步进电机

摘要：介绍了步进电动机的发展史,及国内的现状和步进电动机未来的应用前景。并且阐述了步进电动机转速、角度、转矩的控制原理。本文阐述了一种步进电机控制器的设计方案，并绘制了原理图和PCB板图，撰写了程序源代码。实现了对步进电动机转速、角度的控制，并完成了实物的制作。这期间主要使用protel99se软件绘制原理图和制板，使用proteus7.1软件进行程序代码的仿真和功能的理论验证。最后通过硬件的调试验证程序代码的实际功能，完成对控制器的设计。

关键词：步进电动机；控制器。

Abstract：Introduction step enter electric motor of development history, and local present condition and step enter electric motor future of application foreground.And elaborated a step to enter electric motor to turn soon, angle, turn Ju of control principle.This text elaborated a kind of step enter electrical engineering controller of design project, and drew principle diagram and PCB plank diagram, composed a procedure source a code.Realization to step enter the electric motor turn soon, angle of control, and completion real object of creation.This period main usage the protel 99 se the software draw principle diagram and make plank, usage proteus 7.1 softwares carry on an imitate of procedure code true with the theories of the function verification.The end experiment certificate procedure a code through an adjust of hardware of actual function, completion design controller.

Key words：Stepper Motor; Controller.

目录

绪论v (3)

第一章步进电机概述v (3)

1.1 步进电机发展史 (3)

1.2 步进电机的应用前景 (4)

1.3步进电机的特点 (4)

1.4步进电机的工作原理 (5)

第二章步进电机的总体设计 (5)

2 .1 功能要求 (5)

2 . 2基本方案的确定 (5)

第三章系统硬件电路的设计 (6)

3.1单片机的选择 (6)

3 . 2 AT89C51引脚及简单说明 (7)

3 .3 驱动电路的设计 (9)

3.4 LCD (10)

3 . 4.1液晶显示器工作原理 (10)

3.4.2LCD1602 (11)

第四章系统软件程序的设计 (12)

4.1 程序要求 (12)

第五章系统调试 (12)

5.1实物实现 (12)

参考文献 (12)

附录 (13)

主程序 (13)

仿真图 (19)

总结 (20)

绪论

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机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、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。

本设计通过AT89C51单片机对步进电机进行控制,主要介绍了步进电机控制器、驱动电路和LED显示电路的设计,实现了步进电机的控制。该系统具有成本低、控制方便的特点。

第一章步进电机概述

1.1步进电机发展史

步进电机又称电动机或阶跃电动机，国外一般称为 Step motor或Stepping motor 等。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步

进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。

20世纪60年代后期，随着永磁性材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近30年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。

1.1.1我国步进电机发展

我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。1．2步进电机的应用前景

目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。步进电机必然会成为机电一体化元件组件的必然趋势。由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器，并结合Atmega16L单片机可以构成很好的步进电机控制系统。

1.3 步进电机的特点

1）一般步进电机的精度为步进角的3-5% ，且不累积。

2）步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3）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。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

1.4 步进电机的工作原理

步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相位移的电机，其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电机运转的速度，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，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。

第二章步进电机的总体设计

2.1功能要求

1.有三个键盘，分别可以进行启/停、正/反转、转速选择的参数设置。启/停按钮：低电平启动，高电平停止；正/反转按钮：高电平正转，低电平反转；

2.转速按钮：每按一次转速按钮，就切换一个转速，总共有三个转速可以切换。这三个键盘的设置情况都可以在液晶显示器上显示出来。

3. 键盘设计要求A系统启停按键：启动和停止步进电机。B系统正反转按键：控制步进电机正反转。C转速设置按键：步进电机转速设置。D复位按键：完成单片机系统复位。

2 . 2基本方案的确定

因本次设计的要求，选用步进电机，单片机选用89C51作为控制器，选取用LCD1602以显示电机转速,选用ULN2003A作为步进电机的驱动芯片。系统设

计总体框图如下所示：

图2-2系统设计总体框图

第三章 系统硬件 电路的设计

3 .1 单片机的选择

本次设计以 CPU 选用 89C5l 作为步进电机的控制芯片。89C51 的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上。使用方便等优点，而且完全兼容 MCS5l 系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM — FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory ）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，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。

