基于AT89S52单片机的步进电机控制毕业论文

学号20080403301026

密级

××××本科毕业论文

基于AT89S52单片机的步进电机控制

院（系）名称：工学院

专业名称：电气工程及其自动化

学生姓名：××

指导教师：××讲师

二○一二年五月

BACHELOR'S DEGREE THESIS

OF ××××

The stepping motor control based on

AT89S52 SCM

College : Engineering College

Subject :Electrical engineering and automation

Name : ××

Directed by :××teacher

May 201 2

郑重声明

本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，基于单片机的控制已经广泛用于电机控制领域。

而步进电机已成为除直流电机和交流电机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生活和生产进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入电气化时代的今天，传统电动机已不能满足工业自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。如今发展一系列具有控制功能的电机系统，有其自己特点，且应用十分广泛的就是步进电机。

步进电机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备上取代小型直流电动机以后，其设备的性能提高，很快地促进了步进电机的发展。

针对步进电机的应用，以及基于单片机步进电机控制的设计，本文介绍了单片机控制步进电机的系统。在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。本设计的硬件组成主要有：51系列单片机、ULN2003驱动器等。

关键词：AT89S52单片机控制；步进电机；直流电机；系统设计原理

ABSTRACT

Motor control is a very important part of the motor as industrial automation control products. For the growing demand of the control products, the modern motor control technology is also becoming more and more important. The control based on single chip has been widely used in motor control areas.

The stepper motors have become the third category beside the DC and AC motor. Traditional electromechanical energy conversion device motor plays a key role as in human life and production into the electrification process. However, electrification of the human society entered the era, the traditional motors can not fulfill the industrial automation and office automation and other motion control systems. With the development of a series of new motor control system, which has its own characteristics over, and is widely used is the stepper motor.

The development of the stepper motor and computer industries are closely related. Since the stepper motor to replace the computer peripherals after small DC motors, to improve the performance of its equipment, and soon to promote the development of the stepper motor.

For the applications of stepper motor and the control based on single chip design, This paper, we introduces a stepper motor system which controlled by SCM. In the Electrical era today, Motor has been playing a very important role in the modernization of production and life. Stepper motor is a common used implementing agency in motor control. The principle is by switching the coil current and the order in its each phase to make a step-by-step rotary motor. The hardware of the system including: 51 series SCM, ULN2003 driving circuit, etc.

Key words:：AT89S52 SCM control ；Stepping motor；DC motor；

Design principle of the system

目录

摘要 (Ⅰ)

ABSTRACT.................................................................................................................. I I 第1章绪论 .. (1)

1.1 单片机的发展及应用 (1)

1.2 步进电机的发展状况 (2)

1.3 本文的设计意义和主要内容 (3)

第2章基于AT89S52单片机的步进电机控制系统 (4)

2.1 基于AT89S52单片机的控制步进电机的控制 (4)

2.2 主控芯片的选择 (5)

2.3 AT89S52单片机的特点 (5)

2.4 步进电机的特点及工作原理 (7)

2.5 单片机对步进电机的控制方法 (9)

第3章步进电机控制系统硬件设计 (11)

3.1系统硬件主电路 (11)

3.2 +5V电源电路设计 (11)

3.3 复位电路及晶振电路 (12)

3.3.1 复位电路 (12)

3.3.2 晶振电路 (13)

3.4 按键功能 (13)

3.5 ULN2003驱动电路 (14)

第4章步进电机控制系统软件设计 (17)

4.1 软件程序设计流程 (17)

4.2 激磁方式 (17)

4.3 步进电机驱动流程 (18)

第5章总结和展望 (20)

参考文献 (21)

致谢 (22)

附录 (23)

第1章绪论

1.1 单片机的发展及应用

1971年Intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。

1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）其中4004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。

1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。

1973年Intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。

主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。

1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB 存储器。这是世界上第一台微型计算机。

1976年Intel公司研制出MCS-48系列8位单片机，这也是单片机的问世。Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。

20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。

目前单片机技术已经渗透到入们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化程的实时控制

和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，自动控制领域的机器等等，这些都离不开单片机。单片机的学习、开发与应用将造就一批计算计应用与智能化控制的科学家、工程师，由此可见在大学相关专业普及新型单片机应用知识有重要的现实意义[1]。

单片机在中国的发展起源于20世纪80年代。目前，中国各大学及院校普遍采用MCS-5系列作为单片机教学的教材。MCS-5l系列的实验仪器也得到很大发展，许多单片机实验仪生产厂家研制有多功能综合性的MCS-5l系列的实验系统，使得在高校MCS-5l系列实验系统配备相当完善[2]。在工业控制、消费电子产晶、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域也得到了广泛的应用。

但是随着单片机技术的不断发展，MCS-51系列应用领域己逐渐被新型单片机所代，例如AT89S52单片机采用精简指令集、流水线取指的方式，抗干扰能力强，性能价格比高，深受电子设计专家的普遍欢逐。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已经过千，并还广泛用于电动机控制领域。

