基于单片机控制步进电机课程设计说明书毕设论文.doc

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1、 洛 阳 理 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书课程名称 单片机原理及接口技术 设计课题 基于单片机控制步进电机 专 业 自动化 班 级 B120439 姓 名 鹿卫超 2013 年 6 月 21 日 课 程 设 计 划 任 务 书 电气工程与自动化 系 自动化 专业 学生姓名 鹿卫超 班级 B120439 学号 B12043927 课程名称：单片机原理及接口技术 设计题目： 基于单片机控制步进电机 课程设计内容与要求：本课题以单片机为核心，设计并制作出步进电机控制系统。设计要求： （1）通过控制按键，使步进电机实现顺时针和逆时针旋转。 （2）通过控制步进电机运转状态可以实现正反转，加速减

2、速。 设计（论文）开始日期2013年 6月10日指导教师张娟梅 设计（论文）截止日期2013年 6月21日指导教师 董红政2013年6 月 21 日 课 程 设 计 评 语 第 页 电气工程与自动化 系 自动化 专业 学生姓名 鹿卫超 班级 B120439 学号 B12043927 课程名称：单片机原理及接口技术 设计题目：基于单片机控制步进电机 课程设计篇幅： 图 纸 14 张 说明书 25 页指导教师评语： 年 月 日 指导教师 洛阳理工学院 课 程 设 计 用 纸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定角转动的机电元件。与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点

3、，在众多领域中获得了广泛的应用。 本文首先简单的介绍了步进电机的发展概况、特点及工作原理。包括步进电机的控制方式和驱动方式作了系统说明，给出了系统设计的总体方案以及本系统的特点和功能。然后以AT89C52单片机为主控制器，详细介绍了基于该单片机的步进电机的控制系统。 在此基础上对外围电路键盘电路、复位电路等各个模块的电路进行详细的设计。接着阐述了步进电机软件控制的开发的流程和程序设计。同时给出了步进电机的正反转、速度控制的程序清单。本文采用软硬件结合的方法达到了对步进电机的最佳控制。 关键词：步进电机 单片机AbstractStepper motor is a kind of controll

4、ed by electric pulse signal phase winding current to achieve constant Angle rotating mechanical and electrical components. Easy open-loop precision compared with other types of motor control, no accumulated error, etc, widely used in many fields. This article first simply introduces the development

5、situation and characteristics of stepper motor and working principle. Including the stepper motor drive system, control method and the system shows that the overall scheme of the system design is given and the features and functions of this system. Then is given priority to with AT89C52 single-chip

6、microcomputer controller, is introduced in detail based on the single chip microcomputer stepping motor control system. On the basis of the peripheral circuit, the keyboard circuit, reset circuit, etc. Each module circuit design in detail. Then elaborated the stepper motor control software developme

7、nt processes and program design. At the same time gives the step motor and reversing, speed control program list. In this paper, by using the combined method of software and hardware to achieve the optimal control of the stepper motor.Keyword：stepper motor microcontroller目 录概述1第1章 步进电机的工作原理及其特性21.1步

8、进电机的概念21.2步进电机的特点21.3步进电机的综述31.3.1步进电机的工作原理41.3.2步进电机的常用术语41.3.3 步进电机的震荡和失步51.3.4步进电机的控制方式6第2章 硬件电路设计82.1硬件的设计与选择82.1.1步进电机的驱动82.1.2 单片机的选择102.2按键电路设计102.3时钟电路设计112.4硬件的总体电路设计图12第3章 程 序 设 计133.1程序设计的总体思路133.2主程序流程图143.2.1主程序框图143.2.2 正反转流程图153.2.3启动与停止流程图163.3主程序17第4章 调 试214.1软件编写及调试21结论22谢 辞23参 考 文

9、 献24附录25 概 述（1）引言 步进电动机又称脉冲电动机，其应用发展己有约80年的历史。可以说步进电机是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过控制脉冲，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。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。（2）本文研究的目的和意义 步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是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、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机

10、等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。（3）本文研究内容 本论文所选的步进电机是四相步进电机，实现步进电机加速、减速，正转、反转，预置圈数，圈数同步，以及转速级别显示。采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。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（称为步距角），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