3.2AT89C51的引脚及简单的引脚说明

ALE/PROG XTAL 2P3.5/T 1P3.4/T 0P3.3/INT P3.2/INT P3.1/TXD P3.0/RXD RST/V PD P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0XTAL 1

V SS

P0.0V CC

P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1PP /EA PSEN P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

图3-2 单片机的引脚图

VCC （40脚）：供电电压。 GND （20脚）：接地。

XTAL1（19脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2（18脚）：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

RST （9脚）：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG （30脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据

存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN（29脚）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP（31脚）：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

P0口（32-39脚）：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P1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/地址的第八位。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外部必须被拉高。

P1口（1-8脚）：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口作为第八位地址接收。

P2口（21-28脚）：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（10-17脚）：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。

3.3驱动电路的设计

由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003A放大再连接到相应的电机接口，ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。

ULN2003A引脚图

图3-3ULN2003A

3 .

4 LCD

3.4.1 液晶显示器工作原理

LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。

LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。

LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。

然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。

从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD 显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入

包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

3.4.2 LCD1602

所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。图4 是SMC1602主要技术参数及引脚功能图，字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。

1602主要技术参数及引脚功能

第四章系统软件程序的设计

4.1程序要求

1.有三个键盘，分别可以进行启/停、正/反转、转速选择的参数设置。启/停按钮：低电平启动，高电平停止；正/反转按钮：高电平正转，低电平反转；

2.转速按钮：每按一次转速按钮，就切换一个转速，总共有三个转速可以切换。这三个键盘的设置情况都可以在液晶显示器上显示出来。

3. 键盘设计要求A系统启停按键：启动和停止步进电机。B系统正反转按键：控制步进电机正反转。C转速设置按键：步进电机转速设置。D复位按键：完成单片机系统复位。

主程序见附录。

第五章系统调试

5.1 实物实现

插上C51芯片通电，按下启动按钮灯正转，切换按钮反转，按下调速按钮灯速转变，数码管显示正反转和速度。

参考文献

1. 李朝青. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社. 2006

2．胡占齐、杨莉. 机床数控技术. 机械工业出版社. 2010

3．于晓东. 51 系列单片机丛书80C51 单片机原理、开发与应用实例. 中国电力

出版社. 2008

4．郑锋. 51 单片机应用系统典型模块开发大全. 中国铁道出版社. 2010

附录：主程序

#include "reg51.h"

#include "intrins.h"

#include "absacc.h"

#define busy 0x80

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit RS=P2^3;

sbit RW=P2^4;

sbit E=P2^5;

sbit KEY1=P2^0;

sbit KEY2=P2^1;

sbit KEY3=P2^2;

uchar code tab[8]={0x02,0x06,0x04,0x0C,0x08,0x09,0x01,0x03}; uchar temp;

void delay(uchar k)

{

uint i,j;

for(i=0;i

{

for(j=0;j<60;j++)

{;}

}

}

void test_1602busy()

{

P0=0xFF;

RS=0;

RW=1;

_nop_();

_nop_();

while(P0&busy)

{ E=0;

_nop_();

E=1;

_nop_();

}

E=0;

}

void write_1602Command(uchar co) { test_1602busy();

RS=0;

RW=0;

E=0;

_nop_();

P0=co;

_nop_();

E=1;

_nop_();

E=0;}

void write_1602Data(uchar Data) { test_1602busy();

P0=Data;

RW=0;

E=1;

_nop_();

E=0;

}

void init_1602(void)

