单片机的步进电机驱动原理

毕业设计

题 目： 基于单片机的步进电机控制系统

系 别：

专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师：

2007 年 11 月 30 日

诚 信 声 明

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业设计（论文）《基于单片机的步进电机控制系统》是在高双喜教师的指导下，根据任务书的要求，独立撰写的。

本设计（论文）中所引用的其他个人或集体已发表的文字和研究成果，或为获得教育机构的学位或证书所使用过的材料，均已明确注明。

凡为本文的撰写所提供的各种形式的帮助，本人在致谢中已经明确表达了谢意。 本人完全意识到本声明的法律结果。

毕业论文（设计）作者签名：

2007年11月30日

设计（论文）任务书

学生姓名 课题名称 指导教师及职称 专业班级 学 号 基于单片机的步进电机控制系统 （以下内容指导教师可根据实际情况进行调整） 一、课题介绍 1、目的 一、了解步进电机控制的基本原理 二、掌握控制步进电机转动的编程方法 三、了解单片机控制外部设备的常用电路 2、任务 掌握PWM 脉冲控制电机的原理，掌握单片机控制系统及最小应用系统 3、拟重点解决的问题 步进电动机种类与控制方式选择，程序编制与调试 二、主要内容 1、主要技术指标 电动机的负载转矩与速度 2、设计方案、设计方法、设计手段

图1 如图1，示为系统硬件原理图,其中，80C51 P1口的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3上输出控制步进电机的脉冲信号，用四个上拉电阻驱动（图中省略），分别对应连接到U3M的IN1、IN2、IN3、IN4，经过OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别对应步进电机的四相。其中用了四个限流电阻。 设计方法用的是单片机的最小应用系统，以及电路的驱动和电机的基本知识结合，构成一个应用系统。 设计手段主要是用单片机可程序设计的灵活、廉价和控制等特点，以及步进电机的准确、性能好等优点设计其相应的系统。 3、主要工作程序 本实验需要用到单片机最小应用系统（F1 区）、步进电机模块（M2 区）和查询式键盘（B2 区）。 1、单片机最小应用系统的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 口分别接步进电机模块的A、B、C、D。最小系统的P2.0、P2.1、P2.2 分别对应的接查询式键盘的K0、K1、K2 键。打开相关模块的电源开关。 2、用串行数据通信线连接计算机与仿真器，然后将仿真器插到模块的锁紧插座中，请注意仿真器的方向：缺口朝上。 3、打开Keil uVision2 仿真软件，首先建立本实验的项目文件，接着添加“TH52_ 步进电机控制程序.asm”源程序，进行编译，直到编译无误。 4、进行软件设置，选择硬件仿真，选择串行口，设置波特率为38400。 5、打开模块电源和总电源，点击开始调试按钮，点击RUN 按钮运行程序。按下K0键电机正转，K1 反转，K2 电机STOP。 6、也可以把源程序编译成可执行文件，用ISP 烧录器烧录到89S52/89S51 芯片中。 三、主要仪器设备 步进电动机，单片机及其实验台 四、主要资料及参考文献 李全利.单片机原理与应用技术.高等教育出版社，2004年11月第2版

李发海.电机与拖动.清华大学出版社 陈伯时.上海大学.电力拖动与自动控制系统.机械工业出版社 夏德钤.自动控制原理.北京轻工业学院.机械工业出版社 刘豹.现代控制理论.天津大学.机械工业出版社 王兆安.电力电子技术.西安交通大学.机械工业出版社 五、预期设计（论文）成果 本课题在控制步进电机转动的编程方法方法上，完成单片机最小控制系统的设计，以及步进电机的应用和控制。 任务下达时间 2007 年 09月 30 日 毕业设计（论文）开始 与完成时间 2007 年 10月 08 日 至 2007 年 11 月 30 日 预计毕业答辩时间 2007 年 12 月 15 日 毕 业 设 计 进 度 安 排 周 次 第一周 第二周 至 第三周 第三周 至 第四周 第四周 至 第五周 第五周 至 第六周 工 作 内 容 查阅资料，初步确定总体方案 查阅资料，确定各详细设计路线 查阅资料，确实实验可行性 查阅资料，确实控制系统的线路 查阅资料,确定硬件结构框架 检 查 方 式 教师指导 教师指导 教师指导 教师指导 教师指导

