单片机的步进电机控制系统的设计
目 录
引言 1
（一） 步进电机控制系统发展现状 1
（二） 国内外研究现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
一、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 主控核心的选择 2
（二） C51单片机介绍 3
（三） 步进电机概述 4
（四） 步进电机驱动器概述 5
（五） LCD1602液晶显示器介绍 6
二、 硬件系统设计 7
（一） 硬件系统总体描述 7
（二） C51单片机最小系统构建 7
（三） 步进电机及其驱动电路设计 9
（四） LCD1602液晶显示器电路设计 9
（五） 按键电路设计 10
三、 软件系统设计 11
（一） 主程序流程设计 11
（二） 步进电机工作流程图设计 12
（三） LCD1602显示流程设计 12
四、 仿真系统设计 13
总结 18
参考文献 19
致谢 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 程序 23
引言
步进电机控制系统发展现状
科学技术发展到今天这种阶段，许多场合离不开精准的位移和速度控制，比如打印机、切割机以及纺织机中都离不开步进电机的配合。步进电机是一种产生精确速度和位移量的一种电机，它和直流电机最大的不同是，直流电机的速度和其两端所施加的直流电压成正比，而旋转的角度得不到控制，并且随着负载的加重直流电机的转速会下降；而步进电机的速度由其所接收到的脉冲信号频率所决定，电脉冲的频率越低那么旋转速度则越慢，频率越高那么越快，但是输入的信号频率不能超过电机的额定上限，否则电机将不能正常工作，出现“丢步”等异常现象，步进电机所旋转的角度和所输入的脉冲数成正比，输入的脉冲数越高则旋转的角度越多，从而产生的位移也就越大，这是直流电机做不到的。另外步进电机的转速在负载不超标的情况下不会受到负载变化而改变，正常情况下只与电脉冲频率有关系，直流电机的转向受其两端所加的电压极性所影响，而步进电
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
低那么旋转速度则越慢，频率越高那么越快，但是输入的信号频率不能超过电机的额定上限，否则电机将不能正常工作，出现“丢步”等异常现象，步进电机所旋转的角度和所输入的脉冲数成正比，输入的脉冲数越高则旋转的角度越多，从而产生的位移也就越大，这是直流电机做不到的。另外步进电机的转速在负载不超标的情况下不会受到负载变化而改变，正常情况下只与电脉冲频率有关系，直流电机的转向受其两端所加的电压极性所影响，而步进电机的转向受它所接收到的电脉冲信号的顺序所影响。
步进电机和直流电机的不同之处是直流电机只要通上电就能转，而步进电机作为一种感应元器件，其靠内部特殊的电子线路将施加的直流电源转变成分时供电的电源，从而为其内部的多个线圈供电，其内部的转子只有在这种分时供电的电流下才能正常的转动，而控制电流流通的方式则完全由输入的电脉冲信号决定，所以在使用步进电机时，供电之后只要控制电脉冲信号的频率、个数以及顺序即可。
步进电机在科学技术如此发达的今天已经在多种领域中得到了广泛的应用，但是值得注意的是步进电机并不像直流电机那样容易使用，几乎每个玩四驱赛车的小学生都知道直流电机只要两节电池供电就能让它转动，然而步进电机却没那么简单，不仅要供电，更要由控制器产生控制脉冲，要想让步进电机正常的工作，使用者必须掌握电子、机械以及单片机等多门学科才行，步进电机是机电一体化概念的一个最好的体现。
国内外研究现状
目前对于利用步进电机控制系统研究的课题在国内外非常火热，因为步进电机在越来越多的场合得到了应用。纵观目前国内外对于该课题的研究现状来看，它所表现出的趋势是设备小型化、高精度化、高稳定性以及嵌入化，嵌入化和小型化是一致的概念，目前国外主要将精力放在如何提高步进电机控制系统的稳定性上，以此来解决步进电机每一步之间的抖动弊端；而在国内，研究者主要是研究如何提高步进电机的最大速度，由于步进电机的最大速度较低，因此它只能应用于一些低速场合，而在一些高速转动场合，步进电机将不能发挥其优异的特点，因此研究者正在改进步进电机的结构，以此来提高步进电机的速度。
本文主要研究内容
