单片机的步进电机控制系统
Keywords: stepper motor ,microcontroller, ULN2003A目 录
Abstract II
1 引言 1
2 系统功能 2
3 工作原理 3
4 方案设计 4
4.1步进电机选用方案 4
4.2主控制部分选用方案 5
4.3驱动芯片选用方案 6
5 各单元的设计 9
5.1电路总体构成 9
5.2键盘单元 10
5.3步进电机驱动单元 11
5.4正、反转显示电路 12
5.5晶振 12
5.6 电源输入电路 12
6 程序设计 14
6.1 程序结构分析 14
6.2主程序 14
6.3 按键扫描子程序 15
6.4 步进电机转步程序 16
结 论 18
参 考 文 献 19
致 谢 20
附录一：程序 21
附录二：原理图 26
1 引言
数字电路的诞生使原本非常复杂的模拟电路变得简单，而且尤其在控制方面，数字电路更是突显优势。本文所设计的步进电机控制系统核心器件选择的就是51系列单片机AT89S52，通过它的控制实现对步进电机的控制。
步进电机有很多优点，首先这种电机的操作性能好，能够瞬间启动和停止，而不会像直流电机那样停止时会在惯性的作用下继续旋转；其次这种电机的内部的机械结构比较容易理解，而且因为是比较成熟的器件，所以出售的价位能够为大家所接受；再次步进电机控制上比较容易，常见的ULN2003N芯片即可实现对其的控制。步进电机被广泛的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
应用于各种场合。比如我们日常所使用的投影仪，在机械加工行业必不可少的数字控制机械，医院所使用的一些精密检测仪器。这些都应用了步进电机的技术。
由于单片机控制步进电机技术已经非常的成熟，本系统介绍这个题目的目的主要是说明单片机控制步进电机的硬件设计以及是如何通过编程的方法实现的等。
2 系统功能
该系统主要实现的是用单片机来控制步进电机的各种运行方式。
具体功能如下:
1. 设计控制步进电机系统的键盘，各按键有不同的功能。
2. 关于步进电机正向和反向运动操控。
3. 关于步进电机的即时运行和停止操作。
4. 关于步进电机的加速和减速运转操作。
5. 设置关于步进电机工作指示灯。
3 工作原理
为方便对步进电机的操作，设置了键盘电路，共设置了5个功能按键，分别实现对步进电机的加速，减速，正向旋转，反向旋转，停止的操作。为了方便查看步进电机当前旋转方向，加入了两只LED指示灯，当其正方向转动时，对应的LED灯工作，当其反向转动时，对应反向转动指示灯工作。该系统所选用的步进电机型号为28BYJ48，由于单片机引脚的驱动能力是有限的，无法直接驱动该电机，所以系统使用了专用的驱动芯片ULN2003A，该系统的具体结构框图如下图所示。
图3-1设计框图
4 方案设计
4.1步进电机选用方案
我使用的步进电机型号：28BYJ48。它是一种减速步进电机。我们设计中使用的DC5V电压即能驱动其转动。如果想使其连续不断的转动，则需要给其一个连续的脉冲信号。控制电路每产生一个脉冲信号，都会导致四相接线中某一或两项电平信号变化。从而使步进电机改变一定的角度。步进电机的两种一般运行方式：1.四相四拍制2.四相八拍制，它的具体驱动方式如下表所示。
表4-1 驱动方式
导线颜色 1 2 3 4 5 6 7 8
5红 + + + + + + + +
4橙 - - -
3黄 - - -
2粉 - - -
1蓝 - - -
图4-1 28BYJ-48步进电机
4.2主控制部分选用方案
我使用的是AT89S52，它的生产厂商为美国的ATMEL公司，这个芯片的特点主要是耗电量非常低，适合某些低功耗的场合，而且它是一种集成芯片，所以综合性能好 。由于近年来单片机技术的高速发展，使得它的生产成本也不断降低，由于它的高性能及低成本，得到许多编程者和企业的钟爱，从而也使其在各行各业得到了比较广泛的应用。
AT89S52的处理位数为8 位，属于微处理器范畴，内置了标准的51内核，它的引脚封装定义兼容C51单片机。它的各引脚定义详见图4-2。