第六周 至 第七周 第七周 至 第八周 第八周 至 第九周 第九周 至 第十周 查阅资料,确定软件结构框架 查阅资料,确定单片机通信系统 具体实施阶段 整理材料，编写毕业论文 教师指导 教师指导 教师指导 教师指导 专业教研室 负责人意见 系审核意见 签名： 年 月 日 （系 公 章） 年 月 日 任务下达人签 字 备 注： 1、此表由各专业教研室统一规格后打印。 年 月 日 任务接受人签 字 年 月 日 2、本任务书一式三份，由指导教师填写相关栏目，经系审核同意后，系、指导 教师和学生各执一份。 3、本任务书须与学生的毕业设计（论文）一并按要求装订存档。

目 录

摘要.....................................................................1 1绪论...................................................................2

1.1引言..............................................................2 1.2 国内外设计现状...................................................2 1.3 单片机研究的热点问题.............................................9 1.4 设计的目的、重点与特色...........................................9 1.5 单片机的组织结构................................................10 2步进电机的系统硬件.....................................................11 2.1步进电机系统的优点 ..............................................11

2.2步进电机硬件结构和基本原理.......................................11 2.3步进电机控制程序部分设计.........................................12 2.4本章小结.........................................................15 3系统软件与通信的设计...................................................16 3.1步进电机系统软件介绍.............................................16 3.2步进电机软件程序的实现...........................................16

3.3系统通信分析.....................................................17 3.4单片机仿真技术设计...............................................18 3.5交叉开发调试算法设计.............................................19 3.6本章小结.........................................................21 4.结论.................................................................. 22

4.1实验结果.........................................................22

4.2步进电机的优缺点.................................................23

4.3设计体会.........................................................23

参考文献................................................................ 24 致 谢.................................................................. 25 附 录.................................................................. 26

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摘 要

单片机控制技术应用十分广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。本篇毕业设计主要介绍了单片机控制系统的构成、硬件设计、软件设计和系统调试等各部分，并进行讨论、分析，确定了单片机控制系统的现状以及发展、应用前景。同时也给出了当今单片机步进电机控制系统中主要问题的答案：在精密定位系统及数控系统中，步进电机是其重要组成部分。据资料统计每年在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，有2/3以上采用的是以步进电机作为伺服控制系统。因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在，并根据实验的结果得出单片机仿真系统的的调试方法。目前，电机控制方法已经由传统的PID控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式PID控制方法，并取得了较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度。

关键词：单片机；控制系统；系统设计；系统调试

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第1章 绪论

1.1引言

随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度极高的方向发展。CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。如CPU的运算位数从4位、8位 ??到32位机的发展，运算速度从8 MHz、32 MHz??到1.6 GHz。可以说是日新月异的发展着。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。由此可以认识到，单片机在工业领域运用中，对工业发展、提高工业生产力等有重大意义。因此，掌握好单片机的应用，对以后的生产生活有很强的指导意义。科技的进步需要技术不断的提升。一块大而复杂的模拟电路花费了巨大的精力，繁多的元器件增加了成本。而现在，只需要一块几厘米见方的单片机，写入简单的程序，就可以使以前的电路简单很多。由此可见掌握了单片机技术后,不管今后开发或是工作上，一定会带来意想不到的惊喜。

1.2国内外设计现状

1.2.1国外发展回顾及产生背景

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：

（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS – 48为代表。MCS – 48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS – 48 基础

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上推出了完善的、典型的单片机系列MCS –51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

