基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1產(chǎn)品功能分析.........................................................................................................1

2設(shè)計(jì)方案遴選.........................................................................................................1

2.1主控芯片的選擇......................................................................................1

2.2步進(jìn)電機(jī)的選擇......................................................................................2

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇......................................................................................2

2.4系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)..........................................................................................3

3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì).........................................................................................................3

3.1步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)..........................................................................................3

3.2單片機(jī)系統(tǒng)..............................................................................................3

3.3ADC0809采集電路.......................................................................................4

4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì).........................................................................................................5

4.1主程序流程圖..........................................................................................5

4.2電機(jī)控制中斷程序流程圖......................................................................6

5產(chǎn)品使用說(shuō)明.........................................................................................................7

5.1產(chǎn)品裝配圖..............................................................................................7

5.2產(chǎn)品使用說(shuō)明..........................................................................................7

6、產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).................................................................................................7

7參考資料...................................................................................................................8

附錄...............................................................................................................................9

附錄1元器件清單.........................................................................................9

附錄2電路原理圖.......................................................................................10

附錄3PCB設(shè)計(jì)圖........................................................................................11

附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖.......................................................................................12

附錄5主程序代碼.......................................................................................14

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

1產(chǎn)品功能分析

所選擇的步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，使用的方法是單片機(jī)控制步進(jìn)電

機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)可被視作一種可靠的機(jī)械設(shè)備，其能夠通過(guò)輸入電脈沖來(lái)

控制電機(jī)的運(yùn)行。一旦電機(jī)被激活，就會(huì)按照一個(gè)特定的步進(jìn)角，一步步地朝

著指定的目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)精確的控制。利用步進(jìn)電機(jī)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)

對(duì)物體方向、角度、旋轉(zhuǎn)速度、加速度等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體

運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)方式等進(jìn)行有效控制。步進(jìn)電機(jī)采用了一種特殊的

技術(shù)，它能夠根據(jù)不斷變化的參數(shù)，調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體運(yùn)

動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)方向等進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)不僅能夠被微控制器控制，而且

它也被設(shè)計(jì)成一種特殊的電機(jī)，具有無(wú)累積誤差（100%精度）的特性，因此被

應(yīng)用到各類(lèi)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)的目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)以單片機(jī)為核心的單片機(jī)

驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用STC89C51用作控制塊，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)

方向和速度由電位器控制，步進(jìn)電機(jī)的速度動(dòng)態(tài)地顯示在LED燈上。

主要實(shí)現(xiàn)功能：

（1）、電位器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度；

（2）、ADC0809采集電位器的電壓值；

（3）、4個(gè)小紅燈，指示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2設(shè)計(jì)方案遴選

2.1主控芯片的選擇

單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要部門(mén)，也是一種相當(dāng)重要的設(shè)備類(lèi)型。單

片機(jī)也被稱(chēng)為微控制器，特別適合于控制領(lǐng)域，因此也被稱(chēng)為微控制器。

一個(gè)先進(jìn)的單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電路，它的核心是一個(gè)高性能的電路，

它具有多種復(fù)雜的電路，如CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路等，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的

電路操作，并且可以配置各種高級(jí)的軟硬件，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電路操作。

為了確?？刂葡到y(tǒng)的可靠性，我們需要綜合考慮它的各項(xiàng)特征。例如，我

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們需要注意它的芯片速率、ROM容積、I/O接腳的數(shù)量及其它的最大實(shí)際工作電

流（1.8V/3V/5V）。此外，我們還需要注意它的可用端口，比如看門(mén)狗、雙指針、

雙串口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、CAN端口、SPI接口、USB端口。在本次研究中，我們將采

用一種簡(jiǎn)易的、高效的方式來(lái)處理超聲波及聲光信號(hào)，并利用一種普遍適用的

單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從容易學(xué)習(xí)掌握的角度出發(fā)，要求所選單片機(jī)支持簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語(yǔ)言，

并且擁有軟件支持的良好編程環(huán)境。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)有豐富的資料支持，包括詳盡

的芯片說(shuō)明書(shū)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序等。

從工作可靠性的角度出發(fā)，要求所選芯片有較寬工作溫度范圍，較低的功

耗和一定的抗干擾能力。按適用的工作溫度分，常用單片機(jī)芯片可分為商用級(jí)、

工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)，這里選擇一般的商用機(jī)即可。在功耗和抗干擾方面，這個(gè)控

制系統(tǒng)的要求都不高，可以通過(guò)通用單片機(jī)芯片來(lái)滿(mǎn)足。

總而言之，STC89C51單片機(jī)被選為該系統(tǒng)的主要控制芯片。足夠本設(shè)計(jì)運(yùn)

行，且價(jià)格便宜，下載程序方便。

2.2步進(jìn)電機(jī)的選擇

電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)取決于電脈沖信號(hào)的強(qiáng)弱，它可以通過(guò)調(diào)整信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)

控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)電機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)隨著信

號(hào)的強(qiáng)弱而改變。這種開(kāi)環(huán)控制設(shè)備通常用于控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)具備

