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1、武汉科技学院武汉科技学院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书课题名称：课题名称：基于基于AT89S52AT89S52的步进电机控制系统的步进电机控制系统完成期限：完成期限：20092009年年22月月1616日至日至20092009年年55月月2525日日院系名称院系名称电子信息工程学院电子信息工程学院指指导导教教师师沈满德沈满德专业班级专业班级电科电科053053指导教师职称指导教师职称讲师讲师学生姓名学生姓名尹文力尹文力院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字一、课题训练内容一、课题训练内容1.让学生通过图书馆、互联网等资源查阅相关资料（包括
2、外文资料），训练学生自主获得知识的能力和自学能力；2.让学生把所学的模拟电子技术、数字电子技术、高频电子线路、单片机技术、计算机编程等知识应用到实际中来，并熟悉常用仪器（示波器、信号发生器、单片机编程器）的使用，提高学生的动手能力；3.通过对单片机软件的调试，锻炼学生运用相关编程语言的能力；4.对电子市场进行调研，熟悉常用器件的功能、性能、价格；5.锻炼学生的团队协作能力；6.在书写论文的过程中，锻炼学生的语言表达能力、逻辑思维能力、办公软件使用的能力。二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求
3、）文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）该课题是基于数字电路、模拟电路、步进电机、单片机技术等多学科知识点交叉运用的设计。在整个的设计过程中，主要任务和要求包括：1.大量收集与本课题有关的资料：到图书馆、各大书店寻找步进电机控制系统方面的资料，并认真进行阅读；到各大数据库和相关网站上搜索与本课题相关的学位论文和相关资料。2.在第一阶段的基础上，归纳总结相关环节中的重要问题并拟定初始设计方案，可以两人一组，分模块进行具体设计。3.全面了解步进电机控制系统的硬件结构及软件流程。4.完成电路的整体设计，在此基础上进行硬件的可行性分析。5.撰写毕业设计论文一份。其中的主要内容包括：中英文摘要
4、、目录、正文、参考文献，附录等，要求结构合理，行文规范。并翻译与本专业或课题相关的英文资料一份，译文字数不得少于3000字。三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料主要参数：工作环境：220VAC，5VDC、10V-40VDC0-50，70KHZCC步进电机运行方式：高速、中速、低速、正转、反转、急停等波特率：9600bps步进电机型号：两相混合式步进电机步进电机驱动方式：细分驱动主要参考资料：1张筠莉刘书智.VisualC+实践与提高串口通信与工程应用篇M.北京:中国铁道出版社2005.11.2龚运新.单片机C语言开发技术M.北京:清华大学出版社2
5、006.10.3陈理璧.步进电动机及其应用M.上海:上海科学技术出版社1985:1-17.4程宪平.机电传动与控制M.武汉:华中科技大学出版社1997.5李颖宏郭栋.基于MSP430F149单片机实现的步进电机通用控制器N.TI公司6马正平.两相混合式步进电机微步驱动系统的研究D.电子科技大学图书馆2000.7张小杭.基于DSP的两相混合式步进电机细分控制及转矩矢量控制D.浙江工业大学2004.8刘宝廷程树康.步进电动机及其驱动控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社1997:1-109马忠梅，籍顺心，马凯等.单片机C语言应用程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.10高伟，曹国军
6、，李向群等.AT89单片机原理及应用M.北京：国防工业出版社，200811刘刚，彭荣群.Protel2004SP2原理图与PCB设计M.北京：电子工业出版社，2007.四、毕业设计（论文）进度表四、毕业设计（论文）进度表武汉科技学院毕业设计（论文）进度表武汉科技学院毕业设计（论文）进度表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期12.163.1确定课题的设计方向，广泛查阅资料，确定课题题目，撰写开题报告23.23.20进行系统思路设计33.213.27查找用到的芯片资料，了解它们的功能原理43.284.9进行系统硬件部分的设计，包括系统框图，硬件原理图及方案的改进等54.104.1
7、9进行软件部分的设计，包括系统程序流程图，程序编制等64.204.30系统整体的改进与调节75.15.14撰写论文85.155.18完成英文文献翻译，整理毕业设计及论文95.195.21完成论文，并交给指导老师评阅105.225.25指导老师签名，准备毕业答辩注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照武汉科技学院毕业设计（论文）规范执行。武汉科技学院毕业设计（论文）开题报告武汉科技学院毕业设计（论文）开题报告课题名称基于基于AT89S52的步进电机控制系统的步进电机
8、控制系统院系名称电子信息工程学院专业电子信息科学与技术班级电科053学生姓名尹文力一、一、课题意义课题意义1、步进电机的应用领域步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。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
