基于单片机的步进电机控制系统的设计【开题报告+文献综述+毕业论文】

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本科毕业论文系列开题报告基于单片机的步进电机控制系统的设计一、选题的背景和意义当今工业控制的主流系统，是以微处理器为核心的控制系统，这种系统已经取代了常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备的系统，并且具有高度复杂的计算方法和处理方法，被控制对象的各种动态过程都能按照规定的方式和要求来运行。一般步进电机控制器都用硬件来实现，比如市场上的一些脉冲分配器专用集成电路，这些集成电路体积小，驱动效率高，系统控制也比较稳定，可广泛用于要求高精度、高稳定性的设备中，但是这些驱动模块也有一些缺点：控制机理比较难掌握；品种少，价格高；部分模块只能用于特定场所实习专用功能。而基于单片机的步进电机控制系统就能很好地解决这些问题：采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境。这样的系统能运用于许多设备中，小到打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，大到军用仪器，通信和雷达设备，航空航天工业的系统中。因而，对于单片机的步进电机控制系统的研究也就显得非常重要了。二、研究目标与主要内容（含论文提纲）1、本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。并且这套系统能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来。2、设计一套完整的步进电机H桥驱动电路，并通过理论、仿真的方法对所设计的驱动电路进行验证。3、设计一套完整的包括键盘电路、显示电路在内的外围电路。 4、对整个控制系统的软件进行编制。1引言1.1国内外的研究情况1.2步进电机控制系统设计的意义1.2.1国内外常见的步进电机控制系统1.2.2步进电机基本驱动类型1.3本论文研究的主要工作和安排2步进电机的概况2.1步进电机的特点2.2步进电机的类型2.3反应式步进电机3步进电机控制系统的概述3.1步进电机控制系统简介3.2本系统简介及特点3.3本系统可实现功能4系统硬件设计4.1系统组成4.2系统核心——AT89C20514.2.1AT89C2051简介4.2.2系统端口分配4.3系统外围电路设计4.3.1显示电路设计4.3.2键盘电路设计4.3.3步进电机脉冲输出电路4.4驱动电路4.4.1电路原理4.4.2元件参数选择4.4.3驱动电路仿真 5系统软件设计5.1系统软件主流程5.2系统软件运行仿真6实物制作6.1硬件制作6.2程序烧入运行7总结与展望7.1本项目取得的成果7.2研究的不足之处致谢附录三、拟采取的研究方法、研究手段及技术路线、实验方案等本论文首先简单介绍了步进电机的应用和发展的历史，然后介绍了步进电机常见的控制系统方案和常见的驱动方案，在这个基础上提出了自己的设计目的，即设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，操作方便，适应性强，可靠性高，而且能人机交互的步进电机控制系统。用较大的篇幅介绍了步进电机的特点、分类和工作原理，接着分别阐述了所要设计的系统的功能和操作、硬件设计、软件设计。具体安排如下:第一部分为绪论，介绍了步进电机的应用和发展的历史，然后介绍了步进电机常见的控制系统方案和常见的驱动方案，了解各种方案的优缺点，提出自己的思路和设计目的。第二部分步进电机的概述，阐述步进电机的特点、分类和工作原理，为后面的硬件、软件设计提供必须的理论基础。第三部分为步进电机控制系统概述，在框架结构上对整个系统进行介绍，而且重点阐述基于单片机的控制系统的一般框架，为自己的设计提供有力的支持。接着介绍了本论文要设计的控制系统的功能特点，及要实现的操作方式。第四部分为系统硬件设计，先提出框架，然后分别阐述单片机端口分配、外围电路、驱动电路的设计。第五章为系统软件设计，按照模块化的思想，主要阐述主流程、初始化流程及几种模式下的不同的控制流程。四、参考文献 [1]王福瑞,等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.[2]陈理壁.步进电机及其应用[M].上海:上海科学技术出版社,1989.[3]刘保延,等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.[4]杨刚《电子系统设计与实践》，电子工业出版社2004-01.[5]马忠梅，籍顺心.单片机应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2006,92-93.[6]刘振栋.步进电机接口电路的设计.1999年第9期电测与仪表.[7]马忠梅，等.单片机的C语言应用程序设计（第3版）.北京航空航天大学出版社.[8]李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础（修订本）.北京航空航天大学出版社.[9]何福庆，曹养书，罗小兵.可预置步进电机驱动器.成都大学学报（自然科学版），2002，21（1）：17~20.[10]RestonCondit，MicrochipTechnologyInc.Dr.DouglasW.Jones，UniversityofIowa。