基于单片机的步进电机控制新版专业系统设计.doc

基于51单片机步进电机控制系统设计
汉字摘要
步进电机是一个受，而且能将对应或电动机。因为步进电机含有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、成本低等优点，所以，被广泛使用于计算机外围电路、自动化控制装置和其它数字控制装置中，如打印机、钟表、数模转换设备等装置中。伴随科学技术快速发展，对应控制系统也产生了很多个类，步进电机身影在众多领域中能够看到。其中采取单片机作为控制关键控制系统，因为其电路简单、成本低、可靠性强等优点，满足众多领域需求，得到了大量利用。所以，研究基于单片机步进电机控制系统，。本设计研究是基于51单片机。经过单片机I/O端口输出时序方波作为控制信号，信号经过芯片ULN驱动芯片驱动步进电机进行不一样指令进行工作。依据不一样需要，经过按键电路来控制步进电机启停、正反转和加减速等功效，并在数码管上实时显示步进电机工作状态。本文给出了电路各个模块电路图，并用ProteusISIS软件对控制系统各个功效进行了仿真，并给出了对应仿真结果图像。

关键词：单片机； 步进电机； 电机驱动； 控制系统

Abstract
Stepper motor controlled by a pulse signal, and a pulse signal can be converted to the corresponding angular displacement or linear displacement of the digital motor. As the stepper motor has a step error does not accumulate, reliable, simple structure, small inertia, low cost, and therefore, are widely used in computer peripheral circuits, automatic control devices and other digital control devices, such as printers, watches and clocks , digital to analog conversion equipment, and other devices. With the rapid development of science and technology, the corresponding control system also produced many types of stepper motor figure can be seen in many areas. Which uses microcontroller as the control of the control system, because of its simple circuit, low cost, high reliability, etc., to meet the needs of many fields, we get a lot of use. Therefore, based on single-chip stepper motor control system has important practical significance.The design study is 51 single-chip stepper motor control system. As a control signal, the signal through the chip ULN stepper motor drive to work through the microcontroller I / O port output timing square wave. Depending on the need, through the key circuit to control the start and stop, reversing and ramp functions such as stepper motors, stepper motors in real-time display and digital working condition. In this paper, the circuit diagram of each module, and with the ISIS Proteus software for each function control system simulation, and the simulation results are given corresponding image.

Key words: microcontroller; stepper motor; motor drive; control system

目 录

汉字摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 步进电机及其发展过程 1
1.2 步进电机在中国应用及前景 2
1.3 本设计研究内容 3
1.4 步进电机性能指标及工作原理 3
1.4.1 步进电机特点 3
1.4.2 步进电机种类 4
1.4.3 步进电机关键性能指标 5
1.4.4 步进电机工作原理 6
1.5 步进电机控制系统原理 8
2 总体方案设计 10
2.1 设计思绪选择 10
2.2 单片机芯片选择 12
2.3 驱动电机芯片选择 12
2.4 显示电路选择 13
2.5 步进电机选择 13
3 控制系统硬件电路设计 15
3.1 键盘控制电路 15
3.2 单片机最小系统电路 16
3.3 数码管显示电路 18
3.4 步进电机驱动电路 20
3.5 步进电机其它电路 21
4 控制系统软件设计 23
4.1 主程序步骤图 23
4.2 读按键子程序步骤图 24
4.3 按键处理子程序步骤图 25
4.4 电机控制中止程序步骤图 26
5 仿真和测试 28
5.1 仿真软件介绍 28
5.2仿真操作步骤 28
5.3 电路板焊接  29
5.4 电路板测试 30
6 结论和展望 32
致 谢 34
参考文件 35
附录：系统总体电路图 36
系统仿真原理图 37
PCB打印图 38
原件清单 39
程 序 40

