单片机的步进电机控制系统
摘 要本次设计的内容是利用单片机芯片进行步进电机的控制系统，以单片机为控制核心，以按键模块、ULN2003驱动模块、电源模块、数码管显示模块以及步进电机组成的硬件系统。设计的单片机信号时间方波电机控制水平信号传输给ULN2003驱动芯片,驱动电机的转动。电机转速的四个水平通过按钮加减速度可以积极的和消极的旋转电机,通过按钮控制电机实现行业需要的要求。系统可广泛应用于工业生产和日常生活中,所以它的设计有一定的价值。
目 录
一、前 言 1
（一）研究背景 1
（二）研究任务 1
二、系统整体设计 2
（一）方案论证 2
1. 控制模块 2
2. 驱动模块 3
3. 显示模块 3
4. 电源模块 3
（二） 最终方案 3
三、系统硬件设计 4
（一） 单片机最小系统 4
（二） 驱动模块 5
（三） 显示模块 6
（四） 电机模块 7
（五） 按键模块 7
四、系统软件设计 8
（一） 系统程序 8
（二） 读键盘子程序 9
（三） 处理子程序 10
（四） 中断子程序 11
（五） 使用Keil C51编写程序 12
五、系统调试 13
（一）调试步骤 13
（二）protues 仿真软件简介 16
（三）调试的注意事项 17
（四）软件调试 17
（五）制作问题 18
总结 19
参考文献 20
致谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB图 23
附录三 元器件清单 24
附录四 实物图 25
附录五 源程序 26
一、前 言
（一）研究背景
随着时代的发展以及工业的进步，电机在各行各业中得到了不同的应用，成为人们生活中不可缺少的一部份。电机在自动化生产的过程中，作为一种动力的来源，已在控制领域中得到成熟。随着计
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
算机技术以及单片机等微电子技术的发展，逐渐地将单片机技术融入到工业生产中加强了电机控制的精确度。
电机可以分为直流、三相交流异步、三相同步电机记忆步进电机。步进设计的单片机信号时间方波电机控制，水平信号传输给ULN20003驱动芯片，驱动电机的转动。电机转速的四个水平通过按钮加减速度可以积极的和消极的旋转电机，通过按钮控制电机实现行业需要的要求。系统可广泛应用于工业生产和日常生活中，所以它的设计有一定的价值。通过单片机发出的脉冲个数，可以进行调速。
在不同的环境下，步进电机都能正常运行，所以说步进电机的稳定性比较好，在人们的日常生活中，步进电机在照相机、打印机等电子产品中也有很多应用。 在工业控制中也有步进电机的使用，比如数控机床、医用机械和机器人等动力源。在如此高使用率的情况下，提高电机控制的精确度、反应速度以及它的效率的提高对于节约能源具有重要的研究意义。
（二）研究任务
这次的任务是利用单片机的步进电机的控制系统的设计，通过单片机发出的脉冲信号，从而控制电机的转动；系统有四个按键，它们的功能分别代表步进电机的开始、停止、加速、减速。首先需要做的是根据设计的要求绘制相应的原理图，根据原理图结合价格、功能等元器件条件进行各个模块的硬件选择。其次是对于软件部分的设计，最后对比设计要求进行实物的调试。
本设计应该具备以下功能：
利用按键，控制电机正反转
利用按键，控制电机的起停
利用电机，可以控制电机的加、减速
利用数码管，可以显示电机的各项数值
二、系统整体设计
本设计采取52单片机系统为控制核心，以电源、按键、驱动、数码管显示模块以及步进电机组成的硬件系统。本次实验的内容是，利用单片机产生的方波信号，传送给驱动模块ULN20003，进而促使电机的转动，以及通过一些程序的设计，配合上一些按键，控制电机的起停、加减速等功能。系统框图如图21所示。
图21 系统框图
（一） 方案论证
1. 控制模块
作为本系统的控制核心，要想精确的控制电机的起停以及转速，那么控制芯片的运算能力以及它的精确度和抗干扰能力是我所要的。
方案一 采取52单片机作为本设计的微处理器。52单片机具有运算速度快，功耗低，抗干扰能力强等性能优点。通过编写程序给单片机，使单片机获得脉冲信号，传送给驱动模块，使电机转动。
方案二 采取FPGA（可编程门阵列）作为系统的处理器。FPGA是将所有的元器件都集成在芯片中，使其运算能力强、体积小、处理速度快等优点。
对于两种方案来讲，他们的运算速度，抗干扰性以及功耗等特点都符合我的设计要求。在运算方面，FPGA的运算能力更高；但是用于视力保护器，FPGA未免显得大材小用了，提高了整个设计的成本，不利于视力保护器的市场推广。所以我选择方案一作为控制器。
2. 驱动模块
方案一 通过一些分压的电路，利用电位器调节电阻，使电机获得不同的转速。
方案二 利用驱动芯片的大电流、高耐压的特点，促使电机的运行。
以上的两种方法，通过比较可以得知，他们之间各有利弊。采用电位器只能实现有极调速，方案二方法，电阻小，电流大。采用分压式电位器的调节很难实现本设计要求。所以我采用驱动芯片作为我的驱动模块。
3. 显示模块
方案一 利用液晶显示屏来实现数值的显示。
方案二 利用数码管来实现数值的显示。
经过各方面的考虑，虽然液晶显示屏可以显示各种数值，画图等功能，但是它的价格太高，考虑到这个设计只需要显示数值，并不需要太多其他功能，所以选择方案二比较妥当。
4. 电源模块
方案一 采取干电池作为系统的供电模块。
方案二 采取USB接口作为系统的供电模块。