SteppingMotorsFundamentalsr（DS00907A2004MicrochipTechnologyInc.）[11]A.C.Leenhouts,“SteppingMotorsinIndustrialMotionControl”,Proc.ofthe1980JointAutomaticControlConf.,vol.1,1980.五、研究的整体方案与工作进度安排2010.11.15～2010.11.20文献查阅、了解单片机的驱动方式2010.11.21～2010.11.25文献查阅、步进电机的驱动方式及如何利用单片机驱动2010.11.26～2010.11.30资料收集、文献查阅、并完成外文资料翻译2010.12.01～2010.12.10资料收集、文献查阅、并完成文献综述和开题报告2010.12.10～2011.01.08单片机的步进电机控制系统的设计与制作2011.01.09～2011.02.09进行功能仿真，调整设计方案2011.02.10～2011.02.28撰写论文初稿2011.03.01～2011.03.24完善制作实验设计，得到实验数据 2011.03.25～2011.04.20论文修改定稿，完成其他相关文档2011.04.21～2011.04.30准备毕业答辩材料六、研究的预期目标及主要特点及创新点(l)采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现在学校《机电传动与控制》和单片机方面专业所要求的知识，有利于在实践中更好地理解知识。(2)键盘电路和显示电路都采用动态扫描技术，节约了单片机的资源。(3)驱动电路采用了H桥驱动，使步进电机在开环状态下达到较高的变速转速，同时断电相不产生负的转矩分量，其能量被输入到电源，即将接通的下一相中去，增大了电流容量，提高了其工作的可靠性。(5)系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据自己的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。 基于单片机的步进电机控制系统的设计随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的自动控制系统就是其中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，当步进电机参数发生变化时，需要重新进行控制器的设计。而且，传统的触发器构成的控制系统，控制电路复杂、控制精度低、生产成本高。以微电子芯片为控制核心，以电力电子功率变换器为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的控制系统，能通过控制电机转速或转矩进而控制生产机械或运动部件按照人们所希望的规律运动。克服了传统控制器的缺点，满足工业生产新的控制要求，体现了更大的优越性,因此广泛应用于数字控制系统中。如今各领域步进电机无处不在，高精度，实时监控的步进电机控制系统具有重要意义和实用价值。单片机是单片微型计算机的简称，是微型计算机的一个重要分支。单片机由单块集成电路芯片构成，内部含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存贮器和I/O接口电路等。单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要特点如下：（1）有优异的性能价格比。（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。（3）控制功能强。（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。（5）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：（1）.单片机在智能仪表中的应用。 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。（2）单片机在实时控制中的应用。单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。（3）单片机在分布式多机系统中的应用。在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将更强。步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pu1Semotor或Stepperservo，其应用发展己有约80年的历史。步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件，每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。 近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得重要了。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。本论文首先简单介绍了步进电机的应用和发展的历史，然后介绍了步进电机常见的控制系统方案和常见的驱动方案，在这个基础上提出了自己的设计目的，即设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高，而且能在目前的职业教学中得到事半功倍的教学效果的步进电机控制系统。