单片机技术的步进电机控制系统设计
目 录
一、引言 1
（一）课题研究的目的和意义 1
（二）国内外研究概况 1
（三）论文的主要研究内容 1
二、系统整体硬件结构 2
（一）系统整体框图 2
（二）AT89C51单片机概述 2
（三）电源部分 4
（四）按键部分 5
（五）开关部分 6
（六）驱动部分 7
（七）振荡电路 8
（八）显示模块 9
三、软件设计 10
（一）Keil软件简介 10
（二）控制系统程序设计 10
四、控制系统的调试与运行 15
（一）编写程序时出现的问题与解决方法 15
（二）线性稳压芯片LM7812输出错误电压与解决方法 16
（三）电机转动异常及解决方法 16
总结 16
参考文献 17
附录 原理图 18
附录 程序 19
一、引言
（一）课题研究的目的和意义
步进电机作为能够利用电脉冲信号控制转子转动的一种微特电机，因其具有每接受到一个脉冲就能前进一步的特点，所以也被称为脉冲电动机，因其结构简单，没有积累误差，制造成本低，使用维修方便以及它带动负载惯量的能力大，在绘图机、打印机、磁盘以及数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘以及数字式计算机的外部设等诸多设备中都得到应用。随着电气技术的迅速发展，对步进电动机的需求以及控制性能也不短提高，所以本次对于研究基于单片机技术的步进电机控制系统具有非常重大的意义。
（二）国内外研究概况
在国外，一般把步进电机称为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
Stepper、Pulse motor、Stepping motor或Step motor。步进电机的控制原理是得益于基本的电磁铁作用，在1830年至1860年间其最初模型已经出现。在19实际70年代，将步进电机氩弧灯的电极输送机构中，这是控制步进电机最早的尝试。那时的步进电机被认为是最早的步进电动机，在此之后，它又逐渐出现在电话自动交换系统以及缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中。在20世纪60年代的中后期，各种类型的实用性步进电机如雨后春笋般的出现在人们视野中，这归功于永磁材料技术的发展以及半导体技术的侧面推动。步进电机的生产和应用技术在近30年间得到迅速发展并且趋近成熟，其地位在当今技术界已经与异步电机、同步电机和直流电机同功一体，顺理成章的称为了一种基本类型的电机。
本世纪50年代后期，我国开始了对步进电机的研究与制造，起初主要是科研机构和高等院校在研发中少量使用到步进电机，主要以多段结构的三相反应式步进电机为主。随后到了20实际70年代的初期，步进电机的研究和生产才有了突破，不仅在步进电机驱动器方面有所建树，在对反应式步进电机本体的系统研究中已经取得长足的进步。到了70年代中期至80年年代中期，迎来了步进电机的成品发展阶段，各种高性能新品种的步进电机不断出现。从80年代中期到现在，基于大量对步进电机精准模型的研究，许多混合式步进电机以及步进电机周边产品被大量开发出来。
（三）论文的主要研究内容
本设计中的步进电动机采用的是四相步进电机，通过AT89C51单片机来控制步进电机的运行。步进电机在电力设备中作为执行结构，它将电脉冲信号转变为步进电机转子的角位移。当控制器向步进电机发出一个电脉冲信号时，步进电机就要按按设定方向旋转一个被称为“步距角”的固定角度，步进电机按照这个固定角度一步一步的转动。在步进电机的控制上，一般是通过控制发出的电脉冲个数来精确的确定转子的转动角度，这样就能够精确的达到角度定位。同时控制器通过控制电脉冲信号的频率来改变步进电机转子的旋转速度以及加速度，以此来完成调速。本系统主要是通过按键控制AT89C51来改变电机的驱动方式，控制其输出的脉冲数、脉冲频率以及脉冲的输出顺序，从而来达到改变步进电机运转模式、步数、转动方向以及转速的目的。
二、系统整体硬件结构
（一）系统整体框图
本控制系统的大体结构图如图2-1所示，分别由AT89C51控制核心、LCD1602液晶显示器、步进电机驱动器以及步进电机组成。
图2-1 步进电机控制系统总结构图
（二）AT89C51单片机概述
1、AT89C51单片机组成