1 绪论
1.1 步进电机及其发展过程
步进电机是一个受，而且能将对应或电动机。因为电源每次输入电脉冲给该电机，该电机就会前进一小步，转动方法是步进式，所以称为步进电动机。因为电源输入是脉冲式电压，所以，有时也被称为脉冲电动机。
在步进电机驱动能力范围内，其输出角位移或线位移和输入脉冲个数成正比，不因电源电压、负载改变和环境条件等改变而改变。所以其输出角速度或线速度也和输入脉冲频率成正比，经过改变输入脉冲频率高低就能够调整步进电机转速，并能控制步进电机快速开启，暂停，正反转和加减速等。
因为步进电机含有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、成本低等优点，所以，被广泛使用于计算机外围电路、自动化控制装置和其它数字控制装置中，如打印机、钟表、数模转换设备等装置中。
即使步进电机近些年来才被广泛使用，但其工作原理很早就被大家研究出来。其中，最早能够追溯到法国人佛罗曼提出了将电磁铁吸引力转化为力矩方法。当初，激磁相切换是采取机械式凸轮接触点来完成，这就是步进电机最初原理模型。以后逐步发展还出现了旋转线圈式应用方法。二十世纪三十年代以后，步进电机应用才逐步开始，称为步进电机，被用作。
伴随晶体管元件快速发展，和之相结合使用步进电机也得到了快速发展和广泛使用。1950年研制出二极管半导体，1964年开发出MOS半导体，尤其是经过1950—1965年间半导体材料高速发展后，因为价格低廉、可靠性高逻辑数字电路得到广泛应用，使步进电机使用量也急剧增加。
多年来，伴随电力电子技术、自动化控制技术和计算机技术快速发展，步进电机系统尤其是其中驱动电路部分不停发展，使其在单片机控制，数控机床、绘图仪、打印机和光学仪器中全部得到了广泛应用。现现在，继电动机和电动机这两大类电机被广泛应用后，步进电机也已成为生活中最常见。中国外围绕着步进电机系统研究做了大量工作和对应开发工作。