接着用较大的篇幅介绍了步进电机的特点、分类和工作原理，然后用模块化的思想分别阐述了所要设计的系统的功能和操作、硬件设计、软件设计。参考文献[1]王福瑞,等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.[2]陈理壁.步进电机及其应用[M].上海:上海科学技术出版社,1989.[3]刘保延,等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.[4]杨刚《电子系统设计与实践》，电子工业出版社2004-01.[5]马忠梅，籍顺心.单片机应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2006,92-93.[6]刘振栋.步进电机接口电路的设计.1999年第9期电测与仪表.[7]马忠梅，等.单片机的C语言应用程序设计（第3版）.北京航空航天大学出版社.[8]李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础（修订本）.北京航空航天大学出版社.[9]何福庆，曹养书，罗小兵.可预置步进电机驱动器.成都大学学报（自然科学版），2002，21（1）：17~20.[10]RestonCondit，MicrochipTechnologyInc.Dr.DouglasW.Jones， UniversityofIowa。SteppingMotorsFundamentalsr（DS00907A2004MicrochipTechnologyInc.）[11]A.C.Leenhouts,“SteppingMotorsinIndustrialMotionControl”,Proc.ofthe1980JointAutomaticControlConf.,vol.1,1980. 本科毕业论文（20__届）基于单片机的步进电机控制系统的设计摘要：步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流，实现规定角度转动的元件，它的优点是易于精确控制而且控制方法多种多样，由于其良好的性能，步进电机广泛应用于众多种领域。采用8051系列单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法，用软件代替环形分配器，采用L298N专用H桥驱动集成电路，其输出电流大，功率强，输入端可以与单片机直接相连，从而很方便的受MCU控制。本设计主要有感于目前专业教材各种技术的介绍太过理论，没有把理论知识有机地结合到一些在工程实践中去，因此本文研究的内容就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。这套系统能使我们更好地理解《机电传动与控制》等相关课程。关键词：单片机；步进电机；双全桥 TheDesignforSteppingMotorofSCMControlSystemAbstract：SteppingmotorisacurrentbypulsesofelectricitycontrolphasewindingsrealizerotatingcomponentssetAngle.Itiseasytopreciselycontrolandtherearelotsofcontrolmethods.Becauseofitsgoodperformance,steppingmotorcanbewidelyusedinmanyfields.Usingthe8051seriesmicrocontrollertocontrolthesteppingmotor,realizethecontrolmethodofcombinationofhardwareandsoftware.usingsoftwareinsteadofrotarydistributor,usetheL298NspecialH-bridgebydrivingintegratedcircuit,itsoutputcurrentislager,andthepowerisstrong,itsinputcandirectlyconnectedwithsingle-chipmicrocomputer,thusitisveryconvenientcontrolledbyMCU.Ichoosethisdesignmainlybecausethattheintroductionofsometechnologiesinourspecializedtextbooksarealwaysover-theoretical,itcannotcombinethetheorywithengineeringpracticeorganically.Asaresult,theresearchcontentofthispaperistodesignasetofhardwaresystemwhichissimpleandeconomy,whilethefunctionsarerelativelycomplete,multiused,convenientinoperationandhighreliability,besides,theelectronictechnology,microcontrollertechnology,motorcontroltechniquesarecombinedorganicallytosteppingmotorcontrolsystem.Thissystemcanmakeustounderstandtheelectromechanicaltransmissionandcontrolandotherrelevantcoursesmoredeeply.Keywords：SCM;steppingmotor;H-bridgedrive 