良好的周期性誤差，而且不會(huì)出現(xiàn)累積性誤差，因此，它可以輕松地實(shí)現(xiàn)快速、

精確的運(yùn)動(dòng)，并且可以滿(mǎn)足多種復(fù)雜的控制要求。

通過(guò)調(diào)整電機(jī)的參數(shù)，可以改善步進(jìn)電機(jī)的性能。例如，當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)

間增加時(shí)，它的運(yùn)行角度會(huì)隨著電機(jī)的運(yùn)行而增加。此外，電機(jī)的運(yùn)行速度也

會(huì)隨著電機(jī)的運(yùn)行而增加，而且這種關(guān)系是穩(wěn)定的。

由于系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，電壓需要達(dá)到5v，因此，我們選擇了28BYJ-48

四相八沖程步進(jìn)電機(jī)，其電壓范圍為DC5V-DC12V，作為本次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)對(duì)象。

通過(guò)施加一系列連續(xù)的控制脈沖，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的運(yùn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖

信號(hào)都會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)或兩個(gè)電壓，從而使得轉(zhuǎn)子在特定的步距角上進(jìn)

行有效的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電壓位置的變化完成周期時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一步。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇

通過(guò)采用ULN2003，可以將步進(jìn)電機(jī)的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化成步進(jìn)角，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步

進(jìn)電機(jī)的精確控制。ULN2003中的7個(gè)NPN達(dá)林頓結(jié)晶體管可以滿(mǎn)足低邏輯的電

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子電路（如CMOS、TTL或PMOS/NMOS）的需求，并且可以作為一種可靠的電源，

將電機(jī)與各種需要大電流、大電壓的設(shè)備相聯(lián)結(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控

制。這種技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了電子、汽車(chē)、家電等領(lǐng)域。ULN2003的設(shè)計(jì)

與標(biāo)準(zhǔn)TTL型器件兼容。

2.4系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

電源模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊AD信號(hào)采集指示燈顯示模塊

單片機(jī)

圖1系統(tǒng)框架圖

3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

以51單片機(jī)為核心處理器、單片機(jī)作為主控制器，DC-5V步進(jìn)電機(jī)，集成

芯片ULN2003作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。AD0809用于捕獲電位器的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換

為數(shù)字信號(hào)，供STC89C51單片機(jī)使用。，單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，4個(gè)小紅燈

指示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.1步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)是一種用來(lái)控制機(jī)械零件的電機(jī)，它可以將電流轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，

無(wú)論是單相還是多相。單相步進(jìn)電機(jī)只能產(chǎn)生一個(gè)電流，通常用來(lái)驅(qū)動(dòng)較小的

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機(jī)械零件。相比之下，多相步進(jìn)電機(jī)可以產(chǎn)生更大的電流，并且應(yīng)用更加廣泛。

當(dāng)多相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)脈沖分配器將電脈沖信號(hào)分解成多個(gè)相，并

將其經(jīng)過(guò)功率放大器處理，最終將這些相信號(hào)輸送至步進(jìn)電器的繞組中。當(dāng)這

些相信號(hào)被輸送至脈沖分配器時(shí)，系統(tǒng)的電壓將隨之改變，從而使得系統(tǒng)的轉(zhuǎn)

子產(chǎn)生特殊的步距角。

通過(guò)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的運(yùn)行方式會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)控制電機(jī)的運(yùn)行方式，

電機(jī)的運(yùn)行角度會(huì)隨著輸入的脈沖的增加而增加。此外，步進(jìn)電機(jī)還能夠通過(guò)

控制電機(jī)的運(yùn)行來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而使其能夠更好地控制電機(jī)的運(yùn)行。

3.2單片機(jī)系統(tǒng)

STC89C5l被選為步進(jìn)電機(jī)控制芯片。STC89C51結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)編程實(shí)

現(xiàn)高達(dá)數(shù)萬(wàn)次的電消閃。STC89C51是一款性?xún)r(jià)比極佳的8位CMOS微處理器，它

擁有4個(gè)字節(jié)的可編碼、可擦除的存儲(chǔ)空間，因此也被廣泛地視作微型計(jì)算機(jī)

的核心部分。它使用ATMEL的先進(jìn)非易失性存儲(chǔ)器，且完全符合MCS-51的規(guī)范，

使其成為一款完美的微型計(jì)算機(jī)。

3.3ADC0809采集電路

ADC0809芯片有28個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。每個(gè)接口的

主要作用如下。

IN0到IN7：8位模擬輸入。

2-1到2-8：8位數(shù)字輸出。

ADDA,ADDB,ADDC：3位地址輸入線(xiàn)，用于選擇8個(gè)模擬輸入中的一個(gè)。

ALE：一種用于存儲(chǔ)地址的信號(hào)，它具有高電平的有效性。

START：將A/D變換的正脈動(dòng)（達(dá)到100ns寬）作為起動(dòng)脈沖，并在脈動(dòng)向

上沿重置0809，降低沿起動(dòng)A/D變換，以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)。

EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換完成后輸出，該端提供一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)