对于这两种方案而言，如果采取USB的话使用并不方便，而使用电池盒增加了视力保护器的灵活性，所以我选择方案一。
（二） 最终方案
经过详细的方案论证，最终具体方案如下：
目 录
一、前 言 1
（一）研究背景 1
（二）研究任务 1
二、系统整体设计 2
（一）方案论证 2
1. 控制模块 2
2. 驱动模块 3
3. 显示模块 3
4. 电源模块 3
（二） 最终方案 3
三、系统硬件设计 4
（一） 单片机最小系统 4
（二） 驱动模块 5
（三） 显示模块 6
（四） 电机模块 7
（五） 按键模块 7
四、系统软件设计 8
（一） 系统程序 8
（二） 读键盘子程序 9
（三） 处理子程序 10
（四） 中断子程序 11
（五） 使用Keil C51编写程序 12
五、系统调试 13
（一）调试步骤 13
（二）protues 仿真软件简介 16
（三）调试的注意事项 17
（四）软件调试 17
（五）制作问题 18
总结 19
参考文献 20
致谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB图 23
附录三 元器件清单 24
附录四 实物图 25
附录五 源程序 26
一、前 言
（一）研究背景
随着时代的发展以及工业的进步，电机在各行各业中得到了不同的应用，成为人们生活中不可缺少的一部份。电机在自动化生产的过程中，作为一种动力的来源，已在控制领域中得到成熟。随着计
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
算机技术以及单片机等微电子技术的发展，逐渐地将单片机技术融入到工业生产中加强了电机控制的精确度。
电机可以分为直流、三相交流异步、三相同步电机记忆步进电机。步进设计的单片机信号时间方波电机控制，水平信号传输给ULN20003驱动芯片，驱动电机的转动。电机转速的四个水平通过按钮加减速度可以积极的和消极的旋转电机，通过按钮控制电机实现行业需要的要求。系统可广泛应用于工业生产和日常生活中，所以它的设计有一定的价值。通过单片机发出的脉冲个数，可以进行调速。
在不同的环境下，步进电机都能正常运行，所以说步进电机的稳定性比较好，在人们的日常生活中，步进电机在照相机、打印机等电子产品中也有很多应用。 在工业控制中也有步进电机的使用，比如数控机床、医用机械和机器人等动力源。在如此高使用率的情况下，提高电机控制的精确度、反应速度以及它的效率的提高对于节约能源具有重要的研究意义。
（二）研究任务
这次的任务是利用单片机的步进电机的控制系统的设计，通过单片机发出的脉冲信号，从而控制电机的转动；系统有四个按键，它们的功能分别代表步进电机的开始、停止、加速、减速。首先需要做的是根据设计的要求绘制相应的原理图，根据原理图结合价格、功能等元器件条件进行各个模块的硬件选择。其次是对于软件部分的设计，最后对比设计要求进行实物的调试。
本设计应该具备以下功能：
利用按键，控制电机正反转
利用按键，控制电机的起停
利用电机，可以控制电机的加、减速
利用数码管，可以显示电机的各项数值
二、系统整体设计
本设计采取52单片机系统为控制核心，以电源、按键、驱动、数码管显示模块以及步进电机组成的硬件系统。本次实验的内容是，利用单片机产生的方波信号，传送给驱动模块ULN20003，进而促使电机的转动，以及通过一些程序的设计，配合上一些按键，控制电机的起停、加减速等功能。系统框图如图21所示。
图21 系统框图
（一） 方案论证
1. 控制模块
作为本系统的控制核心，要想精确的控制电机的起停以及转速，那么控制芯片的运算能力以及它的精确度和抗干扰能力是我所要的。
方案一 采取52单片机作为本设计的微处理器。52单片机具有运算速度快，功耗低，抗干扰能力强等性能优点。通过编写程序给单片机，使单片机获得脉冲信号，传送给驱动模块，使电机转动。
方案二 采取FPGA（可编程门阵列）作为系统的处理器。FPGA是将所有的元器件都集成在芯片中，使其运算能力强、体积小、处理速度快等优点。
对于两种方案来讲，他们的运算速度，抗干扰性以及功耗等特点都符合我的设计要求。在运算方面，FPGA的运算能力更高；但是用于视力保护器，FPGA未免显得大材小用了，提高了整个设计的成本，不利于视力保护器的市场推广。所以我选择方案一作为控制器。
2. 驱动模块
方案一 通过一些分压的电路，利用电位器调节电阻，使电机获得不同的转速。
方案二 利用驱动芯片的大电流、高耐压的特点，促使电机的运行。
以上的两种方法，通过比较可以得知，他们之间各有利弊。采用电位器只能实现有极调速，方案二方法，电阻小，电流大。采用分压式电位器的调节很难实现本设计要求。所以我采用驱动芯片作为我的驱动模块。
3. 显示模块
方案一 利用液晶显示屏来实现数值的显示。
方案二 利用数码管来实现数值的显示。
经过各方面的考虑，虽然液晶显示屏可以显示各种数值，画图等功能，但是它的价格太高，考虑到这个设计只需要显示数值，并不需要太多其他功能，所以选择方案二比较妥当。
4. 电源模块
方案一 采取干电池作为系统的供电模块。
方案二 采取USB接口作为系统的供电模块。
对于这两种方案而言，如果采取USB的话使用并不方便，而使用电池盒增加了视力保护器的灵活性，所以我选择方案一。
（二） 最终方案
经过详细的方案论证，最终具体方案如下：
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