目录1引言11.1国内外的研究情况11.2步进电机控制系统设计的意义11.2.1基于单片机的步进电机控制系统21.3本论文研究的主用工作和安排22步进电机的概况22.1步进电机的特点22.2步进电机的类型32.3六线四相混合式步进电机33步进电机控制系统的概述43.1步进电机控制系统简介43.2本系统简介及特点43.3本系统可实现功能54系统硬件设计54.1系统组成54.2系统核心——AT89S5264.2.1系统端口分配64.3系统外围电路设计74.3.1显示电路设计74.3.2键盘电路设计84.3.3复位电路84.4驱动电路原理95系统软件设计95.1系统软件主流程105.2端口定义11 5.3各个模块流程115.4系统软件运行仿真126实物制作与调试136.1硬件制作136.2程序烧入运行与调试147总结与展望147.1本项目取得成果147.2研究展望15参考文献15致谢16附录17 1引言1.1国内外的研究情况由于步进电机的各项突出优点，使它成为了机电一体化产品中的关键先生，广泛应用于各种自动化控制系统中。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。其中华中数控系统解决了“五轴联动”，为“神州”系列飞船顺列升空立下了汗马功劳。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。[2]除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变化。优点突出的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。[2]1.2步进电机控制系统设计的意义当今工业控制的主流系统，是以微处理器为核心的控制系统，这种系统已经取代了常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备的系统，并且具有高度复杂的计算方法和处理方法，被控制对象的各种动态过程都能按照规定的方式和要求来运行。[3]一般的步进电机控制器都会用硬件来实现，现在在电子市场上能卖到的一些脉冲分配器专用集成电路，这些集成电路体积比较小，驱动效率高，所以系统控制也较稳定，可广泛用于要求高精度、高稳定性的设备中，但是这些驱动模块也有一些缺点：控制机理比较难掌握；品种稀少，价格昂贵；少数模块只能用在特定场所。而基于单片机的步进电机控制系统就能很好地解决这些问题：采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境。本文主要研究基于AT89S51单片机的步进电机的驱动器，驱动采用双全桥驱动电路，使步进电机可在智能化程序控制下完成正转、反转、加减速及细分等各种操作。文中所设计的双全桥驱动电路可使步进电机具有更高的性能，同时把数字电路与驱动电路隔离开，避免了步进电机运行时所产生的冲击电压和电流干扰单片机。1.2.1基于单片机的步进电机控制系统35 采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、加速、减速、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。本方案有以下优点：（1）单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；（2）用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性困；（3）单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。1.3本论文研究的主用工作和安排1、本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。并且这套系统能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来。2、设计一套完整的步进电机双全桥驱动电路，并通过理论、仿真的方法对所设计的驱动电路进行验证。3、设计一套完整的包括键盘电路、显示电路在内的外围电路。4、对整个控制系统的软件进行编制。2步进电机的概况2.1步进电机的特点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（及步进角）。您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；同时您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。在电机控制领域，步进电机具有电机控制的独特优势。这些电机通常用于测量和控制应用。其应用范围包括喷墨打印机，数控机床和各类泵。步进电机所共有的这些特性使它非常适用于这些场合的需求。步进电机的这些特点如下：1.无刷——步进电机是无刷的。换向器和电刷是那些常规电机最容易发生故障的组成部分，它们所产生的电弧在一些环境中是不需要或者具有一定危险性的。