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电）四拍（A-B-C-D-A。。。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC- CD-DA-AB-。。。）， 八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。） 3、系统电路图
（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） （1）四个 8 位通用 I/O 端口，对应引脚 P0、P1、P2 和 P3； （2）两个 16 位定时计数器；（TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1） （3）一个串行通信接口；（SCON，SBUF） （4）一个中断控制器；（IE，IP） 根据以上的方案比较与论证确定总体方案，确定硬件原理图。原理图如下：
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；
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。
广东工业大学
课程设计
基于 51 单片机的步进电机控制
信息工程学院 应用电子技术
2013 年 04 年 28 日
步进电机控制系统
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
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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 液晶显示器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。
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：
特性
1、3.3V 或 5V 工作电压，对比度可调 2、内含复位电路 3、提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能 4、有 80 字节显示数据存储器 DDRAM 5、内建有 192 个 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM 6、8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM
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。
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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：
N 速度标识减 1
NN
N
速度标识加 1
Y 正反转标志取反
N 反转
取正转码
Y
是否为结束
吗？
N
根据速度标识设定速 度值的显示时间，从而 以达到控制输出脉冲 频率来控制电机速度
显示器显示速
取反转码
是否为结束
Y
吗？
N
根据速度标识设定速 度值的显示时间，从而 以达到控制输出脉冲 频率
显示器显示速
N
时间是否结
束？
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5. 片上集成 512 字节 RAM 6. 通用 I/O 口（32 个），复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时， 需加上拉电阻。 7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专 用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完 成一片 8. 具有 EEPROM 功能 9. 具有看门狗功能 10. 共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2 11. 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由 外部中断低电平触发中断方式唤醒 12. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个 UART 13. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级） 14. PDIP 封装
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
本设计采用的 LCD1602 工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字 符。
步进电机运行步数控制程序
此方案采用单相和双相交差通电处理方式。此方法具有运行速度稳定，运 行步数准确无误等优点。
第五章、调试总结
5.1 操作控制：
本电路经调试符合题目要求，各项技术指标均达到设计的目的。具体操作控 制方法如下： 1、当电机启停按钮时，步进电机根据制定默认状态开始转动； 2、当电机再启停按钮时，步进电机停止转动； 3、当电机换挡按钮时，步进电机速度快速转动； 4、当电机再换挡按钮时，步进电机速度缓慢转动； 5、当电机正反按钮时，步进电机反转； 6、当电机再正反按钮时，步进电机正转；
2.4 驱动电路设计
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 是一种大电流高电压型器件，外电路简单（图 b）。
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图b
驱动方式：
红线接电源 5V，橙色电线接 P1.3 口，黄色电线接 P1.2 口，粉色电线接 P1.1 口， 蓝色接 P1.0 口。 由于单片机接口信号不够大需要通过 ULN2003 放大再连接到相应的电机接口， 如下：
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管脚功能
1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚：VSS 为电源地 第 2 脚：VCC 接 5V 电源正极 第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器 调整对比度）。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令 寄存器。 第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第 6 脚：E(或 EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指 令。 第 7～14 脚：D0～D7 为 8 位双向数据端。 第 15～16 脚：空脚或背灯电源。15 脚背光正极，16 脚背光负极。
控制按钮
单片机 AT89c51
功率驱动 LCD 显示模块
步进电 机
2、相关参数设定 步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC5V—DC12V。当对步进电机
施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信 号 对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定 的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通
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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；
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。