图2-2 AT89C51内部结构
ATMEL公司出产的AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器 的单片机，它是一种能在低电压场合工作的高性能CMOS类型的8位处理器。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。另外这种类型的单片机已经采用了高密度的非易失储存器的制造技术，AT89C51单片机的通用IO管脚能够和工业上广泛采用的MCS-51类型的指令集能够完美兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。常用的AT89C2051型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图如2-3所示：
图2-3 AT89C51单片机引脚图
2、振荡器特性
XTAL1和XTAL2端口分别AT89C51内部反向放大器的输入和输出管脚。可以将这个反向放大器配置为片内震荡器。石英晶振和陶瓷晶振都可应用在此。在用外部的时钟源做作为震荡信号时，XTAL2不用接。由于进入内部的时钟信号要经二分频电路处理，所以对时钟信号的脉宽没有严格要求。
3、芯片擦除：
可以通过正确的控制信号组合并且保持ALE管脚处于10ms低电平来进行整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除。当EPROM被擦除后，其内部阵列将全部被写1。
另外，AT89C51具有稳态逻辑的功能，其支持两种软件可选的掉电模式，可以在低到零频率的条件下稳定逻辑。在低功耗的闲置模式应用下，单片机内部的CPU将停止运行，然而其RAM、计数器/定时器、串口和终端系统仍能正常工作。在掉电的模式应用下，会将RAM中的内容保存起来，振动器将停止工作，片内其他模块也将停止工作，只有等到复位信号来临时才能正常工作。
（三）电源部分
线性稳压芯片LM7805和LM7812可是将输出电压稳定在直流5V和12V，在使用它们时，有以下几点要注意：
1.输入电压不可以过高，否则会导致输入输出电压差过大而使得转换效率降低，极其容易使稳压芯片被击穿损坏；
2.输入输出的电压差过小也会带来效率低的现象。
3.不要接过大的负载，其输出电流最大值不能超过1.5A。过大的输出电流会带来发热严重，在重负载时，要加散热片，否则热量不能及时散失而导致芯片损坏。对于散热片，尺寸越大散热效果越好。
一、引言 1
（一）课题研究的目的和意义 1
（二）国内外研究概况 1
（三）论文的主要研究内容 1
二、系统整体硬件结构 2
（一）系统整体框图 2
（二）AT89C51单片机概述 2
（三）电源部分 4
（四）按键部分 5
（五）开关部分 6
（六）驱动部分 7
（七）振荡电路 8
（八）显示模块 9
三、软件设计 10
（一）Keil软件简介 10
（二）控制系统程序设计 10
四、控制系统的调试与运行 15
（一）编写程序时出现的问题与解决方法 15
（二）线性稳压芯片LM7812输出错误电压与解决方法 16
（三）电机转动异常及解决方法 16
总结 16
参考文献 17
附录 原理图 18
附录 程序 19
一、引言
（一）课题研究的目的和意义
步进电机作为能够利用电脉冲信号控制转子转动的一种微特电机，因其具有每接受到一个脉冲就能前进一步的特点，所以也被称为脉冲电动机，因其结构简单，没有积累误差，制造成本低，使用维修方便以及它带动负载惯量的能力大，在绘图机、打印机、磁盘以及数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘以及数字式计算机的外部设等诸多设备中都得到应用。随着电气技术的迅速发展，对步进电动机的需求以及控制性能也不短提高，所以本次对于研究基于单片机技术的步进电机控制系统具有非常重大的意义。
（二）国内外研究概况
在国外，一般把步进电机称为 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