2.负载无关——步进电机在负载不超过电机额定扭矩的情况下，无论负载多大都不影响电机的转速。3.开环定位——步进电机的转动是根据量化递增或按照步数运行的。只要当电机运行在它的扭矩范围内，轴的转动就一直是确定的，并不需要一个反馈机制。4.保持转矩——步进电机的轴转动是固定的。35 5.优秀的响应启动，停止和正反转。[10]2.2步进电机的类型步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机(HB)三大类。（1）反应式步进电机（VariableReluctance，简称VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。（2）永磁式步进电机（PermanentMagnet，简称PM）永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。（3）混合式步进电机（Hybrid，简称HB）混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动，因此，这种电机在工业领域中得到广泛应用。[10]2.3六线四相混合式步进电机图2-1四相步进电机步进示意图35 如图2-1所示，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。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。本设计所用的是单四拍的工作方式。3步进电机控制系统的概述3.1步进电机控制系统简介步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成。由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。在步进电机控制系统中运动执行部件为步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。因此典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成:步进控制器、驱动器（把控制器输出的脉冲加以放大，来驱动步进电机）、步进电机。不同的控制方案，步进控制器、驱动器也有不同的类型。[9]3.2本系统简介及特点本设计采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字—角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。35 整个系统以单片机为核心，设计出硬件系统。以其中的几个口控制驱动电路，由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培，而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开。所以将光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，和单片机端口连接，设置了步进电机正转、反转、速度、停止等功能，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。系统的软件设计通常采用模块化结构，软件系统总体框架一般包括三部分:主程序、中断服务子程序以及其他相应的辅助子程序(包括正转子程序、反转子程序、键盘子程序、LED显示子程序以及延时子程序)。3.3本系统可实现功能在综合考虑各种设想之后，本设计想使此系统具有以下功能和要求：1.能使步进电机运行于单四拍的工作方式；2.运行时可实现正转，反转，加速，减速等功能；3.可在运行时设置速度（10—100转/分钟）；4.可以在运行时改变转向；5.四位共阳数码管显示速度（单位为：转/分钟）；6.两个LED灯分别指示电机转向和运行方式；7.各种操作共有六个按键来输入，操作方便；8.设有强制复位按键，当受到严重干扰致使系统无法正常运行时，可以通过复位键进行复位；9.整个系统为+12V低电压供电。4系统硬件设计步进电机控制系统的硬件，主要是先通过PROTELL99设计应用目标线路板。硬件是整个系统的平台，各个功能的实现都是以硬件为基础的，为了充分发挥单片机的长处，实现尽可能多的功能，尽量降低成本，所以本系统的硬件设备相对较为简单。4.1系统组成系统组成方框图如图4-1所示：电机驱动电路四位共阳数码管及运行状态指示灯AT89S52步进电机光电隔离按键复位电路35 图4-1系统框图本系统由电源、显示(指示)、单片机(AT89S52)、按键电路、复位电路和电机驱动电路等组成。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路。键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、开始、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器和LED灯能及时显示正转、反转以及速度等状态。4.2系统核心——AT89S52单片机从诞生至今己经产生了许多种，新品种的也是层出不穷，从最初INTEL的MCS—51和PLC系列，以及最近推出的AVR，ARM等，品种繁多，功能各异。但是就目前来说，51系列的单片机仍是许多设计的首先，特别是ATMEL公司的89系列FLASH单片机，运用更是广泛。