步进电机

单片机原理与应用技术 课程设计报告（论文）

题目: 步进电机控制器

专业班级：_ _ 姓 名： 时 间： 指导教师：

步进电机控制器的课程设计任务书

1．设计目的与要求

设计出一个用于控制步进电机的控制器。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能： （1）实现步进电机的正反转控制。 （2）实现步进电机的加速控制。 （3）实现步进电机的减速控制。 2．设计内容

（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系； （2）确定元器件及元件参数； （3）进行电路模拟仿真； （4）SCH文件生成与打印输出； 3．编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 4．答辩

在规定时间内，完成叙述并回答问题。

论文结构清晰，层次分明，理论严谨

任务书要求单页打印。1.5倍行间距，标准字间距。

1

目录

1.引言 …………………………………………………………1 2.总体设计方案……………………………………………………1

2.1设计思路………………………………………………………1 2.1.1方案论证与比较……………………………………………1 2.2总体设计方框图…………………………………………………1

3.设计原理分析…………………………………………………1

3.1开关电路设计 ………………………………………………………1 3.2单片机控制设计………………………………………………………2 3.3驱动电路设计 ………………………………………………………3 3.4步进电机………………………………………………………3

4.软件设计………………………………………………………4 5.结束语……………………………………………………………4 参考文献 ……………………………………………………5 附录1具体总电路图……………………………………………6 附录2 程序清单……………………………………………………7

2

步进电机控制器

应教043 李晓辉

摘要：本系统由单片机系统、驱动系统和步进电机组成。通过按键来控制单片机，通过P2口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，使步进电机的转向与转速发生变化，达到对电机控制的目的。电路简单实用，操作方便，成本低廉。

关键词： 步进电机 单片机

1 引言

随着科技技术的快速发展进步，在微型机控制系统中，经常用到对电机控制，设计采用8 位单片机AT80C51对步进电机进行控制，通过P2口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过驱动电路驱动步进电机，操作方便简单。

2 总体设计方案

2.1 设计思路

2.1.1方案论证与比较

步进电机驱动电路的设计方案论证与选择

方案一：采用永磁式（PW）电机。永磁式电机且有转矩和体积较小的优点，步进角一般为7.5度或15度，硬件驱动电路容易设计实现，广泛的应用于一般的电路中。

方案二：采用混合式（HB）电机。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。

综合以上分析，考虑到实际应用与本电路的设计要求，本电路需用四相步进电机，故采用方案一。

2.2 总体设计方框图

开关 电路 5V及12V电源 单片机AT80C51 及晶振电路 步进 电机 复位 电路 驱动 电路 图1 步进电机控制原理3 设计原理分析

3.1 开关控制电路的工作原理分析

本电路是由六个开关按键与按片机输入口相连，其一端经过六个5.1K的上拉电阻接5V电源，并分别接到8位单片机AT80C51的输入口P1.0~P1.5，另一端接地。由此可以编写程序令接P1.0口的按键控制正转高速，令接P1.1口的按键控制正转中速，接P1.2口的按键控制正转低速；接P1.3口的按键控制反转高速，接P1.4口的按键控制反转中速，接P1.5口的按键控制反转低速。电路如图2所示。

3

+5V34R15.1KCR25.1KR35.1KR45.1KR55.1KR65.1KU112345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4AT89S51VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.04039383736353433323130292827262524232221P1.5/MOSIP1.6/MISOP1.7/SCKRESTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1GND正转K1反转K2K3快1K4快2K5慢1K6慢291011121314151617181920BGND图2 开关控制电路 3.2 复位及单片机控制电路的工作原理分析 本电路主要由12M晶振、30PF的瓷片电容、电阻、开关组成，电路如图3所示。 +5V123S5456C4AP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4U1AT89S51VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.04039383736353433323130292827262524232221322uR3220789101112P1.5/MOSIP1.6/MISOP1.7/SCKRESTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1GND2R41K113141512MHz161718C330PFGNDC230PF1920图3 复位及单片机控制电路 3.3 步进电机驱动电路的工作原理分析 如下图，通过单片机由89C51的P2口输出，控制BF184075型步进电机的驱动电路。图中的绕组分别为步进电机的四相，每一相由一组放大器驱动。放大器输入端与89C51的p2口相连，在没有脉冲输入时，达林顿管（IRF620M9103）均为截止，绕组中无电流流过，电机不转。当A相得电时电机转动一步，当脉冲依次加到步进电机的四个输入端时，四组放大器分别驱动不同的绕组。使电机一步一步地转动。电路中与绕组并联的二极管D分别起断电后的续流作用，即在功率管截止时，使存储在绕组中的能量通过绕组的电流不超过其额定值，以免电机发热严重甚至被烧坏。驱动电路的四相输入端各接一个TIL112光耦合器，消除回路中的干扰，使输入/输出电路在电气上相互隔离。 通过单片机按顺序给步进电机绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机转动；从而完成了数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与施加的脉冲的频率成正比，转动的方向则与脉冲的顺序有关。 34 4+12V+5VD1R215ΩIN4007NPN DARR1330K300ΩU1AR912GND300ΩU1BR1034GNDR1630KGNDSW-PBS4R20SW-PB4KD474ALS04GNDGNDIN4007NPN DARR245ΩR1530K74ALS04U1C56300ΩR11OP5SW-PBS3R194KNPN DAR74ALS04U1D98300ΩR12OP64KGNDD3R235ΩOP4R1430KSW-PB4KNPN DARS2R18OP3S1R17D2GNDIN4007R225Ω74ALS04IN4007图4 步进电机驱动电路 GND 3.4 步进电机的工作原理分析 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：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）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。 因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。其区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输李步进电机李晓辉入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 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。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