图1-1 步进电机
1.2 步进电机在中国应用及前景
中国对于步进电机研究及制造起始于20世纪50年代。当初，关键是部分高等院校和科研机构使用或开发和步进电机相关产品。进入70年代，中国各地，比如北京、南京、江浙一带全部有大量生产和使用，其中驱动电路半导体器件，已实现完全国产化。进入改革开放时代后，伴随国外多种步进电机优异技术进入中国，中国对其进行了大量研究，并开发出了多个混合式步进电机和对应驱动元件，同时，也被大量应用于多种领域中。发展至现今，中国在这方面理论研究比较成熟，逐步形成了比较完善基础理论和设计方法，产品种类也逐步多样化，性能和参数也逐步达成甚至有些已经超出国外同类产品水平。
而国外大功率驱动工业设备上，只有少数要求较高设备中才会使用空心转杯电机、交流电机；现在，大多数场所不使用大扭矩步进电机，而是采取直流电动机。其原因是从驱动电路成本、效率、系统惯量和最大扭矩比等指标进行比较，采取直流电动机更为适宜。除此之外，还有部分小功率工业设备中也得到了广泛应用，比如，工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、摄影机和大型望远镜等等。
经过多年发展，步进电机应用越来越广泛，功效愈加强大，种类也很繁多，对应产品也日趋完善。步进电机以它显著优点在工业生产和自动化控制中占据着不可动摇地位。相信在很快未来，伴伴随科学技术快速发展，步进电机将会在更多领域得到广泛应用。
1.3 本设计研究内容
本设计研究是基于51单片机步进电机控制系统。采取单片机STC89C51作为控制关键，经过四个按键控制步进电机运行状态，即控制启停、转向、加减速等，并利用四位数码管显示步进电机转向和速度等级。本设计硬件部分关键由、模块、模块、模块和模块。
本产品关键实现功效：
（1）5个按键控制整个电路，对应功效分别是：开启/暂停、正/反转、加速、减速、复位；
（2）数码管显示正/反转指示和电机转动速度等级；
（3）5个LED灯，一个为电源工作指示灯，其它四个则指示电机转速等级。
本设计控制关键是利用软件控制单片机输出不一样脉冲信号，从而驱动步进电机进行对应动作，显示不一样运行结果，同时，为了使步进电机运行状态显示更为直观，利用数码管显示电路实时显示出来。
1.4 步进电机性能指标及工作原理
本设计是以STC89C51单片机作为控制单元，集成芯片ULN作为电机驱动芯片，DC-5V步进电机作为控制对象。本设计经过五个按键控制，改变输入脉冲频率和个数来调整步进电机正反转、加速、减速、暂停和复位功效；LED数码管第一、二位显示速度等级，而第四位则显示步进电机转动方向；5个发光二极管，一个为电源指示灯，其它四个则指示电机转速。
1.4.1 步进电机特点
从应用角度来说，对步进电机基础要求以下:
（1） 步进电机能够在一系列脉冲信号控制下,快速、平滑、稳定实现开启、暂停、正/反转，加/减速等运行方法；
（2） 为了提升精度，要求脉冲对应位移量小，并要正确、均匀。这就要求步进电机步距小、步距精度高，不能存在失步现象。要求步进电机输出转矩大，能够直接带动负载工作
（3） 响应要快速。即要求步进电机不仅开启、暂停、反转动作要快速，并能连续高速运转工作以提升劳动生产效率。
（4） 。
1.4.2 步进电机种类
常见步进电机有三种：
（1）永磁式步进电机
永磁式步进电机内部关键由定子和转子两部分组成，组成形式也能够为两种，即转子采取永久磁铁，定子采取线圈；或反之，也能够。其工作原理是通电定子线圈产生磁场和转子永久磁铁产生磁场，经过吸引或排斥相互作用，产生转动力矩，使其进行转动工作。
该电机特点是励磁功率小、效率高、造价廉价，开启频率和运行频率较低，永磁需要量也大。缺点是因为永久磁铁之间磁化间距不便于测量、控制，受到影响原因较多，故为了保持良好效果，步距角通常会设置较大。
（2)反应式步进电机
反应式步进电机，通常也被称为可变磁阻型步进电机，其转子磁路是由软磁材料制成铁芯，而定子则由励磁绕组线圈缠绕着铁芯组成；其工作原理是磁性转子铁芯经过定子产生脉冲磁场而形成吸引或排斥相互作用，产生转矩，使其进行转动工作。
。这类电机转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。这种电机含有效率低、开启和运行频率较高、转子阻尼差、噪声大等缺点。优点是制造材料费用低、结构简单、步距角小。
（3）混合式步进电机
因为该电机转子导磁体上嵌有永久磁铁，能够说是永磁型和可变磁阻型相结合一个形式。故称为混合型步进电机。混合式步进电机分为两相、三相和五相等。因为其内部结构组成特点，使其同时含有了永磁式和反应式各自优点，含有输出转矩大，响应速度快，效率高，振动噪声小等优点。
1.4.3 步进电机关键性能指标
（1）步距角
控制系统输入一个电脉冲信号时，转子所旋转过机械角度称为步距角。即：当定子绕组完成一次通电周期时，转子绕组因为受到磁场改变作用，产生磁矩，旋转对应机械角度。步距角大小会影响到步进电机运行频率和开启。

通常情况下，步距角越小，加工精度就越高。
（2）最大静转矩
为最大静转矩。它表示了步进电机所能承受负载能力。通常情况下，流入步进电机绕组电流越大，最大静转矩也就越大，也就能够带动更大负载转矩，此时运行快速性及稳定性就越好。
（3）静态步距角误差
静态步距角误差，由名称可知，是指步距角理论值域实际值之间误差，因为误差较小，通常在分等级，通常不会超出10分精度范围。该误差值关键是有电磁转矩不均匀等其它原因造成，这种误差在实际生活中不可避免，通常只有深入提升机械齿轮制造精度，使误差值尽可能减小。步距角误差直接影响工作加工精度和步进电机动态特征。通常在空载情况下进行测定，静态步距角误差越小，表示步进电机精度越高。
（4）开启频率和开启频率特征
开启频率是指步进电机在不带任何负载情况下，由静止状态直接进行开启，而且能够稳定、不失步进入正常运行状态，所需要脉冲频率最大值。它也是衡量步进电机响应速度快慢一个关键参数。高于步进电机，。开启频率和负载惯量相关，通常来说伴随负载惯量增加而下降。
产品介绍上往往会给出空载时开启频率。然而实际使用中，大多数步进电机全部是在带有负载情况下开启，所以，所以产品介绍通常会以表格或曲线形式给出开启矩频特征，即开启频率特征，方便确定负载开启频率。
（5）运行频率和运行矩频特征
运行频率是指步进电机在开启后，稳定运行过程中，连续上升脉冲信号频率时，。运行频率是衡量步进电机定子绕组通电改变频率快慢一个关键参数。。运行频率随负载性质和大小而异，和驱动电源也有很大关系。运行矩频特征通常会在产品介绍中以表格或曲线形式给出。当步进电机。带负载运行时，。
1.4.4 步进电机工作原理
步进电机控制最大特点是开环控制，不需要反馈信号。因为步进电机运动不产生旋转量误差积累。
四相电机运行时，能够是四相中每次只有一相绕组通电来工作，也能够是两相同时通电，或是单相和两相交替通电。前一个驱动方法称为四相单四拍，后二者分别为四相双四拍和四相八拍。这里所谓“四相”是指步进电机含有四相定子绕组；“单”是指每次只有一相绕组通电；“四拍”是指四次换接为一个循环，第五次换接反复第一次情况。
（1）四相单四拍。电机通电次序为A-B-C-D-A-B...，如表1-1所表示;
（2）四相双四拍。电机通电次序为AB-BC-CD-DA-AB-BC...，如表1-2所表示;
（3）四相八拍。电机通电次序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-AB...，如表1-3所表示;
表1-1 四相单四拍
步序
控制位
工作状态
A相
B相
C相
D相
1
1
0
0
0
A
2
0
1
0
0
B
3
0
0
1
0
C
4
0
0
0
1
D

