基于51单片机的步进电机控制系统设计

1、基于51单片机的步进电机控制系统设计中文摘要步进电机是一种可以接收和改变相应的或的电机。步进电机广泛应用于计算机外围电路、自动控制装置和其他数字控制装置，如打印机、钟表、数模转换设备等。因为它具有不积累步进误差、运行可靠、结构简单、惯性小和成本低的优点。随着科学技术的飞速发展，相应的控制系统也越来越多，步进电机在很多领域都有应用。其中，以单片机为控制核心的控制系统因其电路简单、成本低、可靠性强等优点得到了广泛的应用。因此，对基于单片机的步进电机控制系统进行了研究。本设计基于51单片机。通过单片机的输入输出端口，输出定时方波作为控制信号，该信号通过芯片ULN2003驱动步进电机按照不同的指令工作

2、。根据不同的需要，步进电机的启动和停止、正反转、加速和减速功能由按键电路控制，步进电机的工作状态实时显示在数码管上。文中给出了各模块的电路图，并用Proteus的ISIS软件对控制系统的各项功能进行了仿真，并给出了相应的仿真结果。关键词：单片机；步进电机；电机驱动。操纵系统摘要步进电机由脉冲信号控制，而脉冲信号可以转换成数字电机的相应角位移或线位移。由于步进电机具有步进误差不积累、可靠、结构简单、惯性小、成本低等优点，因此，被广泛应用于计算机外围电路、自动控制装置和其他数字控制装置，如打印机、钟表、数模转换设备等设备。随着科学技术的飞速发展，相应的控制系统也产生了多种类型的步进电机，在很多领域

3、都能看到身影。其中采用单片机作为控制系统的控制器，由于其电路简单、成本低、可靠性高等优点。为了满足许多领域的需要，我们得到了大量的利用。因此，基于单片机的步进电机控制系统具有重要的现实意义。本设计研究的是51单片机步进电机控制系统。作为控制信号，该信号通过单片机ULN2003驱动步进电机工作，通过单片机I/O口输出定时方波。根据需要，通过按键电路来控制步进电机的启动和停止、反转和斜坡等功能，实现步进电机的实时显示和数字工作状态。本文给出了各模块的电路图，并用ISIS Proteus软件对控制系统的各功能进行了仿真，并给出了相应的仿真结果图。关键词：微控制器；步进电机；电机驱动；操纵系统目录中文

4、摘要一抽象二1导言11.1步进电机及其发展过程11.2步进电机在中国的应用及前景21.3本设计的研究内容31.4步进电机的性能指标和工作原理31.4.1步进电机的特性31.4.2步进电机的类型41.4.3步进电机的主要性能指标51.4.4步进电机的工作原理61.5步进电机控制系统的原理82总体方案设计102.1设计理念的选择102.2单片机芯片的选择122.3驱动电机芯片12的选择2.4显示电路的选择132.5步进电机的选择133控制系统硬件电路设计153.1键盘控制电路153.2微控制器最小系统电路163.3数码管显示电路183.4步进电机驱动电路203.5步进电机的其他电路214控制系统软

5、件设计234.1主要程序流程图234.2阅读关键子程序24的流程图4.3关键处理子程序流程图254.4电机控制中断程序流程图265模拟和测试285.1模拟软件简介285.2模拟的操作步骤285.3电路板的焊接295.4电路板30的测试6结论和展望32谢谢你参考文献35附录：系统总电路图36系统模拟示意图37印刷电路板印刷图38原件清单39序列401导言1.1步进电机及其发展过程步进电机是一种可以接收和改变相应的或的电机。每次电源给电机输入电脉冲，电机就会前进一小步，旋转方式是步进，所以称之为步进电机。因为电源输入脉冲电压，所以它有时被称为脉冲电机。在步进电机的驱动能力范围内，其输出的角位移或线

6、位移与输入脉冲数成正比，不会因电源电压、负载和环境条件的变化而改变。因此，其输出角速度或线速度也与输入脉冲频率成正比。通过改变输入脉冲频率，可以调节步进电机的速度，控制步进电机的快速启动、暂停、正反转、加速和减速。步进电机广泛应用于计算机外围电路、自动控制装置和其他数字控制装置，如打印机、钟表、数模转换设备等。因为它具有不积累步进误差、运行可靠、结构简单、惯性小和成本低的优点。虽然步进电机近年来才得到广泛应用，但其工作原理早已被人们所研究。其中，最早可以追溯到法国的弗罗曼，他提出了将电磁铁的吸引力转化为力矩的方法。当时，激励相位的切换是通过机械凸轮的接触点来实现的，这是步进电机的初始原理模型。

7、后来，旋转线圈的应用方法逐渐出现。20世纪30年代以后，步进电机的应用逐渐开始，被称为步进电机。随着晶体管元件的快速发展，与之结合使用的步进电机也得到了快速发展和广泛应用。二极管半导体发展于1950年，金属氧化物半导体发展于1964年。特别是在1950年至1965年半导体材料迅速发展之后，由于低成本和高可靠性逻辑和数字电路的广泛应用，步进电机的使用急剧增加。多年来，随着电力电子技术、自动控制技术和计算机技术的飞速发展，步进电机系统，尤其是其驱动电路的不断发展，已经广泛应用于单片机控制、数控机床、绘图仪、打印机和光学仪器等领域。如今，继电动机和电动机被广泛使用之后，步进电动机已经成为生活中最常用