故改变转速时，只要改变P2.0~P2.3轮流变低电平的时间即可达到要求。如表1所示。

TitleSizeBNumberDate:File:30-Nov-2007J:\\\\\\.ddb345RevisionSheet of Drawn By:6

表1 步进电机脉冲时序表 相线/脉冲序列 AB BC CD DA 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 0 0 1 1 3 1 0 0 1 4 1 1 0 0 5 0 1 1 0 6 0 0 1 1 7 1 0 0 1 改变相序时，如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。如表2所示。

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表2 步进电机正反转相序表 AB BC CD DA AB 电机正转 DA CD BC AB DA 电机反转 下面是35BY48S03型永磁式步进电机的外形及组成原理。 图5是35BY型永磁步进电机的外形图，图6是该电机的接线图，从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有5根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将COM端标识为C，只要AC、 A’C、BC、B’ C，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将COM端接正电源，那么只要用开关元件（如三极管），将A、 A’ 、B、B’ 轮流接地。而且其工作电压为12V，最大电流为0.26A。

图5 35BY48S03型步进电机外形图 图6 35BY48S03型步进电机接线图

3.5 步进电机的具体电路

总电路由开关电路，复位电路,单片机控制电路,驱动电路及步进电机组成。总电路图如附录1所示。

4 软件电路设计

4.1步进电机驱动电路的软件设计

进电机的软件是要电路能够实现对电机的转速、转向的控制。其相应的软件由汇编语言编写。其程序流程图如图7所示。具体程序如附录2所示。

5 结束语

这次课程设计基本达到了设计的要求，但是明显存在着未能解决的问题，由于在编程方面的问题，步进电机未能很好的受到按键的控制，甚至导致电机停转。为此，我们修改了程序，希望能够解决问题，遗憾的是问题仍然没有得到解决。

这次步进电机的综合实验我们学到了步进电机、单片机及一般的放大电路的使用，更重要的是学会了程序出问题时调试的方法，再一次熟悉了编程，学到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。

6

初始化 K1按下? Y 00H 置1 01H 置1 调高速正转子程序 N K2按下? Y 02H 置1 调中速正转子程序 N K3按下? Y Y Y 调低速正转子程序 N K4按下? 03H 置1 调高速反转子程序 N K5按下? 04H 置1 05H 置1 调中速反转子程序 N K6按下? Y Y 调低速反转子程序 N 00H为1? N Y 01H为1? N 02H为1? Y Y 03H为1? N N Y 04H为1? N Y 05H为1? N 图7 程序流程总图

参考文献

[1] 阎石.数字电子技术基础（第三版）［Ｍ］. 北京：高等教育出版社，1989 [2] 蔡振江.单片机原理及应用. 北京：电子工业出版社，2007年2月,第1版 [3] 童诗白,华成英. 模拟电子技术基础. 北京: 高等教育出版社,2001年,第3版 [4] 李朝青. 单片机原理及接口技术. 北京: 北京航空大学出版社,2005年,第3版 [5] 万光毅.单片机实验与实践教程. 北京: 北京航空航天大学出版社,2006年,第2版

7

+12VR2510ΩR215ΩD1IN4007NPN DARAT89S51VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7300ΩU1BR10330K300ΩR1156GNDOP5GNDR1630KSW-PBS3R194KNPN DAR74ALS04U1DR1298GND300ΩOP6S4R20R2810ΩSW-PB4K4R15SW-PB4KGNDD3IN4007R235ΩR2710ΩEA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.021222324252674ALS04U1C272829303132OP4S274ALS0433GND34R1430KR183512SW-PB36R94KNPN DAR37U1A300ΩR1738OP3S13930KR22GNDD2IN40075Ω40R13R2610ΩMOTOR STEPPER74ALS04GNDD4IN4007NPN DARR245ΩGND 附录1 +5VR15.1KR25.1KR35.1KR45.1KR55.1KR65.1KCCU112P1.03P1.14P1.25P1.36P1.47P1.5/MOSI8P1.6/MISO正转反转快1快2慢1慢29P1.7/SCKK1K2K3K4K5K6REST 10步进电机总电路图 8 11P3.0/RXD12P3.1/TXD13P3.2/INT014P3.3/INT115P3.4/T0复位16P3.5/T1K7石英晶体C130p17P3.6/WR18P3.7/RDC19XTAL2CR720XTAL122uF200ΩGNDBC230pBR81KGNDGND CLR 03H CLR 04H

;***************************************

CLR 05H

*************************************;**

AAA: JB K2,BBB

**************************步进电机的驱动 ACALL DELAY10 *************************************** JB K2,BBB ;***************************************

JNB K2,$ ;开关K2防抖动

****************************************

CLR 00H

; LXH修改设计 晶振 12MHz SETB 01H 2007.11.28 CLR 02H ;----------------------------------------------------------- CLR 03H

---------------------- CLR 04H ; 步进电机的驱动信号必须为周期性脉冲信 CLR 05H 号!!! 转动的速度和脉冲宽度成正比?! BBB:JB K3,CCC

; 本步进电机步进角为 7.5度 . 一圈 360 度 , ACALL DELAY10

JB K3,CCC 需要 48 个脉冲完成!!!