表1-2 四相双四拍
步序
控制位
工作状态
A相
B相
C相
D相
1
1
1
0
0
AB
2
0
1
1
0
BC
3
0
0
1
1
CD
4
1
0
0
1
DA

表1-3 四相八拍
步序
控制位
工作状态
A相
B相
C相
D相
1
1
0
0
0
A
2
1
1
0
0
AB
3
0
1
0
0
B
4
0
1
1
0
BC
5
0
0
1
0
C
6
0
0
1
1
CD
7
0
0
0
1
D
8
1
0
0
1
DA

此次设计中使用是28BYJ-48步进电机，该电机属于四相八拍电机，所以，该步进电机输入脉冲信号也应该是四相八拍工作方法。使用单片机定时器0，把工作方法设置为1，单片机每一次中止全部会给步进电机绕组输入一个脉冲电压，步进电机随立即脉冲信号转化为线位移或角位移，转动一个角度。

1.5 步进电机控制系统原理
传统步进电机控制系统是电子电路组成，关键由脉冲发生器、环形脉冲分配器、功率放大器和步进电机组成，结构图图1-4所表示：

图1-4 传统步进电机控制系统
脉冲发生器作用是产生一连串（一系列）连续脉冲信号电子器件，脉冲信号频率范围较宽，能够是低频是20赫兹至10兆赫兹，也能够是高频100千赫兹至300兆赫兹等等。环形脉冲分配器作用是将输入连续脉冲信号，根据一定规律次序，分别分配给驱动元件各个端口。在这个过程中，环形脉冲分配器根据一定次序接通、断开，使电机绕组通电按输入脉冲控制而循环改变。因为环形脉冲分配器输出脉冲信号电流很小，往往只有几微安，所以要想驱动步进电机进行工作就需要添加功率放大器，将功率就行放大。采取以往电子电路控制方法，因为其电路组成复杂，成本较高，所以限制了它应用，不能大范围应用。
不过，若采取基于单片机控制系统，由软件替换脉冲发生器和环形分配器作用，不仅大大简化了电路组成，也降低了成本，稳定性和可靠性也大大提升。另外，能够依据系统需要，灵活改变步进电机控制设计方案，使其性能不在单一，使用很方便。常见基于单片机控制步进电机系统原理图，图1-5所表示：

图1-5 基于单片机控制系统
将图2和图1相比，关键区分在和用单片机替换了脉冲发生器和环形分配器作用。所以，，并实现。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它使沿着方向控制线信号所确定方向行进。步进电机在正常工作状态下，对步进电机每输入一个脉冲信号，步进电机就会转动对应步距角，且该步距角是成百分比，且角度值是固定。，若能已知其行进步数和行进前初始位置，。

