基于51单片机的步进电机控制系统设计与制作

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目录

1产品功能分析.........................................................................................................1

2设计方案遴选.........................................................................................................1

2.1主控芯片的选择......................................................................................1

2.2步进电机的选择......................................................................................2

2.3电机驱动的选择......................................................................................2

2.4系统框图设计..........................................................................................3

3产品硬件设计.........................................................................................................3

3.1步进电机系统..........................................................................................3

3.2单片机系统..............................................................................................3

3.3ADC0809采集电路.......................................................................................4

4产品软件设计.........................................................................................................5

4.1主程序流程图..........................................................................................5

4.2电机控制中断程序流程图......................................................................6

5产品使用说明.........................................................................................................7

5.1产品装配图..............................................................................................7

5.2产品使用说明..........................................................................................7

6、产品设计技术标准.................................................................................................7

7参考资料...................................................................................................................8

附录...............................................................................................................................9

附录1元器件清单.........................................................................................9

附录2电路原理图.......................................................................................10

附录3PCB设计图........................................................................................11

附录4产品实物图.......................................................................................12

附录5主程序代码.......................................................................................14

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基于51单片机的步进电机控制系统设计与制作

1产品功能分析

所选择的步进电机是一个四相步进电机，使用的方法是单片机控制步进电

机的驱动。步进电机可被视作一种可靠的机械设备，其能够通过输入电脉冲来

控制电机的运行。一旦电机被激活，就会按照一个特定的步进角，一步步地朝

着指定的目标进行运行，从而实现精确的控制。利用步进电机，我们能够实现

对物体方向、角度、旋转速度、加速度等参数进行准确调节，从而实现对物体

运动轨迹、运动方向、运动方式等进行有效控制。步进电机采用了一种特殊的

技术，它能够根据不断变化的参数，调节电机的运动轨迹，从而实现对物体运

动轨迹、运动方向等进行有效调节。步进电机不仅能够被微控制器控制，而且

它也被设计成一种特殊的电机，具有无累积误差（100%精度）的特性，因此被

应用到各类开环控制系统中。设计的目的是开发一个以单片机为核心的单片机

驱动的步进电机控制系统。该系统使用STC89C51用作控制块，步进电机的旋转

方向和速度由电位器控制，步进电机的速度动态地显示在LED灯上。

主要实现功能：

（1）、电位器控制步进电机转动速度；

（2）、ADC0809采集电位器的电压值；

（3）、4个小红灯，指示电机的转速。

2设计方案遴选

2.1主控芯片的选择

单片机是微型计算机的一个重要部门，也是一种相当重要的设备类型。单

片机也被称为微控制器，特别适合于控制领域，因此也被称为微控制器。

一个先进的单片机可以实现复杂的电路，它的核心是一个高性能的电路，

它具有多种复杂的电路，如CPU、存储器、I/O接口电路等，它可以实现复杂的

电路操作，并且可以配置各种高级的软硬件，以实现复杂的电路操作。

为了确保控制系统的可靠性，我们需要综合考虑它的各项特征。例如，我

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们需要注意它的芯片速率、ROM容积、I/O接脚的数量及其它的最大实际工作电