而且各种技术参考资料相对也较多。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。[8]4.2.1系统端口分配AT89S52单片机引脚结构如下图4-2所示：35 图4-2AT89S52单片机引脚结构系统端口分配：1．P1.0—P1.3输出BCD码到七段显示的四位共阳数码管，用于控制显示的数码。2．P1.4—P1.5正反转方向指示LED控制口。3．P1.6—P1.7系统开关。4．P3.0电机正转控制口。5．P3.1电机反转控制口。6．P3.2电机加速控制口。7．P3.3电机减速控制口。详细接线图见附录系统原理图。4.3系统外围电路设计系统外围电路包括显示、键盘和复位电路等。4.3.1显示电路设计显示电路原理图如图4-3所示。包括四位共阳数码管显示和LED指示电路。图4-3四位共阳数码管显示和LED指示电路所谓共阳极连接就是把所有LED的阳极连接到共同接点COM，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g、及dp（小数点）。为了减少硬件开支，简化电路，便于理解，本设计采用的是动态扫描显示技术，动态扫描显示技术是利用人类视觉上的“视觉残留”的原理来实现的。比如要在个位显示数字“123”，则单片机先使个位的扫描位选线P1.3输出低电平，PNP型三极管Q3开通，这时个位的数码管显示“3”35 ，停留一定时间后使P1.3置为高电平，Q3截止，关闭个位数码管；;再接着送“2”，使P1.2置零，Q2开通，则十位显示“2”，过一定时间后使P1.2置为高电平，十位数码管灭；最后送“1”P1.6置零，则百位显示“l”，延时后再关闭百位显示个位。循环反复扫描，当扫描的频率高于视觉暂留频率16Hz时，人眼看起来就没有闪烁感是静态的一组数码了。4.3.2键盘电路设计图4-4键盘电路系统设计了6个按键，键盘作为一个外部中断源，分别设置了步进电机的启/停、正/反转、加/减速等功能，采用中断和查询相结合的方法调用中断服务程序，在开始运行之前可以先设定步进电机的转速，由四位数码管显示。4.3.3复位电路35 图4-5复位电路本设计所采用的是简单的手动按钮复位电路，其基本功能是：在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。4.4驱动电路原理图4-6L298N驱动电路原理图L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受MCU控制。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如图4-6中所示，12脚和6脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。L298N的逻辑功能如下表4-1所列。[3]35 表4-1L298N的逻辑功能[3]ENA(B)INl(IN3)IN2(IN4)电机运行情况HHL正转HHL反转H同IN2(IN4)同INl(IN3)快速停止LXX停止5系统软件设计本系统的软件设计主要分为系统初始化、按键、显示处理及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机AT89S52通过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。程序流程图的设计遵循自上而下的原则，从主体遂逐步细分到每个模块的流程。本程序主要由键盘程序、显示程序、步进电机驱动程序三部份组成，主程序首先初始化各变量，将显示器、指示灯消隐，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，便进入待机状态，等待键入相应操作。然后调用键盘程序，并作判断。各种模式和方式下的不同处理，在流程图中都有说明。5.1系统软件主流程主程序初始化扫描键盘，等待输入是否有键按下启动键显示该参数值正/反转键输入参数键Fg是否合适正反转处理扫描键盘计算参数查询参数35 Sn是否合适确认输入值是否为数字开定时器和中断步进电机进行走步数字键处理指向下一个数字一次步进结束图5-1主程序框图系统上电复位过，先经过必要的参数初始化后，便进入按键查询，等待操作，当有按键按下后，程序便调用相应的子程序运行。5.2端口定义1.步进电机：sbitM_A=P2^0;//A相sbitM_B=P2^1;//B相sbitM_C=P2^2;//C相sbitM_D=P2^3;//D相2.按键：sbitS1=P3^2;//开键sbitS2=P3^3;//关键sbitS3=P3^4;//正转键sbitS4=P3^5;//反转键sbitS5=P3^6;//加速键sbitS6=P3^7;//减速键3.数码管显示：sbitcnt1=P1^0;//个位sbitcnt2=P1^1;//十位sbitcnt3=P1^2;//百位sbitcnt4=P1^3;//千位5.3各个模块流程1．步进电机运行模块主流程：当在待机状态下设定好所需的参数后，按下“启停”键，系统便开始根据设定的参数和运行模式进行步进电机控制脉冲输出运行。程序中按照设定参数顺序输出控制脉冲是受定时器中断控制的。如下图5-2所示：35 开始系统初始化扫描按键等待设置电机转速与转向对控制信号进行去抖，运算处理显示电机运行状态收到启动命令发送速度及转向信号图5-2步进电机运行模块主流程图2.