11、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。本次课程设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的。另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。第1章 步进电机的工作原理及其特性1.1步进电机的概念 步进电机是一种将电脉冲转为角位移或线位移的执行机构。简单一点讲，当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）。我们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；同时我们也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。

12、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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单、精度高。 从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。本次课程设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。1.2步进电机的特点1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。 2.步进电机外表不允许较高的温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降

13、乃至于失步；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 5.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 6.步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。7.速度可在相当宽的范

14、围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。8.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。9.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。10.步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。11.步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。如打印机，绘图仪、数控机床切割。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。1.3步进电机的综述 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电

15、机（HB）和单相式步进电机等。 反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。 永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般

16、为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。1.3.1步进电机的工作原理 本次设计是采用步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过

17、一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的工作方式（四相） 1. 单四拍：通电顺序为： ABCD； 2. 双四拍：通电顺序为： ABBCCDDA； 3. 四相八拍：通电顺序为： AABBBCCCDDDA；步进电机线圈如图1-1所示：图1-1 步进电机线圈图1.3.2步进电机的常用术语齿距角：相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。z=2/Z(Z是转子的齿数)步距角：指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。b=z/N=2/NZ(N是工作拍数，Z是转子的齿数)步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%

18、。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。失调角：指转子偏离零位的角度。转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。响应频率：在某一频率范围内步进电机可以任意运行而不会丢失一步，则这一最大频率称为响应频率。运行频率：指拖动一定负载使频率连续上升时，步进电机能不失步运行的极限频率。1.3.3 步进电机的震荡和失步 步进电机的振荡

19、和失步是一种普遍存在的现象，它影响应用系统的正常运行，因此要尽力去避免。（1）振荡步进电机的低频振荡是由于电机的转子达到稳定平衡位置时具有多余的动能。这种能量越大，振荡的趋势越利害，当控制脉冲的频率等于自由振荡的频率时，就发生低频振荡，或称之为低频共振。低频振荡是步进电机系统的固有的缺点。在振荡区，主要表现是步进电机的运动不平稳，振荡加剧，噪音增大，力矩下降，严重的甚至失步。减少步距角可以减少振荡幅值，以达到削弱振荡的目的。消除振荡是通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼法和电子阻尼法两大类。其中机械阻尼法比较单一，就是在电动机轴上加阻尼器，电子阻尼法则有多种。1.多相励磁法：采用多相励磁

20、会产生电磁阻尼，会削弱或消除振荡现象。2.变频变压法：步进电机在在低频时绕组中的电流上升时间长，转子获得的能量大，因此容易产生振荡，在高频时则相反。所以，可以设计一种电路，使电压随频率的降低而减少，可以有效地消除振荡。2.细分步法：细分步法是将步进电机绕组中的稳定电流分成若干阶段，每进一步时，电流升一级。同时，也相对地提高步进频率，使步进过程平稳进行。3.反相阻尼法：这种方法用于步进电机制动，在步进电机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力去平衡惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动（2）失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。步进电机失步的原因有2种:1.转子的转速

21、慢于旋转磁场的速度（或者说慢于换相速度）。例如，步进电机在启动时，如果脉冲的频率较高，由于电动机来不及获得足够的能量，使其无法令转子跟上旋转磁场的速度，所以引起失步。因此，步进电动机有一个启动频率启动时，肯定会产生失步。注意，启动频率不是一个固定值，提高电动机的转矩、减少负载转动惯量、减少步距角都可以提高步进电机的启动频率。2.转子的平均速度大于旋转磁场的速度。这主要发生在制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。1.3.4步进电机的控制方式系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。 一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次按键之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次送控制

22、字，这样周而复始就可发出一定频率的 CP 脉冲。该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度和不同方向的运行。但占用 CPU 时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出 CP 脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。（1） 脉冲序列的生成如图1-2所示：图1-2 脉冲序列的生

