基于步进电机开环系统的驱动与控制设计
摘要
本设计介绍了AT89C51单片机，ULN2003驱动电路及步进电机的基本原理与功能；其次,设计步进电机实现起停、转向、速度、位置变化的控制方案；再次，在这些器件功能与特点的基础上，拟出设计思路，构建系统的总体框架；最后利用PROTEL软件绘出电路图，同时写出设计系统的运行流程和相关程序整个系统通过写入单片机中的程序分配好控制字的存储单元以及相应的内存地址赋值；启动系统后，从单片机的I/O口输出控制脉冲，经过ULN2003驱动电路对脉冲进行处理，在负载能力范围允许内，能实现步进电机独立起停、转向、速度、位置变化的控制。
关键字：AT89C51单片机； ULN2003芯片；步进电机
第一章 概述
1.1选题的背景
电机为工业发展不可缺少的一大要素，并扮演着重要的角色。电机的应用不仅在动力应用反面不断扩大，而且在控制领域的使用范围也在不断扩大。随着控制电机重要性的增加，控制电机的使用量也逐年增加。步进电机是一种控制电机，不使用反馈回路，就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制，不使用反馈回路，其应用主要以处理办公业务能力很强的OA(Office Automation,办公自动化)机器和FA(Factory Automation工厂自动化)机器为核心，并广泛的应用于医疗器械、计量仪器、汽车、游戏机等。就数量来讲，OA机器方面的应用约占步进电机使用总数的75%。
虽然步进电机最近被大量应用，但其原理早已有之。步进电机与电磁铁和柱塞泵同一时期开发，法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为旋转力矩的方法。当时，激磁相的切换用机械凸轮的接触点来完成，这就是步进电机的原型。现在还有旋转线圈式的应用方法。1920年步进电机的实际应用才开始，称为VR（Variable Relutance 变磁阻）型步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控。
混合式HB(Hybrid 的缩写，是VR与PM复合的意思)型步进电机的产生，大约在1952年，由美国GE公司的Karl Feiertag 开发的发电机演变而来。与现在的两相HB型步进电机结构相同，取得了US专利。当初作为低速同步电机使用，其后，由美国的Superior Electric 公司和Sigma Instruments公司开发出两相1.8°步距角的HB型步进电机。当时因为电流小、电感大、恒电驱动的关系，换相脉冲只有300pps（现在为10～20kpps）。
另一方面，从驱动电路方面看，步进电机的发展与晶体管半导体元件的发展密不可分。1950年研制出二极管半导体，1964年开发出MOS半导体，1965年出现IC，1967年LSI使用化。特别是经过1950～1965年间半导体材料的高速发展，进入20世纪70年代，由于价格便宜，可靠性高的逻辑数字电路得到广泛应用，使步进电机的使用量急剧增加。
日本东京大学的大岛氏，在1958年的自动控制年会上发表了有关VR型步进电机的论文。步进电机的国际性学会在1970年成立，在美国的伊利诺大学找来了第一次IMCSD(Incremental Motion Control Systems and Devices)大会。此次大会由伊利诺大学的BC Kuo 教授主板，美国的Warner Electric 公司于Westool公司协办。发表的论文约2/3来源于企业界，剩下的1/3来源于大学方面。作者的第26届与第29届的IMCSD也发表了有关步进电机的论文。在IMSCD发表的论文中，有很多是关于步进电机的，从中能了解步进电机的最前沿技术和研究动态，美国的学者和技术人员对步进电机进行了广泛的研究。
步进电机的大规模应用是在1977年，两相步进电机被应用于FDD(floppy disk drive 软盘驱动器)输出轴的驱动上。
1. 2研究的意义
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
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（即步进角）。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。
1.3 本论文设计的主要内容
单片机(89C51)的介绍，及ULN2003芯片的介绍及应用，掌握单片机控制步进电机（28BYJ48）实现电机正反转及速度的调节，对单片机及步进电机有更多的了解和掌握。
目录
摘要 1
目录 2
第一章 概述 3
1.1选题的背景 4
1. 2研究的意义 5
第二章 28BYJ48步进电机结构及原理 6
2.1 步进电机的概述 6
2.1.1步进电机的基本介绍 6
2.1.2步进电机主要分类 6
2.1.3 步进电机的特点 7
2.1.4步进电机的工作原理简述 7
2.1.5步进电机的基本参数 8
2.1.6步进电机调速原理简述 8
2.2 28BYJ48步进电机基本结构 9
2.2.1 28BYJ48步进电机外形尺寸 9
2.2.2 28BYJ48步进电机工作原理 10
2.2.3八拍得工作方式 11
第三章 单片机及驱动芯片应用 14
3.1单片机概述 14
3.1.1 单片机原理简述 14
3.2 ULN2003芯片 16
3.2.1 ULN2003芯片介绍及原理的阐述 16
3.2.2 ULN2003电特性及极限值 19
第四章 步进电机驱动电路及程序设计 21
4.1 驱动电路原理图设计 21
4.1.1电路所需的元器件 21
4.1.2步进电机驱动原理 22
4.2 PCB设计 23
4.3 软件设计 27
4.3.1 步进脉冲产生电路 27
4.3.2单片机控制步进电机的程序编写 28
总结 31
致谢 32
参 考 文 献 33
参 考 文 献
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