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本科生毕业设计
基于 PIC 单片机的步进电机位置
控制系统设计
Stepping Motor position control system design based on the PIC Microcomputer
学 生 姓 名
石 懂
专 业
电子信息工程
学 号
040411520
指 导 教 师
白雪梅
学 院
电子信息工程学院
2008 年 6 月

长春理工大学本科毕业设计
摘 要
本文介绍了步进电机工作原理以及各项指标参数,分析了单片机控制步进电机的方法。
系统采用了单片机与步进电机串行控制方案,采用旋转编码器对系统的精确度进行衡量。
以 PIC 单片机作为步进电机的控制器,实现步进电机的运动。
硬件结构由串行显示电路、键盘接口电路、电机驱动电路等构成。软件采用模块化设计,
通过调用一系列子程序,如中断,键盘扫描,串行显示等实现步进电机三相单四拍、双四拍
和单、双八拍的运行。给出了硬件原理图、编程流程图和软件程序。
关 键 字:步进电机 PIC 单片机 硬件接口电路
ABSTRACT
.
Key words: Stepping motor;PIC microcomputer;Hardware interface circuit

长春理工大学本科毕业设计
-I-
目 录
第一章 概 述 .........................................................................................................................................1
1.1 课题背景.........................................................................................................................................1
1.2 单片机应用发展简介.....................................................................................................................1
1.3 主要研究工作.................................................................................................................................2
第二章 步进电机原理及驱动 .................................................................................................................4
2.1 步进电机的工作原理.....................................................................................................................4
2.2 步进电机的驱动.............................................................................................................................6
2.2.1
步进电机的驱动方式
..............................................................................................................6
2.2.2
步进电机的驱动特点
..............................................................................................................8
2.2.3
步进电机驱动器的直流供电电源的确定
............................................................................12
2.3 步进电机控制系统构成...............................................................................................................12
第三章 单片机控制步进电机的方法 ...................................................................................................14
3.1 步进电机控制方法.......................................................................................................................14
3.1.1
串行方式
.............................................................................................................................14
3.1.2
并行方式
.............................................................................................................................14
3.2 PIC 单片机介绍 ............................................................................................................................14
3.2.1 PIC
单片机介绍
..................................................................................................................14
3.2.2 PIC
系列单片机的结构
......................................................................................................15
3.3 步进电机的单片机控制 .............................................................................................................16
第四章 系统硬件设计 ...........................................................................................................................20
4.1 系统硬件结构 .............................................................................................................................20
4.2 模拟步进电机驱动电路 .............................................................................................................20
4.3 LED 显示接口电路 ....................................................................................................................21
4.4 键盘接口设计 .............................................................................................................................22
4.5 石英多谐振荡器电路设计 .........................................................................................................24
4.6 光电编码器原理及分类...............................................................................................................25
第五章系统软件设计 .............................................................................................................................28
5.1 软件结构 .....................................................................................................................................28
5.2 子程序模块 .................................................................................................................................29
5.2.1
串行静态显示模块
.............................................................................................................29
5.2.2
键盘扫描模块
.....................................................................................................................30
5.2.3
中断模块
.............................................................................................................................31
结 论 .....................................................................................................................................................36
参 考 文 献 ...........................................................................................................................................37
致 谢 .....................................................................................................................................................38
附录 1 ......................................................................................................................................................39
附录 2 ......................................................................................................................................................43

长春理工大学本科毕业设计
-1-
第一章 概 述
1.1 课题背景
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件,每外加一个控制脉冲,电机就
运行一步故称为步进电机或脉冲马达。当步进电机接收到一个脉冲信号,它就按设定的方向
转动一个固定的角度(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。
步进电机具有转子惯量低,定位精度高,无累积误差,控制简单等特点。实际操作时不
受电源电压,负载,环境,温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。步进电机可以对旋
转角度和转动速度进行高精度控制,步进电机作为控制执行元件,是机电一体化的关键产品
之一,以广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。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。随着数字技术和计算机的
发展,研究步进电机驱动电路,使步进电机的控制更加简便,灵活和智能化,使其应用更加
广泛。
步进电动机的发展方向主要有如下三点:
(1)进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用 SVPWM 技术,采用电子齿轮比技术,
扩展通讯网络功能等。
(2)高功率密度步进电动机系统。
(3)闭环控制步进电动机系统。为了彻底克服步进电动机系统一些根本性的弱点,如
振荡的倾向及失步等,可改为闭环系统,但这种改变使步进电动机系统已起了质的变化,不
再是本来意义上的步进电动机,而成为无刷直流电动机(BLDCM),或交流伺服电机(AC
SERVO)。
1.2 单片机应用发展简介
单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片机,是在一块芯片体上集成了中
央处理器 CPU、随机存储器 RAM 或 EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行 I/O
接口等部件,构成的一个完整的微型计算机。
自 1971 年 Intel 公司制造出第一块 4 位微处理器以来,发展十分迅猛,经历了 4 位机、
低档 8 位机、高档 8 位机、16 位机及最新一代的单片机。最新一代单片机在结构上采用双
CPU 或内部流水线,CPU 有 8 位、16 位、32 位,时钟频率高达 20Hz,片内有 PWM 输出、
监视定时器 WDT、可编程计数器阵列 PCA、DMA 传输、调制解调器等。芯片向高集成化,

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低功耗方向发展,使得单片机在大量数据的及时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂
工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。
单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点,故
在国民经济建设、军事及家用电器等领域有广泛的应用。按照单片机特点,单片机可分为单
机应用和多机应用。
单机应用主要领域有:
(1)测控系统:用单片机构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。如
温室人工气候控制、水阀自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。
(2)智能仪表:用单片机改造原有的测量、控制仪表,能促进仪表向数字化、智能化、
多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度的测量、显示及仪表控制。通
过单片机软件编程,是测量仪表中长期存在的误差修正、线形化处理等难题迎刃而解。
(3)机电一体化产品:如简易数控机床、医疗器械等。
(4)智能接口:在大型工控系统中,普遍采用单片机进行接口的控制与管理,这个因
为单片机与主机是并行工作的,可大大提高系统运行速度。如大型数据采集系统中,用单片
机对 ADC 接口进行控制不仅可提高采集速度还可对数据进行预处理。如数字滤波、线形化、
误差修正等。
多机应用主要领域有:
(1)功能集散系统:多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置
的多机系统。如一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外,还要控制对刀系统、
坐标系统、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。
(2)并行多控制系统:并行多控制系统主要解决工程应用系统的加速问题,以便构成
大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图象处理系统等。
(3)局部网络系统:单片机网络系统的出现,使单片机的应用进入了一个新的水平。
目前该网络系统主要是分布式测控系统,单片机主要用于系统中的通信控制,以及构成各种
测控子级系。
1.3 主要研究工作
硬件设计方面:通过单片机实验加深对步进电机的驱动电源和电机工作情况了解,测定
并研究其在单步运行状态,角位移和脉冲数关系,平均转速和脉冲频率的关系。观察转子振
荡状态,并且掌握步进电机的基本特性和指标。根据功能需要选择电路元器件和型号,设计
电路并能解决现实抗干扰问题。画出电路原理图。
软件设计方面:通过汇编语言编写核心模块对步进电机进行控制。最终编写出一个完整
步进电机控制程序,能够调节步进电机的转向和速度。由于转速是通过调节脉冲频率实现的,
因此设计脉冲分配采用完全软件方式,既按照给定的通电换向顺序,通过单片机 I/O 口向驱
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