1、目 录前 言 .11 选题背景 .31.1 课题背景 .31.2 研究的目的和意义 .31.3 课题研究的内容 .42 方案论证 .52.1 单片机的介绍 .52.2 步进电机的介绍 .102.3 仿真软件的介绍 .152.4 驱动电路的选择 .162.5 显示电路的选择 .173 设计或实验过程论述 .183.1 硬件电路的设计 .183.2 软件部分 .234 基于 AT89C51 的步进电机控制系统的实现 .274.1 系统的故障及调试 .274.2 设计结果 .275 总结与展望 .295.1 总结 .295.2 展望 .29参考文献 .30基于单片机的步进电机控制系统设计摘 要：步进
2、电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，广泛应用在各种自动化控制系统。本设计以 AT89C51 单片机为核心，对步进电机进行控制，通过按键实现步进电机正转、反转、加速、减速，并使用 LED 显示电机速度。经过 PROTEUS 仿真和硬件焊接，结果表明，系统实现了要求。该电路简单，可靠性强，运行稳定。关键词：AT89C51；ULN2003；LED；步进电机中图分类号:TM356Design of Mcu-based Control System for Stepping MotorAbst
3、ract :Stepping motor is the open loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.In the overload situation, the speed of motor, stop position depends only on the pulse signal frequency and pulse number, regardless of load changes,and it is wi
4、dely used in all kinds of automatic control system.This design is based on AT89C51 microcontroller as the core to control stepping motor.Through the keys,the foreward,reversal,acceleration,deceleration functions are implemented and use LED to show speed of motor.After the simulation results by Prote
5、us software and the hardware is welded,the results show that the require has come true by the system.This circuit is simple,its reliability,stable operation1.Key words:AT89C51；ULN2003 ；LED ；stepping motor 1基于单片机的步进电机控制系统设计前 言单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、
6、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。 同时用单片机还可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作
7、中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命 2。 步进电机作为执行元件，是机电一体
8、化的关键产品之一，随着工业自动化的发展，步进电机的应用也越来越广泛，广泛应用在各种自动化控制系统中。步进电机是一种用于开环控制的驱动元件。它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机。步进电机作为电机的一种，可以靠开路控制做精确的定位，因此普遍应用于电脑的外设及工业生产的自动化机具设备中，如 NC 车床、切割机，此外机2器人的各个关节控制也大量的使用步进电机。近些年来，由于步进电机的控制精度不断提高，越来越多有较高控制精度要求的系统也开始采用步进电机。对于小功率步进电机,一般采用单片机与专用步进电机驱动器联合工作的方式，单片机产生脉冲,控制停启、正反转，变速等,专
9、用步进电机驱动器则进行脉冲环形分配及功率驱动。步进电动机突出的优点是它可以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，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可，步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度因此在众多领域有着极其广泛的应用。研制一种高性价比步进电机驱动器及其控制系统具有重要的意义 3。本次毕业设计选用的步进电机是两相步进电机，通过软件和硬件的结合，使用按键控制步进电机的复位、正转、反转、加速、减速功能，并且将步进电机所处的状
10、态用相应的发光二极管显示。主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分的设计，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而控制转动的角度；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的加速度，从而达到调速的目的。 本次论文分为六章，第一章是选题背景，主要探讨了课题背景、目的和课题研究内容；第二章是方案论证，探讨了器件的选择和方案的确定；第三章是设计的过程，说明了硬件和软件设计的设计过程；第四章是系统的实现，阐述了实验的结果；第五章是总结和展望。通过五章的描述，详细介绍了此次毕业设计的内容、方法、以及设计中遇到的问题和解决问题的途径，得出满意的结果。1、选题背景1.1、课题背景3步进电
11、机是自动控制系统中常用的执行部件。步进电机的输入信号为脉冲电流 ,它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移 ,因而步进电机可看作是一个串行的数 /模转换器。由于步进电机能够直接接受数字信号 ,而不需数 /模转换,所以使用微机控制步进电机显得非常方便。步进电机有以下优点:(1)通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制;(2)位置误差不会积累;(3)与数组设备兼容 ,能够直接接收数字信号;(4)可以快速启停。步进电机的品种规格很多,按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式 (也称反应式或变磁阻式 )电机、 混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。步进电机不需位移传感器就可精确定位
12、,所以在精确定位系统中应用广泛。目前打字机、计算机外部设备、数控机床、传真机等设备都使用了步进电机。随着电子计算机技术的发展 ,步进电机必将发挥它的控制方便、 控制准确的特点 ,在工业控制等领域取得更为广泛的应用 4。1.2、研究的目的和意义1.2.1、研究的目的综合运用所学的单片机原理与应用理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力，以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。在设计的过程中，熟悉并掌握单片机的结构和使用方法，了解步进电机的内部结构以及工作过程，将二者有机地结合起来，