1.2 步进电机的发展状况

步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机，以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用[3]。

在数字控制系统出现之初，步进电动机经历过一个大的发展阶段。步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，以后经过不断改良。在日本，60年代初期，开发了用于数控装置及计算机外部设备的磁阻式步进电动机。60年代中期至今，开发了混合式步进电动。

在我国，步进电动机的研制始于1958年。当时只有清华大学，华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。到了70年代初，由于电子工业和数字控制技术的发展,特别是数字控制线切割机床发展的需要,才使步进电动机的研究工作蓬勃开展起来。经过五十几年的发展,随着步进电动机理论的日趋完善,特别是磁阻式步进电动机，产品规格、门类的系列化以及出现了像无刷直流电动机系统那

种更优越的系统，才使得步进电动机的发展势头有所缓和。总体看来，目前其发展正趋于平缓[4]。

1.3本文的设计意义和主要内容

电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，基于单片机的控制已经广泛用于电动机控制领域。

本文以基于AT89S52单片机的步进电机控制系统为研究对象，通过AT89S52单片机、脉冲分配器(又称逻辑转换器) L298及其ULN2003类的驱动IC，实现步进电机正反转，从而达到单片机对步进电机控制系统功能的目的。本文所做工作主要有以下几个方面：

第1章是简要介绍本文研究发展前景，国内外研究动态以及发展趋势，提出本文的设计意义，以及实现本设计的主要内容。

第2章根据设计的大体思路，拟定设计框图，并介绍系统设计主芯片的选择和性能特点，以及步进电机、直流电机工作原理，从而，对本系统的实现进行控制分析，明确设计要求。

第3章和第4章是全文的重点，是根据单片机步进电机控制的系统设计图，对系统的硬件设计分各模块工作原理进行概述，以及该系统的软件程序设计和系统的综合分析。

第5章是对全文工作的总结，并对单片机步进电机控制研究设计等方面的工作展望

第2章基于A T89S52单片机的步进电机控制系统

根据我的设计思路，考虑到操作方便性，本文论述基于AT89S52单片机的控制步进电机的正反转系统的设计研究，主要是系统在通电后，通过按动连接在AT89S52单片机上的按键开关，经驱动电路控制步进电机的转向并且能够通过添加相应程序及硬件达到显示目的，从而实现本设计的预期效果。

2.1基于AT89S52单片机的控制步进电机的控制

如图2.1所示，本文所设计的控制系统主要包括单片机、复位电路、晶振电路、电源电路、按键电路、步进电机及驱动电路几部分。

图2.1 基于AT89S52单片机的控制步进电机的控制图

通过学习和查阅资料，本设计需要完成如下方面的工作：

（1）+5V电源电路设计；

（2）单片机复位电路原理分析及设计；

（3）单片机晶振电路原理分析及设计；

（4）按键电路的设计；

（5）驱动电路的原理分析及设计；

（6）单片机C语言程序设计。

2.2主控芯片的选择

主芯片的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。根据本设计的实际情况，由于5l系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEL公司2003年推出的新一代89S 系列单片机，其典型产品AT89具有较高的性能价格比[3]。

根据我的设计思路，考虑到操作方便，节省成本等方面的要求，所以本文采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为本设计的核心部件。AT89S52单片机是AT89S系列单片机中的一种，它是在应用于工业控制等各领域的AT89C52系列单片机的换代产品。

2.3 AT89S52单片机的特点

AT89S52单片机是ATMEL公司新近推出的高档、增强型产品。它是一个低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片内含通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，8k Byte ISP(IIl—system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高比的解决方案[5]。

AT89S52管脚结构有PDIP、PLCC和TOF等三种封装形式，如图2.2所示。

图2.2 单片机AT89S52管脚PDIP排列图

AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。具有以下标准功能特点：

(1) 与MCS51兼容

(2) 8K支持在线编程(ISP)的FLASH结构程序存储器，1000次擦写寿命

(3) 256*8位内部RAM

(4) 工作电压为4.0V~5.5V

(5) 全静态工作：0~24MHz

(6) 3级程序安全加密保护

(7) 32个可编程I／O口

(8) 3个16位定时／计数器

(9) 8个中断源

(10) 一个全双工异步串口

(11) 低功耗支持Idle和Power—down模式

(12) Power down模式支持中断唤醒

(13) 看门狗定时器

此外，与AT89C52相比，AT89S52新增加了许多功能，这将使单片机过程中

具备更高的稳定性和电磁抗干扰性。

首先，AT89S52内部增加了片内看门狗定时器，这将有利于坚固用户应用系统，提高系统可靠性；其次，AT89S52独有的双数据指针使数据操作更加快捷方便；再次，AT89S52运行速度更高，最高晶振可达到33MHZ；最后，AT89S52支持ISP(In—System Programming)在载功能。AT89S52中ISP引脚共有4个：RST、MOSI、MISO和接替换应用系统中的AT89C52，而软件硬件均不需作任何修改，这给正使用AT89C52单片机的用户更新换代带来许多方便。