本文主要从实际出发，本着对步进电机控制灵活、操作方便简单以及能够实现正反转以及加速等功能为目标，通过对硬件结构的搭建和软件程序的调试，设计出了一个具有实用价值的步进电机控制系统。在硬件上通过对主控芯片的以及外围模块的选择，考虑到了C51单片机内部结构的优异特点，并且程序代码使用C语言构建，在软件上主要是对代码编写平台的安装和代码调试，由于C51单片机是经过大学学习后比较熟悉的一款单片机，因此给设计过程带来了方便。为了更加清晰地描述设计过程，本文主要通过对硬件模块电路的设计和软件流程进行两个渠道的阐述。
一、方案选择及元器件介绍
（一）主控核心的选择
方案一：选择学生群体使用最多的C51单片机作为本系统的主控核心，由于在大学期间对于C51单片机具有较为系统的学习，其内部，，的结构原理、模块组成以及程序编写，已经掌握了一套较为熟悉的流程，因此能够为本设计的顺利完成奠定夯实的基础。另外C51单片机内部已经集成了一个容量为4K的加密型FLASH和一个大小为128字节的RAM，足以够本系统的使用，再者C51单片机内部的两个8位定时器在经过简单的寄存器配置后，能够灵活的在本系统中提供精准的定时，为一些需要精准时基的地方提供帮助。根据C51单片机的资料显示，其P3.2和P3.3两个管脚带有中断功能，如果按键接在这两个管脚上，经过中断服务程序，能够方便的配置程序代码的运行。虽然目前市面上C51单片机的生产厂家众多，目前使用最多的是美国ATMEL公司生产的AT89C51和中国宏晶公司生产的STC89C51单片机，这两款单片机目前已经占据了C51单片机市场的主要份额，虽然生产厂家不同，然而这些C51单片机都可以相互替代，在使用上几乎没有任何区别，这也是使用C51单片机作为系统核心的另一个优点。
方案二：选择意大利意法半导体（SST）公司推出的STM32系列单片机作为主控核心，STM32单片机的最大特色是采用了ARM结构作为内核，其32位的总线宽度使得它在处理一些数据时能够表现出更大的优势，由于采用ARM内核，因此这种类型的单片机被业内人士称之为微处理器，同MCU有较大区别。STM32系列的低端芯片的主频就已经达到了72M，高端系列能够达到168M，由于片内集成了高性能的锁相环（PLL），所以采用精度较高的低频晶振（8M）就可以给芯片提供时钟信号，经过锁相环的作用，能够将频率倍频到72M甚至更高。STM32采用了Cortex-M3或者Cortex-M4作
引言 1
（一） 步进电机控制系统发展现状 1
（二） 国内外研究现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
一、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 主控核心的选择 2
（二） C51单片机介绍 3
（三） 步进电机概述 4
（四） 步进电机驱动器概述 5
（五） LCD1602液晶显示器介绍 6
二、 硬件系统设计 7
（一） 硬件系统总体描述 7
（二） C51单片机最小系统构建 7
（三） 步进电机及其驱动电路设计 9
（四） LCD1602液晶显示器电路设计 9
（五） 按键电路设计 10
三、 软件系统设计 11
（一） 主程序流程设计 11
（二） 步进电机工作流程图设计 12
（三） LCD1602显示流程设计 12
四、 仿真系统设计 13
总结 18
参考文献 19
致谢 20
附录一 原理图 21
附录二 PCB图 22
附录三 程序 23
引言
步进电机控制系统发展现状
科学技术发展到今天这种阶段，许多场合离不开精准的位移和速度控制，比如打印机、切割机以及纺织机中都离不开步进电机的配合。步进电机是一种产生精确速度和位移量的一种电机，它和直流电机最大的不同是，直流电机的速度和其两端所施加的直流电压成正比，而旋转的角度得不到控制，并且随着负载的加重直流电机的转速会下降；而步进电机的速度由其所接收到的脉冲信号频率所决定，电脉冲的频率越低那么旋转速度则越慢，频率越高那么越快，但是输入的信号频率不能超过电机的额定上限，否则电机将不能正常工作，出现“丢步”等异常现象，步进电机所旋转的角度和所输入的脉冲数成正比，输入的脉冲数越高则旋转的角度越多，从而产生的位移也就越大，这是直流电机做不到的。另外步进电机的转速在负载不超标的情况下不会受到负载变化而改变，正常情况下只与电脉冲频率有关系，直流电机的转向受其两端所加的电压极性所影响，而步进电
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