流（1.8V/3V/5V）。此外，我们还需要注意它的可用端口，比如看门狗、双指针、

双串口、实时时钟、CAN端口、SPI接口、USB端口。在本次研究中，我们将采

用一种简易的、高效的方式来处理超声波及声光信号，并利用一种普遍适用的

单片机来实现。

从容易学习掌握的角度出发，要求所选单片机支持简单易学的编程语言，

并且拥有软件支持的良好编程环境。同时还应当有丰富的资料支持，包括详尽

的芯片说明书，应用指南，设计方案，范例程序等。

从工作可靠性的角度出发，要求所选芯片有较宽工作温度范围，较低的功

耗和一定的抗干扰能力。按适用的工作温度分，常用单片机芯片可分为商用级、

工业级、军品级，这里选择一般的商用机即可。在功耗和抗干扰方面，这个控

制系统的要求都不高，可以通过通用单片机芯片来满足。

总而言之，STC89C51单片机被选为该系统的主要控制芯片。足够本设计运

行，且价格便宜，下载程序方便。

2.2步进电机的选择

电机的运行状态取决于电脉冲信号的强弱，它可以通过调整信号的强弱来

控制电机的运动。例如，当电机处于正常工作状态时，它的运动速度会随着信

号的强弱而改变。这种开环控制设备通常用于控制电机的运动。步进电机具备

良好的周期性误差，而且不会出现累积性误差，因此，它可以轻松地实现快速、

精确的运动，并且可以满足多种复杂的控制要求。

通过调整电机的参数，可以改善步进电机的性能。例如，当电机的运行时

间增加时，它的运行角度会随着电机的运行而增加。此外，电机的运行速度也

会随着电机的运行而增加，而且这种关系是稳定的。

由于系统采用单片机控制，电压需要达到5v，因此，我们选择了28BYJ-48

四相八冲程步进电机，其电压范围为DC5V-DC12V，作为本次实验的设计对象。

通过施加一系列连续的控制脉冲，步进电机可以实现持续的运动。每一个脉冲

信号都会影响步进电机的一个或两个电压，从而使得转子在特定的步距角上进

行有效的旋转。当电压位置的变化完成周期时，转子旋转一步。

2.3电机驱动的选择

通过采用ULN2003，可以将步进电机的输出信号转化成步进角，以实现对步

进电机的精确控制。ULN2003中的7个NPN达林顿结晶体管可以满足低逻辑的电

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子电路（如CMOS、TTL或PMOS/NMOS）的需求，并且可以作为一种可靠的电源，

将电机与各种需要大电流、大电压的设备相联结，以实现对步进电机的精确控

制。这种技术已经被广泛地应用到了电子、汽车、家电等领域。ULN2003的设计

与标准TTL型器件兼容。

2.4系统框图设计

电源模块

电机驱动模块AD信号采集指示灯显示模块

单片机

图1系统框架图

3产品硬件设计

以51单片机为核心处理器、单片机作为主控制器，DC-5V步进电机，集成

芯片ULN2003作为电机驱动。AD0809用于捕获电位器的模拟信号，并将其转换

为数字信号，供STC89C51单片机使用。，单片机对步进电机的控制，4个小红灯

指示电机的转速。

3.1步进电机系统

步进电机是一种用来控制机械零件的电机，它可以将电流转化为机械运动，

无论是单相还是多相。单相步进电机只能产生一个电流，通常用来驱动较小的

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机械零件。相比之下，多相步进电机可以产生更大的电流，并且应用更加广泛。

当多相步进电机运行时，通过脉冲分配器将电脉冲信号分解成多个相，并

将其经过功率放大器处理，最终将这些相信号输送至步进电器的绕组中。当这

些相信号被输送至脉冲分配器时，系统的电压将随之改变，从而使得系统的转

子产生特殊的步距角。

通过步进电机，电机的运行方式会发生改变。通过控制电机的运行方式，

电机的运行角度会随着输入的脉冲的增加而增加。此外，步进电机还能够通过

控制电机的运行来调节电机的运行状态，从而使其能够更好地控制电机的运行。

3.2单片机系统

STC89C5l被选为步进电机控制芯片。STC89C51结构简单，可以通过编程实

现高达数万次的电消闪。STC89C51是一款性价比极佳的8位CMOS微处理器，它

拥有4个字节的可编码、可擦除的存储空间，因此也被广泛地视作微型计算机

的核心部分。它使用ATMEL的先进非易失性存储器，且完全符合MCS-51的规范，

使其成为一款完美的微型计算机。

3.3ADC0809采集电路

ADC0809芯片有28个引脚，采用双列直插式封装，如图所示。每个接口的

主要作用如下。

IN0到IN7：8位模拟输入。

2-1到2-8：8位数字输出。

ADDA,ADDB,ADDC：3位地址输入线，用于选择8个模拟输入中的一个。

ALE：一种用于存储地址的信号，它具有高电平的有效性。

START：将A/D变换的正脉动（达到100ns宽）作为起动脉冲，并在脉动向

上沿重置0809，降低沿起动A/D变换，以实现起动。

EOC：A/D转换结束信号，A/D转换完成后输出，该端提供一个高电平（转

换期间保持低电平）。

OE：数据使能信号，在A/D转换完成后，将高电平输入端，并通过三步门

的控制，将其转换为有效的数字量。

CLK：时钟脉冲输入。脉冲频率不应超过640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基本标准电压。