2 总体方案设计
2.1 设计思绪选择
对于步进电机控制研究，中国外近些年出现了多个控制方法，其中最常见控制方法为以下三种：
（1）基于电子电路控制方法：
步进电机能直接接收数字信号特点，所以被广泛应用于数字控制系统中。其中较常见控制电路是采取硬件电路方法，即利用数字逻辑单元组成电子电路。此种控制方法特点是电路结构简单，可靠性强，性能稳定，能够实现通常基础任务要求。缺点是功效性比较单一，电路功效不能更改。若要改变控制系统功效，通常需要重新设计硬件电路，灵活性较差。
（2）基于单片机控制方法:
采取基于单片机步进电机控制方法，实现了软、硬件相结合控制方法。为了能够愈加正确、正确控制步进电机，最好控制方法是利用软件将脉冲信号有规律输出到步进电机驱动元件上，从而，替换了环形脉冲分配器功效。因为单片机强大功效，还能够扩张大量外围电路，键盘作为一个外围中止源，可控制步进电机实现启停、正反转、加减速等功效，也能够利用数码管作为显示电路，来显示步进电机工作状态。此种控制方法特点是系统灵活性好，可靠性强，增加了控制系统功效多样性。缺点是系统硬件设计相对复杂，电路设计工作量相对较大。
（3）基于PLC控制方法：
PLC控制方法是在工业领域中，以计算机控制技术相结合发展起来控制技术。经过PLC，将控制脉冲按步进电机对应上。而环形脉冲分配器能够分为软件和硬件两种。采取软件环形分配器时，占用PLC资源较多，电路结构简单；而采取硬件环形分配器时，电路结构复杂，PLC资源占用较少，但增加成本。此种控制方法特点是抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性价比高，安装简便，维修方便等。缺点是不能在高频率下对步进电机进行控制，且控制精度小。
经过对以上三种方案比较，能够发觉：基于电子电路控制方法灵活性不高；基于PLC控制方法不能在高频率下进行，控制精度小；而伴随科学技术快速发展，大家对控制功效要求也越来越高，使得单片机优点愈加直白显现出来，所以，单片机和控制电路结合是以后发展主流方向。结合本设计设计成本等原因考量，故本设计采取基于单片机控制方法。
本方案有以下优点：
（1） 利用，经过改变单片机输入程序，，使步进电机和大大提升；
（2） 利用单片机软件能够使步进电机，也使控制方法实现了和，能够有效对电路产生影响；
（3） 因为单片机扩展性较强，使其功效日趋完善，功效也逐步多样化，设计成本较低，含有很；
（4） 因为单片机拥有很多外围电路，且现存子程序日趋完善，在使用时，直接调用，大大降低了工作量，也提升了系统交互性。
硬件部分关键是以，本设计选择步进电机是，经过软、硬件结合，实现了步进电机、/、功效，而且将电机在上。本设计是由、模块、模块、模块和模块。其中、、是此次设计。
本设计系统框图图2-1所表示：