数码管显示子流程：开始显示模块Cnt4=0Cnt3=0Cnt1=0Cnt2=0点亮十位点亮个位点亮千位点亮百位返回图5-3数码管显示子流程图3.按键流程：在此运行模块中，在开启定时器后，便进入速度档位显示和允许操作键盘扫描判断程序。在连续运行模式中尽量不要使用加速和减速按键，可在按下OFF键以后使用，正转反转按键可随时使用。开始35 是否有键闭合延时去抖是否有键闭合扫描取得键值执行返回图5-4按键流程图5.4系统软件运行仿真Keil是由美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。打开keil软件，编译调试好的程序，在程序编译无错的情况下，生成.hex文件。图5-5运用Keil运行程序6实物制作与调试35 6.1硬件制作在软件程序下载无误，硬件仿真成功的情况下，开始进行实物制作，我在电子市场买来电子元件，在实验室亲自动手制作步进电机控制系统的实物，由于条件的不足，制作的时完全是由个人焊接，经常出现虚焊等情况，所以，我经常在焊接完后运用万能表一一测试每一个导线是否成功连接。在焊接完进行测试时还时常出现短路情况，使得电感类元器件很容易就会烧坏，由于自己对PCB板设计这块内容并不熟悉，所以在实物制作时使用的是实验板，使用实验板所导致的后果就是经常在第一天焊接完，第二天继续焊接的时候找不着线，需要花一定的时间去理清前一天没有连接好的线，这也在一定程度上减慢额进度。在焊接完进行调试的过程中，我发现电机能正常运转，也能实现正反转和加减速，数码管和LED灯也能实现点亮，但是在经过仔细检测以后我发现了两个问题：1.电机的实际转速与设定值并不相符合；2.起初我所设定的转速范围是（10—100转/分钟）在使用加速按钮进行加速的过程中，上限显示能够达到100转，但是在减速按键按下进行减速时，下线并不能达到10转；发现问题以后，我及时与指导老师探讨研究，发现这类问题都是在程序上出的错。35 图6-1硬件实物图6.2程序烧入运行与调试在硬件制作完成确保没有错误以后，烧入修改好的新程序，开始运行，操作过程如下：当接入12V电源以后，数码管显示设置的最低速度10转/分钟，可以在此状态下按加速或者减速按钮来选择自己所需要的速度，范围为10—100转/分钟，选择好速度以后，按下ON按键，步进电机开始转动，正转的黄色LED指示灯点亮，如果此时需要步进电机反转，可以按下反转按钮，反转的红色指示灯就会点亮，系统可在运转时利用加速和减速按钮选择所需速度，可以利用正转和反转按钮来选择步进电机转向，复位按钮则是对单片机进行复位作用，如果按下复位按钮，步进电机将停止转动，数码管显示转速将会变为初始值10转/分钟。在调试过程中如果出现问题，键盘、显示、以及步进电机无法实现各种功能，则继续对硬件及软件进行调试修改，直到各个部分能够实现原先设计各种功能为止。7总结与展望7.1本项目取得成果(l)采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现在学校《机电传动与控制》和单片机方面专业所要求的知识，有利于在实践中更好地理解知识。(2)键盘电路和显示电路都采用动态扫描技术，节约了单片机的资源。(3)驱动电路采用了L298N（双H桥驱动），使步进电机在开环状态下达到较高的变速转速，同时断电相不产生负的转矩分量，其能量被输入到电源，即将接通的下一相中去，增大了电流容量，提高了其工作的可靠性。(5)系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据自己的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。7.2研究展望本人深知自己所作的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待进一步提高，由于时间的原因，设备的原因，试验做的不全面，相关验证性的数据、信息不够丰富。可以肯定，随着技术的不断发展，步进电机的控制应用前景将越来越广阔，而其控制系统也将向着智能化和网络化的方向发展。本论文的研究和探讨还远远不够，我们要在现有的基础上，不断吸取新的技术和方法，并将它们应用到本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取有更多的收获。35 参考文献：[1]王福瑞,等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.[2]陈理壁.步进电机及其应用[M].上海:上海科学技术出版社,1989.[3]刘保延,等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.[4]杨刚《电子系统设计与实践》，电子工业出版社2004-01.[5]马忠梅，籍顺心.单片机应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2006,92-93.[6]刘振栋.步进电机接口电路的设计.1999年第9期电测与仪表.[7]马忠梅，等.单片机的C语言应用程序设计（第3版）.北京航空航天大学出版社.[8]李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础（修订本）.北京航空航天大学出版社.[9]何福庆，曹养书，罗小兵.可预置步进电机驱动器.成都大学学报（自然科学版），2002，21（1）：17~20.