Stepper、Pulse motor、Stepping motor或Step motor。步进电机的控制原理是得益于基本的电磁铁作用，在1830年至1860年间其最初模型已经出现。在19实际70年代，将步进电机氩弧灯的电极输送机构中，这是控制步进电机最早的尝试。那时的步进电机被认为是最早的步进电动机，在此之后，它又逐渐出现在电话自动交换系统以及缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中。在20世纪60年代的中后期，各种类型的实用性步进电机如雨后春笋般的出现在人们视野中，这归功于永磁材料技术的发展以及半导体技术的侧面推动。步进电机的生产和应用技术在近30年间得到迅速发展并且趋近成熟，其地位在当今技术界已经与异步电机、同步电机和直流电机同功一体，顺理成章的称为了一种基本类型的电机。
本世纪50年代后期，我国开始了对步进电机的研究与制造，起初主要是科研机构和高等院校在研发中少量使用到步进电机，主要以多段结构的三相反应式步进电机为主。随后到了20实际70年代的初期，步进电机的研究和生产才有了突破，不仅在步进电机驱动器方面有所建树，在对反应式步进电机本体的系统研究中已经取得长足的进步。到了70年代中期至80年年代中期，迎来了步进电机的成品发展阶段，各种高性能新品种的步进电机不断出现。从80年代中期到现在，基于大量对步进电机精准模型的研究，许多混合式步进电机以及步进电机周边产品被大量开发出来。
（三）论文的主要研究内容
本设计中的步进电动机采用的是四相步进电机，通过AT89C51单片机来控制步进电机的运行。步进电机在电力设备中作为执行结构，它将电脉冲信号转变为步进电机转子的角位移。当控制器向步进电机发出一个电脉冲信号时，步进电机就要按按设定方向旋转一个被称为“步距角”的固定角度，步进电机按照这个固定角度一步一步的转动。在步进电机的控制上，一般是通过控制发出的电脉冲个数来精确的确定转子的转动角度，这样就能够精确的达到角度定位。同时控制器通过控制电脉冲信号的频率来改变步进电机转子的旋转速度以及加速度，以此来完成调速。本系统主要是通过按键控制AT89C51来改变电机的驱动方式，控制其输出的脉冲数、脉冲频率以及脉冲的输出顺序，从而来达到改变步进电机运转模式、步数、转动方向以及转速的目的。
二、系统整体硬件结构
（一）系统整体框图
本控制系统的大体结构图如图2-1所示，分别由AT89C51控制核心、LCD1602液晶显示器、步进电机驱动器以及步进电机组成。
图2-1 步进电机控制系统总结构图
（二）AT89C51单片机概述
1、AT89C51单片机组成
图2-2 AT89C51内部结构
ATMEL公司出产的AT89C51是一种带4K字节
图2-3 AT89C51单片机引脚图
2、振荡器特性
XTAL1和XTAL2端口分别AT89C51内部反向放大器的输入和输出管脚。可以将这个反向放大器配置为片内震荡器。石英晶振和陶瓷晶振都可应用在此。在用外部的时钟源做作为震荡信号时，XTAL2不用接。由于进入内部的时钟信号要经二分频电路处理，所以对时钟信号的脉宽没有严格要求。
3、芯片擦除：
可以通过正确的控制信号组合并且保持ALE管脚处于10ms低电平来进行整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除。当EPROM被擦除后，其内部阵列将全部被写1。
另外，AT89C51具有稳态逻辑的功能，其支持两种软件可选的掉电模式，可以在低到零频率的条件下稳定逻辑。在低功耗的闲置模式应用下，单片机内部的CPU将停止运行，然而其RAM、计数器/定时器、串口和终端系统仍能正常工作。在掉电的模式应用下，会将RAM中的内容保存起来，振动器将停止工作，片内其他模块也将停止工作，只有等到复位信号来临时才能正常工作。
（三）电源部分
线性稳压芯片LM7805和LM7812可是将输出电压稳定在直流5V和12V，在使用它们时，有以下几点要注意：
1.输入电压不可以过高，否则会导致输入输出电压差过大而使得转换效率降低，极其容易使稳压芯片被击穿损坏；
2.输入输出的电压差过小也会带来效率低的现象。
3.不要接过大的负载，其输出电流最大值不能超过1.5A。过大的输出电流会带来发热严重，在重负载时，要加散热片，否则热量不能及时散失而导致芯片损坏。对于散热片，尺寸越大散热效果越好。
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