Vcc：电源，单一+5V。

GND：地。

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VCC

ADC0809

128R7

In3In2

22720k

In4In1

326IN0

In5In0

425

In6ADDA

524

In7ADDB

ST623

STARTADDC

EOC722ST

EOCALE

D3821D7

D3D7

OE920D6

OED6

CLK1019D5

CLOCKD5

1118D4

VCCVccD4

1217D0

Vref+D0

1316

GNDVref-

D11415D2

D1D2

U3

ADC0809

图2ADC转换电路原理图

4产品软件设计

步进电机控制软件必须同时完成步进电机的读取、处理和旋转控制等任务。

通过使用数字信号请求、定时器0中断等技术，我们可以对步进电机进行

有效的操作，从而达到准确的速度控制。此外，我们还可以通过调整T0时间常

数，以及调整TH0和TL0值，以及调整脉冲信号的循环运动，从而达到有效的

旋转方向控制。

4.1主程序流程图

该系统分为几个部分：发动机正转、发动机反转、发动机加速和发动机减

速，主程序框图如下所示：

开始

初始化

AD把模拟量转换成数字量

转速

控制

结束

图3主程序流程图

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4.2电机控制中断程序流程图

当系统处于0时，它的中断时长取决于当前的运行状态。在启动该系统之

前，我们需要ACK当前的状态，以便ACK是否需要维持运行。接着，我们需要

调整TH0和TL0的参数，以ACK系统的正常运行。之后，我们需要重新启动系

统，以便迎接下一次的中断。

通过调节当前步进电机的运行速度，我们能够调节其脉冲输出频率，从而

实现对步进电机转速和旋转方向的精确调节；此外，通过调节步进电机各个部

件之间的接点电压，我们还能够调节步进电机在各个部件上接点的次数，从而

实现对步进电机运行轨迹的精确调节。

开始

设置T0时间参数

判断转动方向YES

控制位的值

NO

有控制位查改变方向控

询输出脉冲制变量值

退出

图4电机控制中断程序流程图

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5产品使用说明

5.1产品装配图

ADC0809

ST89C51单片机

步进减速电机电机

晶振

ULN2003

电源开关

电源插座

LED

灯

图5产品装配图

5.2产品使用说明

电源连上电，按下电源开关，通过旋转电位器调节步进电机的旋转速度，4

个LED灯指示电机的转速频率，电位器转的越快LED灯闪烁越不明显，电位器

调到最大时LED灯不闪烁。

6、产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

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[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范。

7参考资料

[1]浅谈单片机的步进电机控制系统[J].袁红.科技展望.2016(31)

[2]基于89C51单片机的步进电动机控制系统设计[J].李美艳.电子设计工程.2014(23)

[3]基于单片机的煤矿步进电机驱动控制系统设计[J].李冰.煤矿机械.2014(05)

[4]基于AT89C52单片机的步进电机控制系统研究[J].何冲,王淑红,侯胜伟,牛慧文.电气技术.

2012(04)

[5]步进电机驱动控制系统的设计和实现[J].宰文姣;汪华章.煤矿机械,2013(07)

[6]基于STC89C51单片机的步进电动机的控制系统设计[J].马昊伟;董继先.煤矿机械,2012(07)

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附录

附录1元器件清单

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20移动互联二班叶依芸

DesignatorFootprintLibRefQuantity

C1C4*7DJDR1

C2,C3CAP-2.54CAP2

D1,D2,D3,D4LED3-RLED4

J1SIP5CON51

P1DC002POWER1

R11/4WRES21

R2,R3,R4,R51/4WRES24

R7RK16312POT21

S1SW-8X8X8SWITCH1

TTLSIP4CON41

U1DIP40STC89C52RC1

U2DIP16ULN20031

U3DIP28ADC08091

Y1XTAL-49/S_NJZ1

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