23、成图脉冲幅值：由数字元件电平决定。TTL 0 5VCMOS 0 10V接通和断开时间可用延时的办法控制。要求：确保步进到位。（2）脉冲分配实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。本次设计采用软件法。软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的IO向驱动电路发出控制脉冲。四相八拍控制字如下表所示： 四相八拍控制字如表1-3所示：表1-3 四相八拍控制字注：0 代表使绕组断电，1 代表使绕组通电在程序中，只要依次将这8个控制字送到P2口，步进电机就会转动一个齿距角，每送一个控制字，就完成一拍，步进电机转过一个步距角。 （3）方向控制步进电机旋转方向与内部绕

24、组的通电顺序相关。 四相八拍，通电顺序为:正转 : A AB B BC C C D D DA反转 : A A D D DC C C B B BA改变通电顺序可以改变步进电机的转向。第2章 硬件电路设计2.1硬件的设计与选择2.1.1步进电机的驱动步进电机的驱动采用ULN2003，接到单片机的P1.0P1.3，具体如图2-1所示：图2-1 步进电机驱动及其接口图参数：模块配置：7 NPN电压：Vceo:50V集电极直流电流：500mA直流电流增益hFE：1000工作温度范围：-20C to +85C封装类型：PDIP引脚数：16封装类型：DIP晶体管数：7表面安装器件:通孔安装器件标号：2003

25、最大连续电流：Ic:500mA芯片标号：2003输入电压最大：30V输入类型：5V TTL CMOS输出电压最大：50V输出电流最大：0.6A通道数：7逻辑功能号：2003根据要求，所设计的步进电机八拍通电顺序为AABBBCCCDDDA。步进电机的方向控制方法是：用单片机输出接口的每一位控制一根相绕组。本设计中，用P1.0，P1.1，P1.2，P1.3分别接至步进电机的A，B，C，D四相绕组。2.1.2 单片机的选择目前市面上的通用型单片机种类很多，且适合不同应用场合的新产品不断出现，但目前的应用状况，以8位中档MCS-51系列单片机的应用最为普遍。基于这次课程设计的要求不高，我们可以选用51

26、系列或52系列单片机，其有可靠性高，易于扩展以及实用性好等特点，完全可以满足我们的控制要求其图2-2所示：图2-2 单片机引脚图2.2按键电路设计键盘接口按不同标准有不同分类方法，按键盘排布，可以分为独立方式（一组相互独立的键盘）和矩阵（一行列组成矩阵）方式。此次设计只用到了四个按键，故可采用独立按键，P3.0P3.3分别接到K1K4。其原理图如下图2-3所示：图2-3 按键接线图2.3时钟电路设计时针电路部分晶振为11.0592MHz，其原理图如2-4所示：图2-4 时钟电路2.4硬件的总体电路设计图硬件的总体电路设计图如图2-5所示：图2-5 硬件总体电路设计图第3章 程 序 设 计3.1

27、程序设计的总体思路程序的总体思路框图如图3-1所示：图3-1 程序总体框图引脚的接线点如图3-2所示：图3-2 引脚接线3.2主程序流程图3.2.1主程序框图编写程序的总体思路过程如图3-3所示：图3-3 编程总体思路图3.2.2 正反转流程图步进电机的正反转用K4控制，初始化电机为顺时针转，每当按下K4键，电机转向改变，具体流程图如图3-4所示：图 3-4 正反转流程图3.2.3启动与停止流程图启动与停止是用K1键来控制的，初始化标志位on_off=0,档按下K1，即将on_off置1，每当按下k1,都将在启动与停止间切换，具体流程图如图3-5所示：图3-5 启动与停止流程图3.3主程序#i

28、nclude /51芯片管脚定义头文件 #include /内部包含延时函数 _nop_(); #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code FFW8=0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9; /正转相序编码表 uchar code REV8=0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1;/反转相序编码表 sbit K1 = P30; /运行与停止sbit K2 = P31; /加速 sbit K3 = P32; /减速 sbit K4 =

29、P33; /方向转换 sbit BEEP = P16; /蜂鸣器 bit on_off=0; /运行与停止标志 bit direction=1; /方向标志 uchar m,v=0,q=0,j;uchar rate=5; /预设定速度档 /*/void delay(uint t) / 延时t毫秒函数 uchar k; while(t-) for(k=0; k125; k+) /*/void delayB(uchar x) /x*0.14MS uchar i; while(x-) for (i=0; i13; i+) /*/void beep() /蜂鸣器 uchar j; for (j=0;j