{

write_1602Command(0x38);

delay(5);

write_1602Command(0x01);

delay(5);

write_1602Command(0x06);

delay(5);

write_1602Command(0x0F);

delay(5);

write_1602Command(0x0C);

}

void DisplayOneChar(uchar X, uchar Y, uchar DData) {

Y&=1;

X&=15;

if(Y)X|=0x40;

X|=0x80;

write_1602Command(X);

write_1602Data(DData);

}

void display_1602(uchar *DData,X,Y) {

uchar ListLength=0;

Y&=0x01;

X&=0x0F;

while(X<16)

{

DisplayOneChar(X,Y,DData[ListLength]); ListLength++;

X++;

}

}

void main()

{

uchar i=0;

uchar delay_v=100;

uchar flag=0;

P1=0xFF;

P2=0xFF;

init_1602();

display_1602("STA: SPD: ",0,0); display_1602("RUN: ",0,1); while(1)

{ if(KEY2==1) DisplayOneChar(4,0,'Z'); else DisplayOneChar(4,0,'F');

if(KEY3==0)

{ i++;

i=i%3;

while(KEY3==0)

{;}

}

switch(i)

{ case 0:delay_v=100; DisplayOneChar(13,0,'1');break; case 1:delay_v=75; DisplayOneChar(13,0,'2');break; case 2:delay_v=100; DisplayOneChar(13,0,'3');break; } if(KEY1==0)

{

display_1602(" RUN:on ",0,1);

if(flag==0)

{ if(KEY2==1)

{temp=0;

P1=tab[temp];

flag=1;

delay(delay_v);

}

if(KEY2==0)

{ temp=6;

P1=tab[temp];

flag=1;

delay(delay_v);

}

}

if(KEY2==1)

{ temp++;

if(temp==8)

{ temp=0;}

P1=tab[temp];

delay(delay_v);

}

if(KEY2==0)

{ temp--;

if(temp==0xFF)

{ temp=7;}

P1=tab[temp];

delay(delay_v);

}

}

else display_1602(" RUN:off ",0,1); }

}

仿真图

总结

经过为期一学期的学习和努力，本次设计顺利完成，具体结论如下：

通过此次实训我学会了很多，也懂得的很多。通过实训我又一次了解了微控制器原理，掌握了仿真和keil软件。实训的前期我们没有买芯片和元器件所以我们先仿真和编程序，在这期间我们同学增进了友谊，更加团结友好了，互相讨论、互相帮忙很快的成功了实现了仿真成功。

后面几天我们都在焊实物，元器件的排版真的考我们的，因为排版好不好关系着我们怎么焊锡，焊锡的方不方便，接线的漂亮与否。

在接线的过程中我们遇到了很多麻烦，因为此次实训的元器件都是我们掏班费买的，线，是那种很细的那种线，不过有一个好处就是它不用上锡，但是剥线特别不容易，不用劲的话皮剥不掉，用劲太猛的话线就断了。实在是考验人的一种技术，还好我有剥线钳，借用她们的剪刀剥线接线成功后时不时就不是这根线断了就是那根线断了，人都要疯了。

在接线成功后，插上C51芯片通电调试，先是灯不亮，然后是数码管不亮，后来知道了原因，按了复位按钮交通灯调试成功，但是数码管始终只亮一个，我拼命的寻找原因，检查电路。接线完美，没有任何错误，实在找不到原因。后来我只有寻求帮助，可始终找不着原因，突然间发现也有人跟我有一样的错误，后来我们互相交换见解互相检查，后来才知道原来上拉电阻是区别的，经过改良过后实物通电调试成功。让我知道同学间互相帮助，知识共享很重要，交流意见会让自己长知识。

之后的步进电机的通电调试就非常简单，在交通灯的基础上简单的添加线就可以轻松的实现。实训让我收获最大的还是勤思考，互相帮助，知识共享很重要，主动学习会让人进步。