8、的一种。国内外围绕步进电机系统的研究已经做了大量的工作。图1-1步进电机1.2步进电机在中国的应用及前景我国对步进电机的研究和制造始于20世纪50年代。当时，一些大学和科研机构主要使用或开发与步进电机相关的产品。自20世纪70年代以来，大量产品在中国各地生产和使用，如北京、南京、江苏和浙江等省，其中驱动电路的半导体器件已经完全国产化。进入改革开放时代后，随着国外步进电机先进技术的进入，我国对其进行了大量的研究，开发了多种混合式步进电机及相应的驱动元件，并广泛应用于各个领域。到目前为止，我国在这一领域的理论研究相对成熟，逐渐形成了比较完善的基础理论和设计方法，产品类型也逐渐多样化，性能和参数也逐

9、渐达到甚至超过了国外同类产品的水平。但是，在国外大功率驱动工业设备中，只有少数要求高的设备会使用空心转子电机和交流电机；目前，大部分场合都使用DC电机代替大转矩步进电机。原因是通过比较驱动电路的成本、效率、系统惯性和最大转矩比，DC电机更合适。此外，还有一些已被广泛使用的低功率工业设备，如工业自动控制、数控机床、模块化机床、机器人、计算机外围设备、照相机和大型望远镜等。经过多年的发展，步进电机的应用越来越广泛，功能越来越强大，种类越来越多，相应的产品也越来越完善。步进电机以其显著的优势在工业生产和自动化控制中占有不可动摇的地位。我相信在不久的将来，随着科学技术的飞速发展，步进电机将被广泛应用于

10、更多的领域。1.3本设计的研究内容本设计研究了基于51单片机的步进电机控制系统。以单片机STC89C51为控制核心，通过启停、转向、加减速等四个按键控制步进电机的运行状态。四位数码管用于显示步进电机的转向和速度等级。本设计的硬件部分主要由、模块、模块、模块和模块组成。该产品的主要功能是：(1)5个按键控制整个电路，相应的功能有：启动/暂停、前进/后退、加速、减速和复位；(2)数码管显示正反转指示和电机转速水平；(3)有五个发光二极管灯，其中一个是电源指示灯，另外四个指示电机的速度水平。本设计的控制核心是利用软件控制单片机输出不同的脉冲信号，从而驱动步进电机进行相应的动作，显示不同的运行结果。同

11、时，为了使步进电机的运行状态更加直观，采用数码管显示电路进行实时显示。1.4步进电机的性能指标和工作原理本设计以STC89C51为控制单元，ULN2003为电机驱动芯片，以DC-5V步进电机为控制对象。通过五个按键的控制，改变输入脉冲的频率和数量，调节步进电机的正反转、加速、减速、暂停和复位功能，LED数码管的第一位和第二位显示速度等级，第四位显示步进电机的旋转方向。有五个发光二极管，其中一个是电源指示灯，另外四个指示电机的转速。1.4.1步进电机的特性从应用的角度来看，步进电机的基本要求如下：(1)步进电机在一系列脉冲信号的控制下，能够快速、平稳、稳定地实现启动、暂停、正反转、加速/减速等运

12、行模式；(2)为了提高精度，要求脉冲对应的位移小、准确、均匀。这就要求步进电机具有小的步距和高的步距精度，并且不能失步。要求步进电机具有较大的输出转矩，并能直接驱动负载工作(3)快速响应。也就是说，步进电机不仅需要快速启动、暂停和反转，还需要高速连续运行，以提高劳动生产率。.1.4.2步进电机的类型常用的步进电机有三种：(1)永磁步进电机永磁步进电机内部主要由定子和转子组成，也可以有两种形式，即转子采用永磁体，定子采用线圈；反之亦然。它的工作原理是由通电的定子线圈产生的磁场和转子永磁体产生的磁场，通过吸引或排斥的相互作用，产生旋转力矩，使其旋转。该电机具有励磁功率低、效率高、成本低、起动频率和

13、运行频率低、永磁体需求量大的特点。缺点是，由于永磁体之间的磁化距离不便于测量和控制，并且有许多因素受到影响，为了保持良好的效果，通常将步距角设置得更大无功步进电机，又称变磁阻步进电机，其转子磁路是由软磁材料制成的铁芯，而定子是由缠绕在铁芯上的励磁绕组线圈组成。其工作原理是磁性转子铁芯通过定子产生的脉冲磁场形成的吸引或排斥作用产生转矩，使其旋转。这种电机转子结构简单，转子直径小，有利于高速响应。这种电机具有效率低、起动和运行频率高、转子阻尼差、噪声高等缺点。它的优点是材料成本低，结构简单，阶梯角小。(3)混合式步进电机因为永磁体嵌入在电机的转子磁化器中，所以可以说它是永磁体型和可变磁阻型的组合。因此，它被称为混合式步进电机。混合式步进电机分为两相、三相和五相。由于其内部结构的特点，它具有永磁型和电抗型的优点，并具有输出转矩大、响应速度快、效率高和振动噪声低的优点。1.4.3步进