換期間保持低電平）。

OE：數(shù)據(jù)使能信號(hào)，在A/D轉(zhuǎn)換完成后，將高電平輸入端，并通過(guò)三步門(mén)

的控制，將其轉(zhuǎn)換為有效的數(shù)字量。

CLK：時(shí)鐘脈沖輸入。脈沖頻率不應(yīng)超過(guò)640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基本標(biāo)準(zhǔn)電壓。

Vcc：電源，單一+5V。

GND：地。

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VCC

ADC0809

128R7

In3In2

22720k

In4In1

326IN0

In5In0

425

In6ADDA

524

In7ADDB

ST623

STARTADDC

EOC722ST

EOCALE

D3821D7

D3D7

OE920D6

OED6

CLK1019D5

CLOCKD5

1118D4

VCCVccD4

1217D0

Vref+D0

1316

GNDVref-

D11415D2

D1D2

U3

ADC0809

圖2ADC轉(zhuǎn)換電路原理圖

4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)控制軟件必須同時(shí)完成步進(jìn)電機(jī)的讀取、處理和旋轉(zhuǎn)控制等任務(wù)。

通過(guò)使用數(shù)字信號(hào)請(qǐng)求、定時(shí)器0中斷等技術(shù)，我們可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行

有效的操作，從而達(dá)到準(zhǔn)確的速度控制。此外，我們還可以通過(guò)調(diào)整T0時(shí)間常

數(shù)，以及調(diào)整TH0和TL0值，以及調(diào)整脈沖信號(hào)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到有效的

旋轉(zhuǎn)方向控制。

4.1主程序流程圖

該系統(tǒng)分為幾個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)加速和發(fā)動(dòng)機(jī)減

速，主程序框圖如下所示：

開(kāi)始

初始化

AD把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量

轉(zhuǎn)速

控制

結(jié)束

圖3主程序流程圖

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4.2電機(jī)控制中斷程序流程圖

當(dāng)系統(tǒng)處于0時(shí)，它的中斷時(shí)長(zhǎng)取決于當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。在啟動(dòng)該系統(tǒng)之

前，我們需要ACK當(dāng)前的狀態(tài)，以便ACK是否需要維持運(yùn)行。接著，我們需要

調(diào)整TH0和TL0的參數(shù)，以ACK系統(tǒng)的正常運(yùn)行。之后，我們需要重新啟動(dòng)系

統(tǒng)，以便迎接下一次的中斷。

通過(guò)調(diào)節(jié)當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，我們能夠調(diào)節(jié)其脈沖輸出頻率，從而

實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的精確調(diào)節(jié)；此外，通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)各個(gè)部

件之間的接點(diǎn)電壓，我們還能夠調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)在各個(gè)部件上接點(diǎn)的次數(shù)，從而

實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行軌跡的精確調(diào)節(jié)。

開(kāi)始

設(shè)置T0時(shí)間參數(shù)

判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向YES

控制位的值

NO

有控制位查改變方向控

詢(xún)輸出脈沖制變量值

退出

圖4電機(jī)控制中斷程序流程圖

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5產(chǎn)品使用說(shuō)明

5.1產(chǎn)品裝配圖

ADC0809

ST89C51單片機(jī)

步進(jìn)減速電機(jī)電機(jī)

晶振

ULN2003

電源開(kāi)關(guān)

電源插座

LED

燈

圖5產(chǎn)品裝配圖

5.2產(chǎn)品使用說(shuō)明

電源連上電，按下電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，4

個(gè)LED燈指示電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率，電位器轉(zhuǎn)的越快LED燈閃爍越不明顯，電位器

調(diào)到最大時(shí)LED燈不閃爍。

6、產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語(yǔ)；

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[5]GB/T8566-2007信息技術(shù)軟件生存周期過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)；

[6]GB/T8567-2006計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范。

7參考資料

[1]淺談單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[J].袁紅.科技展望.2016(31)

[2]基于89C51單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].李美艷.電子設(shè)計(jì)工程.2014(23)

[3]基于單片機(jī)的煤礦步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].李冰.煤礦機(jī)械.2014(05)

[4]基于AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].何沖,王淑紅,侯勝偉,牛慧文.電氣技術(shù).

2012(04)

[5]步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].宰文姣;汪華章.煤礦機(jī)械,2013(07)

[6]基于STC89C51單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].馬昊偉;董繼先.煤礦機(jī)械,2012(07)

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附錄

附錄1元器件清單

基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

20移動(dòng)互聯(lián)二班葉依蕓

DesignatorFootprintLibRefQuantity

C1C4*7DJDR1

C2,C3CAP-2.54CAP2

D1,D2,D3,D4LED3-RLED4

J1SIP5CON51

P1DC002POWER1

R11/4WRES21

R2,R3,R4,R51/4WRES24

R7RK16312POT21

S1SW-8X8X8SWITCH1

TTLSIP4CON41

U1DIP40STC89C52RC1

U2DIP16ULN20031

U3DIP28ADC08091

Y1XTAL-49/S_NJZ1

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