JNB K3,$ ;开关K3防抖动 ;----------------------------------------------------------- CLR 00H ----------------------

CLR 01H ; A组线圈对应 P2.0

SETB 02H ; B组线圈对应 P2.1

CLR 03H ; C组线圈对应 P2.2

CLR 04H

; D组线圈对应 P2.3

CLR 05H

; 正转次序: AB组--BC组--CD组--DA组 (即CCC:JB K4,DDD 一个脉冲,正转 7.5 度) ACALL DELAY10 JB K4,DDD STEP_CON EQU P2;步进输出控制端口 JNB K4,$ ;开关K4防抖动 （P2.0~P2.3） CLR 00H ;*************************************** CLR 01H ************************** CLR 02H K1 BIT P1.0 ;接高速正转开关 SETB 03H

CLR 04H K2 BIT P1.1 ;接中速正转开关

CLR 05H K3 BIT P1.2 ;接低速正转开关

DDD:JB K5,EEE K4 BIT P1.3 ;接高速反转开关

ACALL DELAY10

K5 BIT P1.4 ;接中速反转开关

JB K5,EEE

K6 BIT P1.5 ;接低速反转开关

JNB K5,$ ;开关K5防抖动

;***************************************

CLR 00H

***************************

CLR 01H

ORG 0000H

CLR 02H

SJMP START

CLR 03H

ORG 0030H

SETB 04H

START:MOV R0,#00H

CLR 05H

MOV P2,#00H

EEE:JB K6,FFF

CLR 00H ;初始化 ACALL DELAY10 CLR 01H JB K6,FFF CLR 02H JNB K6,$ ;开关K6防抖动 CLR 03H

CLR 00H

CLR 04H

CLR 01H

CLR 05H

CLR 02H

MAIN:JB K1,AAA

CLR 03H

ACALL DELAY10

CLR 04H

JB K1,AAA

SETB 05H

JNB K1,$ ;开关K1防抖动 FFF:JNB 00H,GGG SETB 00H LCALL P_MOTOR;调正转 CLR 01H

LCALL DL12MS

CLR 02H

JNZ GGG

附录2 程序清单

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MOV R0,#00H GGG:JNB 01H,HHH

LCALL P_MOTOR;调正转 LCALL DL24MS JNZ HHH MOV R0,#00H LCALL P_MOTOR;调正转 LCALL DL48MS JNZ JJJ

MOV R0,#00H JJJ:JNB 03H,KKK

LCALL N_MOTOR;调反转

HHH:JNB 02H,JJJ LCALL DL12MS JNZ KKK

MOV R0,#00H

KKK:JNB 04H,LLL

LCALL N_MOTOR;调反转 LCALL DL24MS JNZ LLL MOV R0,#00H LLL:JNB 05H,MMM

LCALL N_MOTOR;调反转 LCALL DL12MS JNZ MMM MOV R0,#00H MMM:AJMP MAIN

;****************正转子程序*************** P_MOTOR: MOV A,R0

MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR JZ BACK

MOV STEP_CON,A INC R0 BACK:RET

;********************反转子程序*********** N_MOTOR:MOV A,R0

MOV DPTR,#TAB1; MOVC A,@A+DPTR JZ BACK1

MOV STEP_CON,A INC R0 BACK1:RET

;********************延时子程序********* DL12MS: MOV R7,#80;步进电机的转速 DL11: MOV R6,#255 DJNZ R6,$ DJNZ R7,DL11 RET

;********************延时子程序********* DL24MS: MOV R7,#150;步进电机的转速 DL12: MOV R6,#255 DJNZ R6,$ DJNZ R7,DL12 RET

;********************延时子程序********* DL48MS: MOV R7,#255;步进电机的转速 DL13: MOV R6,#255 DJNZ R6,$ DJNZ R7,DL13

10

RET

;******************10MS****************

DELAY10:MOV R7,#10H DL14:MOV R6,#0FFH DJNZ R6,$ DJNZ R7,DL14 RET

;*********************************************************** DL1S: MOV R4,#10 ;1S 延时子程序

DL2: MOV R3,#200 DL3: MOV R2,#250 DJNZ R2,$ DJNZ R3,DL3 DJNZ R4,DL2 RET

TAB:DB 03H,06H,0CH,09H,00H ;正转表 TAB1:DB

03H,09H,0CH,06H,00H ;反转表 END