9、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。2、控制系统的重要性电机是与电能的生产、传输和使用有着密切关系的电磁机构。在日常生活中，电机的使用随处可见，比如:在很多场合大量使用各种电动机作为原动机，用以拖动各种机械设备在军事、信息和各种自动控制系统中，使用大量的控制电机，作为检测、执行和计算等元件在当今社会中，办公自动化(A0)的概念已日渐深入人心，其中也随处可见电机的身影。电机运动控制技术以电力半导体变流器件的应用为基础、以电动机为控制对象、以自动控制理论为指导、以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计(CAD)手段，并且与检测技术和数据通
10、信技术相结合，构成一门具有相对独立性的科学技术。生产设备和过程自动化中发挥着日益重要的作用。真正意义上的电机运动控制系统是在20世纪30年代出现的，当时是晶闸管、引燃管，而后是磁放大器、磁饱和电抗器作为静止变流器，形成了新一代电机运动控制系统。随着新型电力电子器件、自动控制理论以及微处理器技术的发展，电机运动控制系统发生了巨大的变革。到了21世纪的今天，电机运动控制系统的技术水平更是提高到了一个新的高度，无论是应用的广泛程度，还是研究的深入程度都是过去人们想象不到的。二、二、发展状况及趋势发展状况及趋势1）常用的控制系统及发展趋势计算机控制技术发展的同时，计算机控制理论也在快速发展，这为计算机
11、控制系统的分析与设计提供了理论基础。比如，1949年产生的香农采样定理，解决了采样值复现信号的理论问题1962年，庞特里亚金确定了最优化控制的极大值理论，Kalmna建立了控制系统的状态空间表示法，奠定了现代控制理论发展的基础。20世纪60年代初到70年代末，现代控制理论向运动控制领域逐渐推广。现代工业应用中，被控对象多具有非线性、强祸合的特点，难以建立精确的模型，经典控制理论的应用及推广受到了一定程度上的限制另外，随着技术的进步，对系统的性能要求越来越高，且工程现场的电磁环境往往又很恶劣，干扰严重，经典控制方法难以很好的满足要求了。这些使得先进控制理论的产生及应用显得越来越紧迫了。纵观运动控
12、制系统的发展历程，它经历了从恒速到调速，从低性能到高性能，从单机独立运行到多机协凋控制，从直流调速到交流调速等发展过程。随着计算机在运动控制系统中的应用，运动控制也由原来的以模拟量反馈、模拟控制器为核心的微处理器连续控制系统过渡到以数字量处理为主、以高速信号处理器为控制核心的数字控制系统。这为先进控制理论的产生及实现提供了物质基础。在控制科学的发展进程中，它大体经历了开环控制、确定性简单反馈控制、最优控制、随机控制、自适应控制鲁棒控制、自学习自组织控制、智能控制等几个阶段，由此可见，控制策略越来越不依靠被控对象精确的数学模型，自适应能力逐渐增强，鲁棒性也越来越高。控制科学的发展为运动控制系统性
13、能的提高提供了理论基础，是控制领域发展的必然结果。2）基于单片机AT89S52的步进电机控制系统单片机对步进电机的控制有串行控制和并行控制两种方式。本设计采用的是串行控制方式，此方式下单片机控制系统与步进电机驱动器之间只有两条控制线。一条发出时钟脉冲信号来控制步进电机的转速；另一条发出转向信号控制步进电机的转向。这两个信号都是送入步进电机驱动器的输入端，驱动器中含有环行分配器，对步进电机励磁方式的控制和控制脉冲的分配都是由环行分配器来完成的。由于单片机控制系统与驱动器之间只有两条控制线，从而使系统结构大为简化。控制系统按速度控制的要求从时钟脉冲控制线发出相应的控制脉冲即可对步进电机的转速进行控
14、制。当需要恒速运行时，就发出恒定频率的控制脉冲；当需要加速运行时，就发出频率递增的控制脉冲；当需要减速运行时，就发出频率递减的控制脉冲；当需要锁定状态时，只需要停止发脉冲并通入直流电就可以了。因此，可以方便地对电动机的转速进行控制。转向控制线可实现对步进电机转向的控制，当输出高电平“1”时，环行分配器按正方向进行脉冲分配，步进电机正向旋转；当输出低电平“0”时，环行分配器按反方向进行脉冲分配，步进电机反方向旋转。三、研究内容与待解决问题三、研究内容与待解决问题本文研究开发一种基于AT89S52的步进电机控制系统，主要研究内容包括：脉冲信号发生部分、信号分配部分、功率放大部分、步进电机的转速控制
15、、方向控制、失步控制、精度控制。1.研究内容：步进电机系统的组成部分步进电机系统可以由：脉冲信号发生部分、信号分配部分、功率放大部分、步进电机以及负载组成。1）脉冲信号发生部分脉冲信号由AT89S52单片机产生，般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。2）信号分配部分步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八二种，具体分配如下：二相四拍为步距角为1.8度；二相八拍为步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB(步距角为0.9度）。3）功率放大部分功
16、率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图(1)如下：图(1)二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图说明：CP接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）OPTO接CPU+5VFREE脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作DIR方向控制，与CPU地线相接，电机反转VCC直流电源正端GND直流电源负端A接电机引出线红线接电机引出线绿线B接电机引出线黄线接电机引出线蓝线4）步进电机的转速控制用单片机实现步进电机的加减速控制，实际上就是控制发脉冲的频率，升速时，使脉冲频率增高，减速时相反
