一步进电机驱动器的设计原理
步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。
使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，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（称为步距角）。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。
步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说，步进电机有如下优点：
1．不需要反馈，控制简单。
2．与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。
3．没有角累积误差。
4．停止时也可保持转距。
5．没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。
6．即使没有传感器，也能精确定位。
7．根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。
但是，这种电机也有自身的缺点。
8．难以获得较大的转矩
9、不宜用作高速转动
10．在体积重量方面没有优势，能源利用率低。
11．超过负载时会破坏同步，速工作时会发出振动和噪声。
1 步进电机及其工作原理
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组.
磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
图1. 四相步进电机步进示意图
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：
a. 单四拍
b. 双四拍
c.八拍
图2.步进电机工作时序波形图
2 单片机控制原理
单片机是用来为步进电机进行控制的，给电机提供时序脉冲，让电机以某一种方式进行运转。
AT89C51的引脚图如下：
图3. AT89C51
基于AT89C51的步进电机驱动器控制系统电路原理可以表示为如下图：
MOTOR-STEPPER
AT89C51
键盘输入
控制信号
图4. 单片机控制原理图
在AT89C51外围设有键盘模块，对单片机输入时序脉冲，不仅让单片机正常工作，而且使之输出可以使电机工作的时序脉冲。这便实现了单片机对步进电机驱动系统的控制。控制信号的来源是按键的按与松，按键输入的时序经AT89C51 处理后输出给电机驱动电路。
3 设计环境介绍
本次设计使用的软件有电路绘制软件Proteus 和C 语言的转换软件Keil 。我们最终完成的硬件设计要通过Proteus 将之绘制成电路图。Proteus 软件的使用方法，我们通过在网上找相关的资料，可以很容易的学习。Keil 这个软件，我们只是粗略的了解大概，将我们所写的C 语言程序转换成我所需要的HEX格式的文件，即可。
二硬件部分设计
1 AT89C51 外围电路设计
AT89C51 外围电路设计包含有三部分的设计：键盘模块，晶振模块及复位模块。
通过按键的输入，单片机作为控制的中心决定步进电机的正转，反转，启动及停止等操作。同时通过单片机实现电子时钟控制步进电机。
键盘设计。考虑有两种方式:需要上拉电阻的方式和不需要上拉电阻的方式。由于单片内部设有小的上拉电阻，当外围电路很小时，是可以不考虑前一种方式的。我们的键盘只是起到输入时序的作用，并没有外带大的电路，所以我们选择第二种方式：
图5.按键
当K_1按下时：步进电机处于启动状态；
当K_2按下时：步进电机处于停止状态；
当K_3按下时：步进电机处于正向状态；
当K_4按下时：步进电机处于反向状态；
晶振设计。晶振有一个石英晶体和两个二极管组成。他们形成一个电容三点式振荡器。二极管一般选择20-40pF。其连接方式为石英晶体与两二极管并联的形式：
晶振频率为：
图6.晶振
复位电路设计。一般复位也有两种形式：上电直接复位和手动按键复位。考虑到性能的稳定，我们选择手动按键复位：
图7.复位
当M3_Y 按下时，单片机状态恢复到原始设置。
以下是上电直接复位电路图：
图8.上电复位
2 驱动电路设计
驱动电路我们选择使用L298 N 这一芯片，其内部如下：
图9. L298 N内部电路
对从单片机输出的时序信号进行放大，通过L298 N 再将已放大的信号提供给电机。
图10.驱动电路
L298 N 的IN1 –IN4分别与单片机的输出端口连接，L298 N 的OUT1 –OUT4分别与步进电机的四相输入相连接。加入的八个二极管起到续流的作用，当步进电机由于某种原因突然停止运转时，其内
