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1、 摘 要 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，具有快速起动和停止的特点。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速,因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，
2、从而实现步进电机的调速。其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度, 并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响, 因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。本文在分析了步进电机的驱动特性和步进电机驱动芯片ULN2003A的性能、结构的基础上，结合AT89C51单片机，采用软件延时来控制转速,通过开关来改变电机转向，实现电机调速与正反转的功能。关键词：步进电机；AT89C51单片机；ULN2003A驱动。目 录第一章 概述1第二章 关于设计内容的介绍22.1 步进电机的原理22.2 步进电机的分类32.3 89C51单片机42.4 设计要求
3、4第三章 硬件电路设计53.1 设计思路53.2 总体设计框图53.3 电源电路53.4 单片机最小系统63.4.1 复位电路63.4.2 晶振电路73.5 按键、开关控制电路73.6 显示电路83.7 驱动电路8第四章 软件设计104.1 程序流程图104.2 程序设计思路114.3 keil软件介绍11第五章 调试过程125.1 操作控制125.2 设计过程中遇到的主要问题以及解决办法12第六章 总结13参考文献14致谢14附录15 第一章 概述步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得
4、今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有
5、脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机
6、可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。第二章 关于设计内容的介绍2.1 步进电机的原理步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。其特点为: (1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。例如步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图2.1.1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图2.1.1 四相步进电机步进示意
7、图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式
8、的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.1.2a、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图2.1.2步进电机工作时序波形图2.2 步进电机的分类步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.
9、8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：（1）换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为ABCA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。三相双三拍的通电顺序为ABBCCAAB，三相六拍的通电顺序为AABBBCCCAA。（2）步进电机的换向控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍，即AABBBCCCAA。如果按反序通电换相，即AACCCBBBAA，则电机就反转。其他方式情况类似。
10、（3）步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。2.3 89C51单片机Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、
11、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。2.4 设计要求一个正反转开关控制正转和反转,一个一圈按钮, 按一下时转一圈, 一个连续转动按钮, 按一下时连续转动，再按一下时停止转动，在连续转动时一个加速按钮按一下时加一档速度，一个减速按钮按一下时减一档速度，速度有高速、中速和低速三档（高速、中速和低速只要有明显差别），一个数码管显示转的圈数，开始时显示0，正转一圈时加1，反转一圈时减1，显示0时反转一圈则显示9，显示9时正转一圈则显示0。程序要求用C语言编写。用protel画出系统原理图，要求是一个完整的单片机控制系统，电源为220V交流电。第三章 硬件电路设计 3.1 设计思路本设计
12、的硬件电路主要由按键、开关控制电路、单片机最小系统、驱动电路、显示电路组成。控制电路由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。最小系统是为了使单片机正常工作。显示电路主要是为了显示电机的转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。3.2 总体设计框图图3.2总体设计框图3.3 电源电路交流220V经降压变压器变成15V交流电，在通过整流桥、滤波变成5V直流电供给单片机。 图3.3 电源电路3.4 单片机最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电
13、路。3.4.1 复位电路复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电路，如图3.4.1所示。 图3.4.1 复位电路从图3.4.1中可以看出，当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部复位电路的电容充电来实现，只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位功能。在本系统中，采用10uF的电容和10k的电阻来实现复位电路。当系统出错时，
14、直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。3.4.2 晶振电路89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图3.4.2示。其电容值一般在530pf,晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。 图3.4.2 晶振电路3.5 按键、开关控制电路根据设计要求，控制输入部分设置了连续按钮，点动按钮，加速按钮、减速按钮和正反转开关，分别是S1,S2,S3,S4和K，控制电路如图3.5所示。通过是S1、S2状态变化来实现电机的连续和点动控制。当K1的状态变化时，可实现电机的正反转控制。 根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过软件延时来实现的，该电路控制电机速度变化主要是通过S3、S4的状态实现，从而根据软件延时来改变步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。 图3.5 按键、开关控制电路