30、100;j+) delayB(4); BEEP=!BEEP; /BEEP取反 BEEP=1; /关闭蜂鸣器 delay(170); /*/void motor_DR()/运行方向 if(direction=1) /正转方向标志 for(m=0;m2;m+) else for(m=0;m2;m+) /反转方向标志 /*/void motor_RUN() /运行状态 if(on_off=1) TR0=1; m = 0; motor_DR(); else TR0=0; P1 =0x0f; m = 0; motor_DR(); for(m=0;m2;m+) main() /主程序 TMOD = 0x0

31、1; /T0定时方式1 TH0=(65536-1100)/256;/赋初值 TL0=(65536-1100)%256; EA = 1;/开启总中断 ET0 = 1; /开放定时器T0的中断 P1 = 0x0f; while(1) if(K1=0)/运行与停止 delay(5); /消抖 if(K1=0) beep(); while(K1=0); /等待键释放 on_off=on_off; motor_RUN(); /K1 end if(K4=0) /方向转换 delay(5); if(K4=0) beep(); direction=direction; motor_DR(); /K3 end

32、if(K2=0) /加速 delay(5); if(K2=0) beep(); rate+; if(rate=0x0b) rate=0x0a; if(K3=0) /减速 delay(5); if(K3=0) beep(); rate-; if(rate=0x00) rate=0x01; void motor_onoff() interrupt 1 / 定时器 0 中断 TH0=(65536-1100)/256;TL0=(65536-1100)%256;/中断1.1.ms q+; if(q rate) return; /中断返回 else q=0; if(direction=1) /方向标志 i

33、f(v8) P1 = FFWv;v+; /取数据，正转 if(v=8) v=0; else if(v8) P1 = REVv;v+; /取数据，反转 if(v=8) v=0; 第4章 调 试4.1软件编写及调试此次编程及调试是用keil软件进行的，程序的编写及调试步骤如下：1.根据步进电机24BYJ48的相序，编好正反转相序表，这个是关键，不能编错。2.定义各个按键：sbit K1 = P30; /运行与停止sbit K2 = P31; /加速sbit K3 = P32; /减速sbit K4 = P33; /方向转换sbit BEEP = P16; /蜂鸣器3.编写各个子程序。4.定时器T0

34、的中断服务程序，进入中断，若满足条件，即向步进电机送8个脉冲。结论本系统主要研究了一种基于单片机的步进电机控制及驱动的电路设计。设计采用STC89C52单片机作为控制模块的核心，利用单片机编程实现了对步进电机的控制。由单片机产生的信号经ULN2003A芯片进行功率放大，驱动步进电机工作，同时由相应的按键实现运行与停止、控制正反转、加速减速功能。在系统设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件部分的优势，编程灵活方便来满足系统的要求。通过实际测试表明本设计系统的性能优于传统步进电机控制器，具有结构简单、可靠性高、实用性强、人机接口简单方便、性价比高等特点。本论文，从硬件设计到软件设计，根据硬件的

35、工作原理及设计原理，对设计的设计方案做了仔细的分析和比较，最后确定下来完整可行的解决方案。为了验证设计出的系统的功能可靠性和方案的可行性，还制作了硬件电路。硬件电路是为了验证方案原理而设计的，在调试过程中，也得到了令人满意的效果，很好的验证了设计方案的可行性。谢 辞通过此次的课程设计，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过课程设计，我们学会了如何将学到的知识

36、转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。在论文的写作过程中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就达退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。而且要学会与人合作，这样做起事情来就可以事倍功半。我要感谢同组的各位同学以及我的指导老师，在课程设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！参 考 文 献1 刘国荣、梁景凯，计算机控制技术与应用，机械工业出版社（第二版）2 李朝青，单片机原理及接口技术（第三版）3 张毅刚，单片机原理及应用.高等教育出版社.2003年4 王迎旭.单片机原理及及应用.北京：机械工业出版社5 张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京：国防工业出版社6 郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社7 蔡明文 冯先成编著.单片机课程设计.北京：华中科技大学出版社8 王晓明.电动机的单片机控制.北京航空航天大学出版社附录 硬件原理图 第 25页