13、实现要求的结果，锻炼自己的软件编程和硬件焊接的能力。1.2.2、研究的意义步进电机是用脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成和相应的角位移或线位移的为电动机，他突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速启停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及4其控制系统具有十分重要的意义。1.3、课题研究的内容本论文所选的步进电机是两相五线步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。步进电机是一种
14、将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转、加减速，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的特点，广泛应用于宏开环控制。2、方案论证2.1、单片机的介绍2.1.1、单片机的概述单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器（MCU
15、），它的出现是计算机发展史上的一个重要里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一。经过20多年的推广与发展，51系列单片机形成了以个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍接受及应用，51单片机的发展又进入了以个新的阶段。许多专用功能芯片的内核集成了51单片机，与51系列单片机兼容的微控制器以IP核的方式不断地出现在FPGA的片上系统中。今年来，基于51单片机的嵌入式实时操作系统的出现与推广，表明了51系列单
16、片机在今后的许多年中依然会活跃如故，而且在很长一段时间中将占据嵌入式系统产品的低端市场。单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入输出（I/O）接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块芯片上，组成单片微型计算机，简称单片机。也就是说单片机是集成在一块芯片上的计算机，其功能之强大，在实际应用中常常完全融入应用系统中，所以单片机也称为嵌入式控制器（Embedded 5Microcon troller）。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无处不为”。
17、单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿结构或称为冯诺依曼结构。另一种是将程序和数据存储器截然分开而分别寻址的结构，称为哈佛（Har-vard）结构。目前的单片机采用哈佛结构的较多。按数据总线的宽度，单片机分为4位、8位、16位以及32位等。2.1.2、单片机的特点单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),简称单片计算机.就是将CPU,RAM,ROM,定
18、时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机.其主要特点如下:（1）片内存储容量较小:原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB.（2）可靠性高:因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机.系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏.许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠.（3）便于扩展:片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统.（4）控制功能强:具有丰富的控制指令:如
19、:条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令.（5）实用性好:体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.2.1.3、单片机的应用领域6目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大
20、致可分如下几个范畴：（1）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（2）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（3）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼
21、叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（4）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途 5。2.1.4、单片机的选择方案一：采用凌阳单片机。他具有以下特点：体积小 ，集成度高，可靠性好易于扩展，采用 COMS 制造工艺，功耗低，工作电压范围大，并且能在较低的电压下工作，且能用电池供电，内置 2K SRAM,32K FLASH,丰富的中断源，具有较强的中断处理能力，强大的语音功能，可以
22、语音读出测得的电压，以及当电压超过测量范围时，可以语音提示，具有人性化，但是他的价格昂贵，不利于提高作品的性价比。方案二、采用 51 系列的单片机。51 系列单片机应用很广泛，集成度高，可靠性强，7图 2.1 单片机芯片系统结构简单，价格低廉，易于使用等等优点，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，他的功能已完全能够实现本设计的要求。由于此次设计需要完成的功能不多，要求在尽量节约成本的条件下完成设计，因此从各方面进行综合考虑，最终选用 AT89C51 单片机。2.1.5、AT89C51 简介AT89C51 的主要参数如表 1-1 所示：表 1-1
23、AT89C51 的主要参数型号 存储器E2PROM ROM RAM定时器 I/O 串行口 中断 速度（MH）其他特点89C51 4K 128 2 32 1 6 24 低电压AT89C51 含 E2PROM 电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E2PROM 中的程序被非法复制，不用紫外线擦除，提高了编程效率，程序存储器 E2PROM 容量可达 20K 字节。AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。
24、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。AT89C 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。外形及引脚排列如图：8主要特性：（1）与 MCS-51 兼容； （2）4K 字节可编程 FLASH 存储器；（3）寿命：1000写/擦循环
25、；（4）数据保留时间：10 年；（4）全静态工作：0Hz-24MHz；（5）三级程序存储器锁定；（6）1288 位内部 RAM；（7）32 可编程 I/O 线；（8）两个 16 位定时器/计数器；（9）5 个中断源；（10）可编程串行通道；（11）低功耗的闲置和掉电模式；（12）片内振荡器和时钟电路。特性描述：AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可
26、选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。管脚说明：V CC： 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。P
27、1 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，P1 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 TTL 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。