主要特征介绍：
包含了C51的指令系统
有8K的存储空间
使用时限很长，可反复使用程序次数多达1000
在电压4.0－5.5（V）之间能够正常工作
全静态工作模式：0Hz-33MHz
提供4个数据口P0-P3
内部有2个定时计数器
可对6个中断进行处理
不工作状态下，耗电很少
可以在线进行编程
图4-2 AT89S52单片机引脚图
4.3驱动芯片选用方案
我使用的是ULN2003芯片，它是一种高耐压、大电流复合晶体管IC，它是通过七个硅NPN 复合晶体管的组合而成。
ULN2003：一般用于单片机、智能仪表、PLC等电路中。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。
??????ULN2003A引脚图及功能：
图4-7 ULN2003引脚图
ULN2003是一种非常耐高压的驱动芯片。ULN2003 工作电压和电流均是很高，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。ULN2003 的封装采用DIP—16 或SOP—16 。ULN2003最多能够使7个继电器工作,特性是在很高的电压下输出。
5 各单元的设计
5.1电路总体构成
主要由单片机最小系统，关于步进电机的驱动电路，键盘的电路，晶振和发光二极管显示电路组成。
各部分的主要功能为：
单片机最小系统：主要起控制作用。操作者通过键盘电路将控制信号传递给单片机，单片机对该信号进行采集并发出相应的指令到步进电机驱动电路，使步进电机产生相应的动作。
步进电机驱动电路：本电路采用一只ULN2003芯片对其进行驱动。
图5-5晶振电路原理图
5.6 电源输入电路
本设计中主要元器件AT89S52的要求供电电压为4.0-5.5V，ULN2003的最高输入电压可以30V，采用的是5V的步进电机，故本设计采用直接由电脑的USB口进行供电。其电路如图5-6所示。
参 考 文 献
[1]曹巧媛主编. 单片机原理及应用(第二版). 北京:电子工业出版社,2002
Abstract II
1 引言 1
2 系统功能 2
3 工作原理 3
4 方案设计 4
4.1步进电机选用方案 4
4.2主控制部分选用方案 5
4.3驱动芯片选用方案 6
5 各单元的设计 9
5.1电路总体构成 9
5.2键盘单元 10
5.3步进电机驱动单元 11
5.4正、反转显示电路 12
5.5晶振 12
5.6 电源输入电路 12
6 程序设计 14
6.1 程序结构分析 14
6.2主程序 14
6.3 按键扫描子程序 15
6.4 步进电机转步程序 16
结 论 18
参 考 文 献 19
致 谢 20
附录一：程序 21
附录二：原理图 26
1 引言
数字电路的诞生使原本非常复杂的模拟电路变得简单，而且尤其在控制方面，数字电路更是突显优势。本文所设计的步进电机控制系统核心器件选择的就是51系列单片机AT89S52，通过它的控制实现对步进电机的控制。
步进电机有很多优点，首先这种电机的操作性能好，能够瞬间启动和停止，而不会像直流电机那样停止时会在惯性的作用下继续旋转；其次这种电机的内部的机械结构比较容易理解，而且因为是比较成熟的器件，所以出售的价位能够为大家所接受；再次步进电机控制上比较容易，常见的ULN2003N芯片即可实现对其的控制。步进电机被广泛的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
应用于各种场合。比如我们日常所使用的投影仪，在机械加工行业必不可少的数字控制机械，医院所使用的一些精密检测仪器。这些都应用了步进电机的技术。
由于单片机控制步进电机技术已经非常的成熟，本系统介绍这个题目的目的主要是说明单片机控制步进电机的硬件设计以及是如何通过编程的方法实现的等。
2 系统功能
该系统主要实现的是用单片机来控制步进电机的各种运行方式。
具体功能如下:
1. 设计控制步进电机系统的键盘，各按键有不同的功能。
2. 关于步进电机正向和反向运动操控。