单片机

键盘控制模块
电机驱动模块
数码管显示模块
电源模块

图2-1 总体设计框图
2.2 单片机芯片选择
方案一：采取凌阳单片机。凌阳单片机是一款控制处理数据和数字信号处理设备。该单片机含有多个不一样产品类型，能够满足不一样电路场所需求。它含有集成度高、数/模混合、功效全、低功耗、低电压和易于扩展等特点，而且能用电池供电，含有较强中止处理能力。另外，它还增加了适合于DSP一些特殊指令，有些系列单片机还嵌入了LCD控制/驱动和双音多频发生器功效，而且支持语音提醒功效。缺点是价格较贵，不利于提升产品性价比。
方案二：采取51系列单片机。51单片机是现在应用最为广泛单片机。该单片机含有高、小、低、齐全、轻易、方便、能力强、可靠等优点。同时，它价格低廉，有利于提升性价比。缺点是数据处理较弱。
现实生活中，为了使电路更稳定工作，有时单片机芯片需要含有一定抗干扰能力和一定范围工作环境温度等等特殊要求。按适用工作温度分，单片机芯片可分为商用级、工业级、军用级三个等级，这里选择通常商用机即可。按抗干扰能力方面要求，因为此次设计功效有限，通常单片机均能满足该要求，所以，抗干扰方面不需要尤其考虑。若从易学掌握角度出发，要求所选单片机要支持简单易学编程语言，而且拥有易于学习编程软件。另外，本设计选择单片机最好含有丰富相关学习资料，便于查找学习，使其含有更高通用性。若从该角度出发，51系列单片机含有一定优势。
总而言之，经过从各方面综合考虑，本系统选择方案二51单片机作为主控芯片。在常见51单片机中，STC89C51系列单片机是宏晶科技推出新一代超强抗干扰、高速低功耗单片机，它功效已完全能够实现本设计要求，且价格廉价，下载程序方便。
2.3 驱动电机芯片选择
方案一： 使用驱动芯片ULN。 ULN芯片能够直接处理数字信号，比如经过数字逻辑电子电路产生脉冲信号。该芯片内部结构由组成，而且。通常被广泛应用于单片机、PLC、仪表电器等控制驱动电路中。特点是高、高、强、好、小、低廉等等。
方案二： 使用驱动芯片L298。L298N芯片属于H桥集成电路。驱动芯片L298能够直接和单片机进行连接，接收单片机数字脉冲信号。因为其输出电流大、功率大特点，能够直接驱动电机进行工作。而当驱动芯片L298直接驱动步进电机工作时，只需要改变脉冲信号逻辑电平值，就能够实现对步进电机工作状态控制。该芯片含有体积小，控制方便等优点，缺点是使用该芯片时需要添加光电耦合器件，进行光电隔离，消除电机对单片机产生干扰，从而使系统稳定可靠地工作。
总而言之，经过从各方面综合考虑，本系统选择方案一ULN作为本设计驱动芯片。
2.4 显示电路选择
方案一:采取LCD液晶显示器。LCD液晶显示器不仅能够显示、和汉字，还可，而且能够实现、屏幕内容等功效，含有小、轻、小、小、清楚等优点。缺点是对单片机接口要求高，通常多采取并行接口，占用资源多，同时也需要专门驱动电路，且器件价格昂贵。
方案二:采取LED数码管。LED数码管显示模块数码管，。STC89C51单片机输出脉冲序列经过上拉电阻驱动数码管显示。采取数码管动态显示方法，含有亮度高、响应速度快、防潮防湿性能好、使用寿命长、硬件电路简单、编程简便、显示信息清楚、价格低廉等优点，但占用单片机I/O端口较多。
总而言之，经过从使用实用性和价格等各方面综合考虑，本系统选择方案二LED数码管作为本设计显示模块。
2.5 步进电机选择
因为此次设计供电电源是5V直流电源，STC89C51单片机VCC电压也为5V，该设计最高电压也是5V。所以，选择类型也应该是驱动电压为直流5V，，经过综合考量， 28BYJ-48步进电机比较符合本设计要求，性价比各方面也很符合。28BYJ-48步进电机属于四相八拍电机，输入电压范围为直流5V-12V。当步进电机输入一系列连续脉冲信号时，步进电机按摄影应运行状态，转动对应角度。比如，当输入步进电机通电状态改变一次时，对应转子也就转过对应一个步距角，和之相对。

3 控制系统硬件电路设计
本设计采取是STC89C51作为步进电机控制芯片。带4K，是经典嵌入。，同时，因为，所以，它也和工业标准。单片机图3-1所表示：

图3-1 单片机
3.1 键盘控制电路
依据控制系统功效要求，需要设置四个控制按键，即：K2、K3、K4、K5，分别来控制步进电机启停、转向、加速和减速功效。键盘控制电路原理图图3-2所表示。经过K2、K3状态改变来实现电机启停、转向控制功效。当控制按键K2或K3有输入信号时，单片机检测到P1.0端口或P1.1端口状态由高电平变为低电平，内部程序调用对应启停程序或转向程序，进而控制步进电机启停和转向工作状态。
由步进电机工作原理可知：步进电机转速控制关键是受输入步进电机频率大小所决定。对于单片机而言，关键方法有：软件延时和定时中止。本设计采取是定时中止方法。经过控制K4或K5按键开关闭合、断开，来控制步进电机加速或减速。依据K4或K5按键开关输入次数，将其输入到单片机中，更改程序定时器中中止次数，改变输出脉冲频率，继而，实现对步进电机加速或减速控制。

