始設置T0時間參數(shù)判斷轉動方向控制位的值有控制位查詢輸出脈沖退出改變方向控制變量值是圖4-4 定時器中斷0服務程序流程圖5 仿真與測試5.1 仿真軟件介紹 Proteus軟件是由化軟件。該軟件的使用，實現(xiàn)了從設計思路到實際產(chǎn)品制作的完整設計，大大的提高了電子設計工作的效率。該軟件可以實現(xiàn)多種軟件的功能，例如:原理圖的繪制、電路圖的仿真與測量以及生成PCB文件等等。同

50、時，該軟件支持大量的、不同種類的單片機芯片和元件庫，并且隨著時代的發(fā)展，該軟件也持續(xù)增加眾多其他系類的處理器，使軟件的功能更加完善。 由于Proteus軟件操作簡單，易于掌握，且通用性強的特點，相信在不遠的未來會有更多的電子工作者學習并使用它。因此，對于電子工作者，學習并掌握該軟件的用法具有一定的必要性。5.2仿真的操作步驟由于Proteus軟件具有良好的仿真特性，能對輸出的信號進行準確測量、分析，節(jié)省了大量的動手操作時間，更加方便于電子產(chǎn)品初期制作的操作需求。通過使用該軟件，基本可以驗證本設計的整體思路的正確性，從而開始本設計的實際制作部分。本設計的系統(tǒng)電路軟件仿真步驟如下：（1） 打開Pr

51、oteus仿真軟件；（2） 在軟件的元器件庫中選擇所需的元器件；（3） 按照硬件電路設計方案連線；（4） 將生成的HEX文件添加到單片機芯片中；（5） 保存工程文件，并編譯。編譯通過后，進行仿真、調試；（6） 如有錯誤或與設計預期不相符，則繼續(xù)進行步驟35，進行調試，至到調試成功。 系統(tǒng)仿真如圖5-1所示。圖5-1 系統(tǒng)仿真圖程序的調試過程，仿真實現(xiàn)了本設計最初的功能要求。仿真實現(xiàn)的功能如下：按動啟動/停止按鍵時，步進電機停止當前的運行狀態(tài)，再次按動時，步進電機繼續(xù)運行當前的運行狀態(tài)；按動正轉/反轉按鍵時，步進電機可以實現(xiàn)正、反轉的轉向切換，但轉速不會發(fā)生改變；按動加速或減速按鍵時，步進電機可

52、以實現(xiàn)從“01”至“10”十個速度等級的速度加減控制。同時，數(shù)碼管顯示模塊中的第一位可以實時顯示電機的轉向，“0”表示正轉，“1”表示反轉；第三、四位則實時的顯示電機的速度等級，變化范圍為“01”至“10”；而第二位數(shù)碼管不顯示，以區(qū)分開電機的轉向和轉速的顯示信息。5.3 電路板的焊接 電路板的焊接基本功在大二、大三的電子工藝設計已經(jīng)略有所學，這次的焊接更多是電子元器件的焊接。由于有以前的經(jīng)驗，所以這次的焊接任務不是特別的困難，但在這里焊接的有些事項仍然是要注意的：（1） 焊接的先后順序。元器件焊接的順序應遵循先小后大，先低后高的順序。例如常見的元器件中，焊接的順序可以為：三極管、芯

53、片插座等等。（2） 芯片與底座都是有方向的。 焊接時，應當注意原理圖中元器件的管腳的連接方向，以及PCB圖紙中元器件的極性和開口方向，防止焊接出現(xiàn)錯誤。（3） 焊接完成后，用放大鏡查看每一個焊點，檢查是否有虛焊以及短路的情況發(fā)生。（4） 單片機芯片在安裝前，應當先將兩側的針腳稍稍彎曲，使其有利于插入底座對應的插口中。（5） 焊接上錫時，焊錫不宜使用過多，使焊點焊錫變成錐形時為最好。（6） 當電路焊接完成后，最好使用清潔劑對電路的表面進行清洗，以防止電路表面附著的鐵屑使電路短路，也有利于電路板的美觀。5.4 電路板的測試 在電路完成焊接后，將程序文件燒入單片機芯片中，檢查實物是否能夠協(xié)調運行，檢

54、查是否能夠實現(xiàn)系統(tǒng)創(chuàng)作之初所設想的效果。若不能完全實現(xiàn)所要求的功能，則應當重新檢查系統(tǒng)的軟硬件的設計部分，并對其進行修改，直至實現(xiàn)設計的要求為止。本次調試過程中遇到了很多的問題。在硬件部分調試電路的問題有：單片機的復位端管腳出現(xiàn)問題，造成單片機的復位出現(xiàn)問題，單片機不能驅動步進電機工作。在多次檢查后，更換了新的單片機后，排除了故障，電路實現(xiàn)了預先所要求的功能。在軟件部分調試電路的問題有：步進電機速度的控制范圍太小。在咨詢老師后，發(fā)現(xiàn)軟件設計的思路不是很合理，原先的設計是利用主程序來控制步進電機的轉動，采用延時方式控制步進電機轉速，由定時器處理鍵盤；更改程序后，主程序用來處理鍵盤，由定時器控制步

55、進電機轉動，步進電機轉速由定時器定時時間決定。在更換程序后，問題得到了解決，步進電機速度的控制范圍增大了。本設計一開始并不能實現(xiàn)所有的功能，在排除了軟硬件的故障后，并對軟硬件故障進行修改后，步進電機可以實現(xiàn)其預先設定的功能了。制作的實物圖如圖5-2所示。通過這次電路板的調試，使我認識到，有時細節(jié)的小小疏忽，也可能導致整體功能不能實現(xiàn)，這也就更加說明了細節(jié)決定成敗。不過總體而言，本次的調試還是很成功的。圖5-2 制作的實物圖6 結論與展望 經(jīng)過這兩個多月不辭辛苦的努力，在反復驗證，修改后，終于完成了本次畢業(yè)設計的要求。本次設計主要研究了基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的電路設計。本次設計采用STC89C51單片機作為控制核心，由單片機產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)ULN2003芯片進行功率放大，驅動步進電機工作，同時由數(shù)碼管同步顯示步進電機的轉