低那么旋转速度则越慢，频率越高那么越快，但是输入的信号频率不能超过电机的额定上限，否则电机将不能正常工作，出现“丢步”等异常现象，步进电机所旋转的角度和所输入的脉冲数成正比，输入的脉冲数越高则旋转的角度越多，从而产生的位移也就越大，这是直流电机做不到的。另外步进电机的转速在负载不超标的情况下不会受到负载变化而改变，正常情况下只与电脉冲频率有关系，直流电机的转向受其两端所加的电压极性所影响，而步进电机的转向受它所接收到的电脉冲信号的顺序所影响。
步进电机和直流电机的不同之处是直流电机只要通上电就能转，而步进电机作为一种感应元器件，其靠内部特殊的电子线路将施加的直流电源转变成分时供电的电源，从而为其内部的多个线圈供电，其内部的转子只有在这种分时供电的电流下才能正常的转动，而控制电流流通的方式则完全由输入的电脉冲信号决定，所以在使用步进电机时，供电之后只要控制电脉冲信号的频率、个数以及顺序即可。
步进电机在科学技术如此发达的今天已经在多种领域中得到了广泛的应用，但是值得注意的是步进电机并不像直流电机那样容易使用，几乎每个玩四驱赛车的小学生都知道直流电机只要两节电池供电就能让它转动，然而步进电机却没那么简单，不仅要供电，更要由控制器产生控制脉冲，要想让步进电机正常的工作，使用者必须掌握电子、机械以及单片机等多门学科才行，步进电机是机电一体化概念的一个最好的体现。
国内外研究现状
目前对于利用步进电机控制系统研究的课题在国内外非常火热，因为步进电机在越来越多的场合得到了应用。纵观目前国内外对于该课题的研究现状来看，它所表现出的趋势是设备小型化、高精度化、高稳定性以及嵌入化，嵌入化和小型化是一致的概念，目前国外主要将精力放在如何提高步进电机控制系统的稳定性上，以此来解决步进电机每一步之间的抖动弊端；而在国内，研究者主要是研究如何提高步进电机的最大速度，由于步进电机的最大速度较低，因此它只能应用于一些低速场合，而在一些高速转动场合，步进电机将不能发挥其优异的特点，因此研究者正在改进步进电机的结构，以此来提高步进电机的速度。
本文主要研究内容
本文主要从实际出发，本着对步进电机控制灵活、操作方便简单以及能够实现正反转以及加速等功能为目标，通过对硬件结构的搭建和软件程序的调试，设计出了一个具有实用价值的步进电机控制系统。在硬件上通过对主控芯片的以及外围模块的选择，考虑到了C51单片机内部结构的优异特点，并且程序代码使用C语言构建，在软件上主要是对代码编写平台的安装和代码调试，由于C51单片机是经过大学学习后比较熟悉的一款单片机，因此给设计过程带来了方便。为了更加清晰地描述设计过程，本文主要通过对硬件模块电路的设计和软件流程进行两个渠道的阐述。
一、方案选择及元器件介绍
（一）主控核心的选择
方案一：选择学生群体使用最多的C51单片机作为本系统的主控核心，由于在大学期间对于C51单片机具有较为系统的学习，其内部，，的结构原理、模块组成以及程序编写，已经掌握了一套较为熟悉的流程，因此能够为本设计的顺利完成奠定夯实的基础。另外C51单片机内部已经集成了一个容量为4K的加密型FLASH和一个大小为128字节的RAM，足以够本系统的使用，再者C51单片机内部的两个8位定时器在经过简单的寄存器配置后，能够灵活的在本系统中提供精准的定时，为一些需要精准时基的地方提供帮助。根据C51单片机的资料显示，其P3.2和P3.3两个管脚带有中断功能，如果按键接在这两个管脚上，经过中断服务程序，能够方便的配置程序代码的运行。虽然目前市面上C51单片机的生产厂家众多，目前使用最多的是美国ATMEL公司生产的AT89C51和中国宏晶公司生产的STC89C51单片机，这两款单片机目前已经占据了C51单片机市场的主要份额，虽然生产厂家不同，然而这些C51单片机都可以相互替代，在使用上几乎没有任何区别，这也是使用C51单片机作为系统核心的另一个优点。
方案二：选择意大利意法半导体（SST）公司推出的STM32系列单片机作为主控核心，STM32单片机的最大特色是采用了ARM结构作为内核，其32位的总线宽度使得它在处理一些数据时能够表现出更大的优势，由于采用ARM内核，因此这种类型的单片机被业内人士称之为微处理器，同MCU有较大区别。STM32系列的低端芯片的主频就已经达到了72M，高端系列能够达到168M，由于片内集成了高性能的锁相环（PLL），所以采用精度较高的低频晶振（8M）就可以给芯片提供时钟信号，经过锁相环的作用，能够将频率倍频到72M甚至更高。STM32采用了Cortex-M3或者Cortex-M4作
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