正因为AT89S52单片机增加了高可靠性、安全性的功能，所以能避免因芯片扩展过多或传感器输入信号过多而引起的信号失真、电磁干扰等现象的发生。从经济性的角度来看，A T89S52不但硬件结构简单，而且价格低、功能强、性价比高，符合本文的设计要求。

2.4步进电机的特点及工作原理

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）。我们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；同时我们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。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。

步进电机特点：

(1) 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。

(2) 步进电机外表不允许较高的温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

(3) 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率

越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

(4) 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。

(5) 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。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。

(6) 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。

(7) 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

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

(9) 步进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的措施。

(10) 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

步进电机本质上是一个数字角度转换器。图2-3是最常见的三相反应式步进电机的结构示意图。

图2.3三相反应式步进电机的结构示意图

1—定子2—转子3—定子绕组

步进电机的结构特点：

电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60o。各磁极上套有线圈，按图2-3连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360o/40=9o，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。

步进电机的工作原理：

由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。

若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图2.3，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3o。因此，B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。若给B相通电，B相绕组产生定子磁场，其磁力线穿越B相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转矩）的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3o；此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着停止对B相绕组通电，而改为C相绕组通电，同样受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过3o[6]。

依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3o的规律步进式转动起来。

若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3o的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角θb为30o。

三相步进电机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按A→AB→B→BC→C →CA→A顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。

反应式步进电机的步距角可按2.1式计算：

θb=360o/NE r（2.1）

式中Er——转子齿数；N——运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数。2.5单片机对步进电机的控制方法

本系统是使用AT89S52单片机芯片，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动的次数，通过软件方式，以方便灵活地控制步进电机的

运行状态。

步进电机控制包括控制脉冲的产生和分配，其中最大的特点就是开环控制，不需要反馈信号。通过局部总线与单片机直接连接，扩展总线通过总线控制器把按键模块、L298脉冲分配器、74HC573芯片等与局部总线相连，从CPU出来的数据、地址、读写控制等信号构成整个系统。

当按下按键时，通过单片机内的程序，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度，即正转或反转。

整个系统主要是通过按键控制，操作方便，节省成本，可控制性较高，基本符合设计要求。

第3章步进电机控制系统硬件设计

3.1系统硬件主电路

根据前文中的图2.1，可以设计出单片机控制步进电机的硬件电路图，如图3.1所示。

图3.1 单片机控制步进电机的硬件主电路图其中：AT89S52的晶振频率为6MHz；

最大输出电压为50V；

最大连续输出电流为0.5A；

最大连续输入电流为25mA；

功耗为1W。

3.2 +5V电源电路设计

由于CPU对+5V电源要求较高，一方面要使产生的电压恒定，另一方面还要考虑系统的抗干扰能力，故本文采用集成脉冲宽度调制开关稳压电路和相关的抗干扰电路来实现。电路图如图3.2所示。

图3.2 +5V电源电路

电源的核心器件7805是一个常见的三端稳压集成电路，具有效率高、外围元件少、应用简单、输出电压可调、误差小、输出电流大、转换速率快、保护功能强等特点，特别适合小型开关电源。

三端稳压IC，顾名思义有三条引脚，分别是输入端，接地端合输出端。他的样子像普通三极管。

C12和C15分别为输入端和输出端滤波电容，1为输入端，输入可调电压。2为接地端，3为输出端，输出稳定的5V电压。

3.3 复位电路及晶振电路

3.3.1 复位电路

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。本设计采用的是手动复位，如图3.3所示。

图3.3单片机手动按钮复位电路

工作原理：按S1键后，电容器被短路放电、RST直接和VCC相连，就是高电平，此时进入“复位状态”；

松开S1键后：电源开始对电容器充电，此时，充电电流在电阻上，形成高电

平送到RST，仍然是“复位状态”；

稍后，充电结束，电流降为0，电阻上的电压也将为0，RST降为低电平，开始正常工作。

3.3.2晶振电路

AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。

晶振模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。

一般的晶振为石英振荡器，如图3.4所示。

图3.4晶振电路

其作用是在电路产生震荡电流,发出时钟信号。它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。由于制造工艺不断提高，现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指标都很好，已不容易出现故障，但在选用时仍可留意一下晶振的质量。

3.4 按键功能

按键采用3个功能键，K1、K2和K3按键开关分别接在单片机的P0.0~P0.2引脚上，用来控制步进电机的转向，作为控制信号的输入端键。按K1时，步进电机正传；按K2时，步进电机反转；按K3时，步进电机停止转动，如图3.5所示,

为了防止开关同时按下造成误操作，这里可以使用互锁开关。

图3.5按键电路

3.5 ULN2003驱动电路

ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源[7]。

ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，但每个单元驱动电流最大可达350mA。如图3.6所示。