基于单片机的步进电机控制系统设计
摘 要：步进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
基于单片机的步进电机控制系统设计
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、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
步进电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 ,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，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），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