①完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。

②CPU外围功能单元的集中管理模式。 ③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。

④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

（3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS – 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS – 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

（4）第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

1.2.2国内外单片机发展研究现状

单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域（嵌入式高端应用主要由DSP、ARM、MIPS等高性能处理器构成），在这些应用中，目前也出现了一些新的需求，主要体现在以下几个方面：

（1）以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、玩具等。

（2）随着应用的复杂，对处理器的功能和性能要求不断提高。既要外设丰富、功能灵活，又要有一定的运算能力，能做一些实时算法，而不仅仅做一些简单的控制。

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列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片

1.3本篇毕业论文研究的热点问题

在当前单片机应用的基础上，对于单片机各个方面应用情况下步进电机种类与控制方式的选择. 硬软组态相结合；各部分通信程序的算法及调试；大功率负荷用编程算法实现稳定运行；网络链接的设置等这都是当前单片机研究的热点问题。由此可见掌握步进电机控制系统的编程和调试都对生产生活有着十分重要的实际意义。

1.4 设计的目标、重点与特色

1.4.1课题设计的目的和意义

目的：巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。同时培养针对课题的需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。通过课题设计方案的分析、选择、比较，熟悉单片机用系统开发、研制的过程。并与他人团队协作，增加关于软硬件设计的方法、内容及步骤的了解和认识。

理论意义：掌握单片机指令和器件的操作与应用，以及单片机步进电机的基本原理和编程，可以让自己在学习和生活中应用自己所学知识，提高工业生产力，促进工业发展。

实践意义：通过理论和实践相结合，使个人能力得到全面发展。同时也让学生加深了对专业知识及相关领域更深入的了解，也培养和加强了动手解决问题能力和理论探讨、推导和分析问题的能力。

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1.4.2课题来源和主要设计目标

目前，我国正处于工业飞速发展阶段，而单片机在海洋开发、宇宙探索、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域等有着广泛的应用，并且正朝着智能化和多样化等方向发展。同时，单片机涉及到的技术也不断扩展，如多传感器信息融合、路径规划、硬软组态相结合、网络链接的设置等，产生了一系列研究课题。在当前单片机应用基础上，对于单片机在硬软组态相结合；网络链接的设置等不同情况下，正确选择步进电机种类和控制方式对实际生产生活都有着现实意义。

1.4.3设计的重点与特色

单片机步进电机驱动控制系统设计主要包括以下几个方面的内容：①控制系统总体方案设计，包括系统的要求、控制方案的选择，以及工艺参数的测量范围等；②选择各参数检测元件及变送器；③建立数学模型及确定控制算法；④选择单片机，并决定是自行设计还是购买成套设备；⑤系统硬件设计：包括接口电路，逻辑电路及操作面板；⑥系统软件设计：包括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有硬件设计与软件设计两部分；⑦系统的调试与试验。

1.5论文的组织结构

本论文主要从四个部分阐述了单片机控制系统的过程。各章节的内容说明如下： 第一章：引言。介绍了单片机现状及其发展趋势，以及步进电机控制系统设计的热点，确定本文的重难点，以及设计的目的、意义和目标；并由此确定了论文的设计方向和开展的主要工作。

第二章：详细的介绍了单片机关键技术，并从中总结得出了步进电机控制系统设计及其各项要求。

第三章：对步进电机硬件进行分析和设计。

第四章：介绍了步进电机系统的设计和实现，并分析了其达到的效果和性能，并对步进电机控制系统进行了展望分析。

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第2章 步进电机控制系统硬件

2.1步进电机控制系统的优点

（1）进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。

（2）步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

（3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

（4）可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。

（5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。

（6）电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。

2.2 步进电机结构和基本原理

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。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。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

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显示单元 驱 动 总 线 A相驱动 B相驱动 C相驱动 D相驱动 E相驱动 数控系统 用户接口单元 MCS8031 测速单元 步进电机 故障检测单元 图1 MCS 8031 步进电机驱动系统结构图