图3-2 键盘控制电路原理图
3.2 单片机最小系统电路
是由。
（1）复位及复位电路设计：
在单片机系统中，复位电路是不可缺乏。单片机在正常工作（即实施指令）前，必需要进行复位操作，这么做目标是将CPU和系统中其它部件全部处于一个明确初始状态，便于系统开启。
要实现复位操作，必需使单片机RESET管脚最少保持2个机器周期以上高电平即可。在实际系统中，考虑到系统电源电压上升时间和晶体振荡器起振时间，为了确保系统能可靠地复位，复位信号应该最少维持20ms以上高电平。单片机复位电路有很多个，关键分为上电复位和手动按键复位两种。
本电路复位电路部分采取是手动按键复位方法，复位电路部分图3-3所表示。手动按键复位方法工作原理：当按下复位开关K1时，电源VCC和单片机复位口RST直接相连，将复位端口置于高电平，极性电容C2也放电；当松开复位开关K1时，因为电容两端电压值不能突变，故复位端口RST仍为高电平，此时电源VCC对电容C2充电，直至充电完成，电容相当于开路，复位端口RST被置为低电平，电路复位工作完成。
（2）时钟电路设计:
在设计单片机系统电路时，时钟电路也是不可缺乏。在计算机系统中，全部工作全部是在一个节拍（时钟）下同时工作，这么才不会出现冲突。而为这个系统提供统一节拍，便是时钟电路工作，就如同心脏一样，给计算机提供动力。在单片机系统中，单片机系统工作快慢关键取决于时钟电路中晶振频率大小。
尤其注意是，在单片机中，时钟电路设计一定要和单片机靠近，路线尽可能短。时钟电路地一定要和同一时钟芯片地共地。在晶振频率选择上，在满足系统需要前提下尽可能地选择低频率晶振，这么能够降低系统功耗，不是选择频率越高越好。
在单片机系统中，时钟信号产生通常有两种方法：内部时钟方法和外部时钟方法。本设计采取是内部时钟方法，图3-3所表示。晶振电路是由两个30PF电容和一个12M晶体振荡器组成，两端分别跨接在单片机XTAL1和XTAL2两个端口上。这里两个电容是起到稳定频率作用，对晶振产生频率微调，使振荡频率和晶振频率保持一致。

图3-3 单片机最小系统
3.3 数码管显示电路
数码管显示器，也称为LED显示器，通常是由多个发光二极管组成，能够显示字段显示器件。当LED显示器中段二极管导通时，字段中一段或一点对应点亮，若能快速同时控制发光二极管导通，便能够控制数码管显示器显示出不一样字符。各段LED显示器需要由驱动电路驱动。生活中，因为其成本较低、显示性能优异等优点，被广泛使用于多种场所，常见数码管显示器有很多个，比如四位数码管显示器、米字形数码管显示器等等。
按发光二极管单元连接方法不一样，数码管可分为以下两类：
（1）共阳极接法。，并和电源电压+5V相连，。当输入端为低电平时，发光二极管导通点亮，能够显示对应字符信息。图3-4所表示。
（2）共阴极接法。，并接地连接。
每个发光二极管阳极经过电阻和输入端相连。当输入端为高电平时，发光二极管导通点亮，能够显示对应字符信息。图3-5所表示。

图3-4 共阳极接法 图3-5 共阴极接法
在本设计中所采取是共阳极数码管作为显示电路，利用三极管导通和关断作用驱动数码管。数码管选择7段共阳4位LED,第一位显示步进电机正反转状态，第一位显示“0”或“1”，第三、四位显示电机速度等级。
其中第一位为“0”是，表示该电机转向是正向旋转；“1”则是反向旋转。而第三四位显示速度等级有10个，即“00”到“10”。显示图3-6所表示：

图3-6 数码管驱动显示电路
3.4 步进电机驱动电路
本设计采取是生活中广泛使用电机驱动芯片ULN为步进电机提供脉冲信号。ULN芯片是高压、大电流达林顿晶体管阵列系列产品。其内部结构是由7个硅NPN复合晶体管组成。含有电流增益高、工作电压高、驱动能力强、体积小、价格低廉等特点，通常被广泛应用于单片机、PLC、仪表电器等控制驱动电路中。同时，ULN芯片能够直接驱动大功率继电器等负载电路。所以，它被广泛用于计算机，工业和消费类产品中。ULN设计和标准TTL系列兼容。它管脚连接图图3-7所表示:

