51单片机控制步进电机的启动、停止、正转、反转

用51单片机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。

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。

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。

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。

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

Q1

Q2

Q3

Q4

1

1

0

1

0

2

1

0

0

1

3

0

1

0

1

4

0

1

1

0

5

1

0

1

0

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。

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

图2.31

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是一种大电流高电压型器件，外电路简单(图2.42)。

电路设计

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：

l 判断旋转方向；

l 按相序确定控制字；

l 按顺序输入控制字；

l 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：

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。

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)

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：

系统软件设计

程序流程图

程序设计

根据要求，可以将程序分为以下几个部份：

(1) 键盘输入程序设计

本系统使用的键盘较少，因此采用独立式键盘接口设计。独立式键盘适用于按键数量较少的场合。独立键盘工作原理：通过上拉电阻接到+5V上。无按键，处于高电平状态，有键按下电平为低。在消除抖动影响上是可以采用了软件消抖方法：在第一次检测到有键按下时，执行一段延时子程序后(约5ms)，再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。

(2) 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。