如图1所示，数控系统发出的控制信号（方向、节拍、使能、脉冲等）通过用户接口单元到达到8031处理器芯片，该芯片经软件编程实现脉冲的接收、环分和显示，环分后的电脉冲通过总线到达功率驱动电路，再次放大后经驱动总线到用户接口和步进电机，使步进电机按数控系统的要求运行。同时，故障检测单元不停地检测故障（过流、过压、过温等）信号，发现故障时将信号送入CPU(8031)，通过编程CPU即时发出故障处理信号并显示其类型，以保护步进电机和驱动系统不致受到进一步损害。步进电机的运行状态通过测速装置测出并反馈到数控系统，与其给定状态进行对比后，决定发出怎样的控制信息，以实现对步进电机运行状态的精确控制。

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2.3 单片机步进电机驱动控制系统部分的设计

步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1.8度四相混合式步进电机为例，在整步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转1.8度，旋转一周，则需要200个脉冲，在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转0.9度，旋转一周，则需要400个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲，以上述四相六线制步进电机为例，其半步工作方式和整步工作方式的控制时序如表1和表2所列。

时序 1 2 3 4 5 6 7 8 A＋ 0 0 0 0 0 1 1 1 B－ 0 0 0 1 1 1 0 0 A－ 0 1 1 1 0 0 0 0 B＋ 1 1 0 0 0 0 0 1 表1

时序 1 2 3 4 A＋ 1 0 0 1 B－ 0 0 1 1 A－ 0 1 1 0 B＋ 1 1 0 0 表2

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赵晶 Protel99高级应用 . 人民邮电出版社 . 2004 李光才 单片机课程设计 .北京航空航天大学出版社 . 2000 范风强等 单片机语言C51应用实战集锦 . 北京电子工业出版社 .2005 何立民 编单片机应用技术 . 北京航空航天大学出版社 . 1993.2 李广第 单片机基础． 第1版．北京：北京航空航天大学出版社，1999 陈忠平 单片机的原理 . 清华大学出版社 . 1998.2

李广第

步进电机原理及应用浅谈 . 北京航空航天大学出版社 . 1998.6 24

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致 谢

各位领导，各位老师： 你们好！

我的毕业论文题目是《基于单片机的步进电机控制系统》，历经一个月终于完成。在此，我要感谢所有曾给过我指导和帮助的老师与同学们，谢谢你们！

这次做论文的经历将会使我终身受益，我真切的感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是一个真正的不断学习和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，也就没有什么实际意义。本篇论文凝结了我大量的心血，而我的毕业指导教师老师从开始的论文构思阶段就给了我很多指点和帮助。在论文写作阶段，我又有幸得到了老师悉心的指导。虽然老师平时工作繁忙，但他却一直非常关心我们的毕业设计情况。师对论文的把关更是细致入微，即使很细小的错误，也会被他敏锐的发现并告诉我如何去改正，这令我感动不已。在此，我要对老师表示衷心的感谢，也真心祝愿所有老师们：合家欢乐，身体健康，幸福平安。

在设计中使我掌握步进电机分析与设计，以及步进电机和常用检测仪器设备。由于本人设计水平有限，设计中错误在所难免，希望老师给予批评指正。

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附 录

步进电机驱动控制程序控制：

定时器1于方式1,16位,10ms中断一次 40H 10ms计数单元 41H 秒计数单元 42H 分计数单元 43H 时计数单元

定时方式1为10MS:THX=0ECH,TLX=78H 方式0为10MS: THX=63H,TLX=18H 步进电机驱动实验 定时中断程序 正转后反转,显示计数值

步进电机按三相六拍的工作方式运动 X轴 C B A P1.2 P1.1 P1.0

用键盘上方的发光二极管(3FH)对应指示: D2 D1 D0 正转:A-AB-B-BC-C-CA-A 反转:A-CA-C-BC-B-AB-A

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