图3-7 ULN管脚连接图
其关键特征如表3-8，所表示：
表3-8 ULN关键特征
参数
输入电流/(mA)
输入电压/（V)
功耗/(W)
工作温度/(℃)
数值
25
30
1
-20~+85

ULN芯片特点：
（1） ULN，在5V工作电压下，它能来处理数据。
（2） ULN内流入外部，高负载电流下。
步进电机驱动电路工作过程是：
首先，单片机从P1口输出00000001B，同时，因为单片机和ULN驱动芯片经过P2.4-P2.7端口连接，所以这四个管脚中每时每刻只有一个管脚处于导通状态，剩下三个管脚则处于断开状态（单片机采取是单拍方法对步进电机控制）。这么就使得ULN输出端口中一个和步进电机进行导通连接。电机驱动电路原理图图3-9所表示：

图3-9 步进电机驱动原理图
3.5 步进电机其它电路
步进电机其它部分电路，包含5V电源电路和下载接口电路，图3-10和3-11所表示：

图3-10 5V电源电路 图3-11 下载接口电路
将各部分接口外围电路，经过单片机使各部分结合起来形成一个完整电路，如附录：系统总体电路图所表示。它是以单片机作为关键控制电路，能够实现步进电机依据按键电路不一样输入，使其进行不一样运行状态，并经过数码管显示电路和发光二极管显示步进电机运行状态。在系统工作过程中，数码管显示步进电机正反转状态和转动速度，并经过发光二极管指示步进电机运行状态快慢，即四个发光二极管往返闪烁速度越快则表明步进电机旋转速度越快；反之，则越慢。

4 控制系统软件设计
此次毕业设计软件部分要实现功效以下:按动开启/停止按键时，步进电机停止目前运行状态，再次按动时，步进电机继续运行目前运行状态；按动正转/反转按键时，步进电机能够实现正、反转转向切换，但转速不会发生改变；按动加速或减速按键时，步进电机能够实现从“01”至“10”十个速度等级速度加减控制。同时，数码管显示模块中第一位能够实时显示电机转向，“0”表示正转，“1”表示反转；第三、四位则实时显示电机速度等级，改变范围为“01”至“10”；而第二位数码管不显示，以区分开电机转向和转速显示信息。
为了实现本设计功效，本设计采取是控制订时器中止技术，所以，设计了读取按键子程序、按键处理子程序、电机控制中止程序等部分。
本设计中，主程序采取是查询寻址方法扫描键盘端口，检验按键是否发生动作，此时，调用是读取按键子程序进行工作 ；若有按键发生动作，则进入按键处理子程序，依据按键次数，更改程序定时器中止次数，改变输出中止次数，实现对步进电机控制。定时器0中止服务程序控制步进电机转动：依据键盘电路输入次数，改变T0定时时间常数，设置TH0和TL0值，达成对转速正确控制目标；经过改变转动方向控制位值，控制脉冲信号循环移动方向，达成对步进电机转动方向控制目标。
4.1 主程序步骤图
开始
初始化
调按键、显示子程序
调按键子程序
调用正反转子程序
调用加减速子程序
停止

图4-1 步进电机控制系统主程序步骤图
4.2 读按键子程序步骤图
按键电路采取是扫描方法，和初始值进行比较，若二者相等，则说明按键没有被按下；若二者不相等，则进行软件消抖，确定按键是否被按下。延时10ms后再次进行扫描，再次和初始值进行比较，若二者相等，则说明前一次比较不相等是由抖动产生；若二者不相等，则说明确实有按键按下，继续实施键盘子程序里程序，将对应变量值改变，准备处理键盘子程序。图4-2所表示:
开启

否
是否有键按下

处理键盘子程序
是

图4-2 扫描键盘字程序步骤图
4.3 按键处理子程序步骤图
初始化变量
开始
P1.0是否按下
P3.0是否按下
P1.1是否按下
P3.1是否按下
退出
TR0取反，经过启停T0启停步进电机
取反方向控制为，改变电机转动方向
修改速度参数值，减速
修改速度参数值，加速
是
是
是
是