3. 关于步进电机的即时运行和停止操作。
4. 关于步进电机的加速和减速运转操作。
5. 设置关于步进电机工作指示灯。
3 工作原理
为方便对步进电机的操作，设置了键盘电路，共设置了5个功能按键，分别实现对步进电机的加速，减速，正向旋转，反向旋转，停止的操作。为了方便查看步进电机当前旋转方向，加入了两只LED指示灯，当其正方向转动时，对应的LED灯工作，当其反向转动时，对应反向转动指示灯工作。该系统所选用的步进电机型号为28BYJ48，由于单片机引脚的驱动能力是有限的，无法直接驱动该电机，所以系统使用了专用的驱动芯片ULN2003A，该系统的具体结构框图如下图所示。
图3-1设计框图
4 方案设计
4.1步进电机选用方案
我使用的步进电机型号：28BYJ48。它是一种减速步进电机。我们设计中使用的DC5V电压即能驱动其转动。如果想使其连续不断的转动，则需要给其一个连续的脉冲信号。控制电路每产生一个脉冲信号，都会导致四相接线中某一或两项电平信号变化。从而使步进电机改变一定的角度。步进电机的两种一般运行方式：1.四相四拍制2.四相八拍制，它的具体驱动方式如下表所示。
表4-1 驱动方式
导线颜色 1 2 3 4 5 6 7 8
5红 + + + + + + + +
4橙 - - -
3黄 - - -
2粉 - - -
1蓝 - - -
图4-1 28BYJ-48步进电机
4.2主控制部分选用方案
我使用的是AT89S52，它的生产厂商为美国的ATMEL公司，这个芯片的特点主要是耗电量非常低，适合某些低功耗的场合，而且它是一种集成芯片，所以综合性能好 。由于近年来单片机技术的高速发展，使得它的生产成本也不断降低，由于它的高性能及低成本，得到许多编程者和企业的钟爱，从而也使其在各行各业得到了比较广泛的应用。
AT89S52的处理位数为8 位，属于微处理器范畴
主要特征介绍：
包含了C51的指令系统
有8K的存储空间
使用时限很长，可反复使用程序次数多达1000
在电压4.0－5.5（V）之间能够正常工作
全静态工作模式：0Hz-33MHz
提供4个数据口P0-P3
内部有2个定时计数器
可对6个中断进行处理
不工作状态下，耗电很少
可以在线进行编程
图4-2 AT89S52单片机引脚图
4.3驱动芯片选用方案
我使用的是ULN2003芯片，它是一种高耐压、大电流复合晶体管IC，它是通过七个硅NPN 复合晶体管的组合而成。
ULN2003：一般用于单片机、智能仪表、PLC等电路中。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。
??????ULN2003A引脚图及功能：
图4-7 ULN2003引脚图
ULN2003是一种非常耐高压的驱动芯片。ULN2003 工作电压和电流均是很高，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。ULN2003 的封装采用DIP—16 或SOP—16 。ULN2003最多能够使7个继电器工作,特性是在很高的电压下输出。
5 各单元的设计
5.1电路总体构成
主要由单片机最小系统，关于步进电机的驱动电路，键盘的电路，晶振和发光二极管显示电路组成。
各部分的主要功能为：
单片机最小系统：主要起控制作用。操作者通过键盘电路将控制信号传递给单片机，单片机对该信号进行采集并发出相应的指令到步进电机驱动电路，使步进电机产生相应的动作。
步进电机驱动电路：本电路采用一只ULN2003芯片对其进行驱动。
图5-5晶振电路原理图
5.6 电源输入电路
本设计中主要元器件AT89S52的要求供电电压为4.0-5.5V，ULN2003的最高输入电压可以30V，采用的是5V的步进电机，故本设计采用直接由电脑的USB口进行供电。其电路如图5-6所示。
参 考 文 献
[1]曹巧媛主编. 单片机原理及应用(第二版). 北京:电子工业出版社,2002
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