[10]RestonCondit，MicrochipTechnologyInc.Dr.DouglasW.Jones，UniversityofIowa。SteppingMotorsFundamentalsr（DS00907A2004MicrochipTechnologyInc.）[11]A.C.Leenhouts,“SteppingMotorsinIndustrialMotionControl”,Proc.ofthe1980JointAutomaticControlConf.,vol.1,1980.附录附录1：系统主体原理图35 附录2：系统程序清单/*两相四线制步进电机电压12V，电流0.38A晶振12mhzAT89S52*/#include#include"intrins.h"//_nop_();延时函数用#defineucharunsignedchar//无符号字符（8位）#defineuintunsignedint//无符号整数（16位）35 unsignedcharcodeSEG7[10]={0xC0,0xA4,0xBA,0x99,0x92,0x82,0xC8,0xF9,0x80,0x90};//数码管0~9的字形码sbitM_A=P2^0;//A相电机sbitM_B=P2^1;//B相sbitM_C=P2^2;//C相sbitM_D=P2^3;//D相sbitS1=P3^2;//开键sbitS2=P3^3;//关键sbitS3=P3^4;//正转键sbitS4=P3^5;//反转键sbitS5=P3^6;//加速键sbitS6=P3^7;//减速键sbitcnt1=P1^0;//sbitcnt2=P1^1;//sbitcnt3=P1^2;//sbitcnt4=P1^3;//sbitZ_LED=P1^5;//sbitF_LED=P1^4;//bitON_OFF;//开关标志位bitZ_F_BS=1;//正反转标志位//----------------------------------voidkey_K1(void);//启动变量定义voidkey_K2(void);//停止变量定义voidkey_K3(void);//正转变量定义voidkey_K4(void);//反转变量定义voidkey_K5(void);//+1变量定义35 voidkey_K6(void);//-1变量定义ucharcnt;//旋转计时器变量定义ucharcnt_Z;//步进电机旋转计数器变量定义ucharcnt_F;//步进电机旋转计数器变量定义uintdeda_M;//步进电机时钟计数器变量定义uintz;//判断正/反转变量定义uintSpeed=10;//转速变量定义uintkai;//开变量定义uintk;//步进电机延时变量定义/*****************************************************/voidinit(void)//定时器1的方式1赋值{TMOD=0x10;TH1=-(1000/256);//赋值约为1mS->显示扫描频率为500HZTL1=-(1000%256);ET1=1;TR1=1;//允许T1中断EA=1;}/*******************************************/voidtime1(void)interrupt3{TH1=-(1000/256);//重装1mS定时初值实际测出来的TL1=-(1000%256);deda_M++;//电机速度{if(++cnt>3)cnt=0;//正转显示switch(cnt)35 {case0:P0=SEG7[Speed%10];cnt1=1;cnt2=1;cnt3=1;cnt4=0;break;//点亮数码管个位case1:P0=SEG7[(Speed%100)/10];cnt1=1;cnt2=1;cnt3=0;cnt4=1;break;//点亮数码管十位case2:P0=SEG7[(Speed%1000)/100];cnt1=1;cnt2=0;cnt3=1;cnt4=1;break;//点亮数码管百位case3:P0=SEG7[Speed/1000];cnt1=0;cnt2=1;cnt3=1;cnt4=1;break;//点亮数码管千位default:break;}}}//*********************************voiddelay1ms(uintk){uintdatai,j;for(i=0;i10)Speed--;delay1ms(100);}}//-}//*********************************voidmain(void)//主程序{init();//调用init初始化子程序while(1)//循环{scan_key();//调用按键控制子程序if(ON_OFF==1){if(deda_M>=1000/((Speed*48)/60))//速度ms1000/((Speed*48)/60){deda_M=0;if(Z_F_BS==1)//正转{Z_LED=0;if(++cnt_Z>=3)cnt_Z=0;switch(cnt_Z){case0:{M_A=1;M_B=1;M_C=1;M_D=0;}//A相通电break;case1:{M_A=1;M_B=1;M_C=0;M_D=1;}//B相通电break;case2:{M_A=1;M_B=0;M_C=1;M_D=1;}//C相通电break;35 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