基于51单片机的步进电机控制
［摘要］ 本课程设计的内容是利用51单片机，达到控制步进电机的启动、
停止、正转、反转、两档速度和状态显示的目的，使步进电机控制更加灵活。步进电机驱动芯片采用ULN2803，ULN2803具有大电流、高电压，外电路简单等优点。利用四位数码管增设电机状态显示功能，各项数据更直观。实测结果表明，该控制系统达到了设计的要求。
关键字：步进电机、数码管、51单片机、ULN2803
一 步进电机与驱动电路
1.1 什么是步进电机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。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；同时也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。
1.2 步进电机的种类
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1.8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。
1.3 步进电机的特点
1．精度高 一般的步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。可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，这是步进电动机最突出的优点
2．过载性好 其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；
3．控制方便 步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；
1
4．整机结构简单 传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。
1.4 步进电机的原理
图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。
图1
它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：
Lθ＝360 P×N
式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。
1.5 步进电机的驱动
混和步进电机的工作原理 在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。
2
图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。
步数 1 2 3 4 5 Q1 1 1 0 0 1 Q2 0 0 1 1 0 表1
Q3 1 0 0 1 1 Q4 0 1 1 0 0 二 方案设计与论证
2.1键盘设计
该系统中只运用到三个控制按钮，即 “正反”，“换挡”，“启停”，由于按钮较少，所以采用独立键电路，这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单，更使人易懂。
2.2显示电路设计
如图2.31，采用LED数码管动态显示数据与个项参数，方法简单，容易控制，成本低。 设计如下图
3
f bf bf g bf g b g g e ce d ce d ce d c d h h h h h a b c d e f g [LED1][LED2][LED3][LED4]aaaaP00P01P02P03P04P05P06P07 P25 Stc AT89C51 P26 P27 P24 OUT 1OUT 2OUT 3OUT 4
IN 2 IN 3 ULN2803 IN 4 IN 1
图2.31
2.4驱动电路设计
驱动电路可分为：三极管直接驱动（图3），采用斩波恒流驱动方式（图2.41）和芯片驱动电路等。驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。本电路采用驱动芯片ULN2803。ULN2803是一种
AIN/AINBIN/BINCOMGND45981012111375R8R95VR7U1DR4U2B65V132大电流高电压型器件，外电路简单（图2.42）。
+12V5VD1U1AR2R1Q1Q2AOUT/AOUTBOUTQ3/BOUTQ4D2D3D4U1BGND6U1CR3GNDGNDR5R6 图2.41 7148U2A312RV1GND
图2.42
4
4三 电路设计
3.1、设计要点和软硬环境
1、步进电机的设计要点和软硬件环境
步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。硬件方法是采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制；而软件方法是用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方法可简化电路，降低成本。 在用软件控制时，主要设计要点如下： ? 判断旋转方向； ? 按相序确定控制字； ? 按顺序输入控制字；
? 确定控制步数和每一步的延时时间。 由于单片机的驱动电流一般都比较小，不能直接驱动电机工作，所以单片机的I/O口输出必须接驱动电路，即功率驱动，才得以控制电机正常工作。控制框图如下图所示：
单片机 AT89c51 控制按钮 数码管显示模
（2）、相关参数设定： 这里采用四相六线步进电机，这款步进电机的驱动电压12V，步进角为 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 个脉冲完成。其相序A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。所以其正转控制脉冲为：01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h；反转控制脉冲为：01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。
功率驱动 步进电机 单片机的晶振为12MHZ；
（3）、系统电路图：
一、单片机最小系统的硬件原理接线图：
1、 接电源：VCC（PIN40）、GND（PIN20）。加接退耦电容0.1uF
2、 接晶体：X1（PIN18）、X2（PIN19）。注意标出晶体频率（选用12MHz），还有辅助电容20pF
3、 接复位：RES（PIN9）。接上电复位电路，以及手动复位电路，分析复位工作原理
4、 接配置：EA（PIN31）。说明原因。
二、单片机内部I/O部件：(所为学习单片机，实际上就是编程控制以下I/O部件，完成指定任务)
5
基于51单片机的步进电机控制--51单片机步进电机编程
