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1、滨江学院题 目 基于单片机的步进电机控制院 系 自动控制系 专 业 电气工程与自动化学生姓名 姜城飞 杨小伟 仲玉杉 姜彦丞学 号 20112340061 20112340087 20112346097 20112340062 指导教师 曹永娟职 称 导师 二一四年十月二十日基于单片机的步进电机控制系统设计一、 序言 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从 而实现了基于8051单片机的四相步
2、进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机 存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱 动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计， 实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、 绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。 此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种 自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便
3、灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广 泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。为实现单片机控制步进电机系统在 数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的 反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发 展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电 机的应用得到很大的提高。二、设计过程 2.1、步进电机的选择步进电机由步距角、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。（1） 步距角的选择电机的步距角
4、取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。（2）静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时两种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍为好，静力矩一旦选定，电机的机座及长
5、度便能确定下来（几何尺寸）。（3）电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。（4）力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P=M =2n/60 P=2nM/60 其中P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩，单位为牛顿米 P=2fM/400（半步工作） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS） 2.2 步进电机的原理（1） 换相顺序的控制 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式 下，其各相通电顺序为 ABCA，通电控制
6、脉冲必须严格按照这一顺序分别 控制 A、B、C 相的通断。三相双三拍的通电顺序为 ABBCCAAB，三相六 拍的通电顺序为AABBBCCCAA。 （2） 步进电机的换向控制 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为 三相六拍，即 AABBBCCCAA。如果按反序通电换相，AACCCBBBAA，则电机就反转。其他方式情况类似。 （3） 步进电机的起停控制 步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小 振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步 进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性 而使电
7、机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电 机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。 2.3 步进电机的特点 1电机旋转的角度正比于脉冲数；2电机停转的时候具有最大的转矩(当绕组激磁时)；3由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；4优秀的起停和反转响应；5由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本7仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。8由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速
8、范围。 2.4 单片机的选择读存储器的低电压，高性能,CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是单片机选用AT89C51，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。 本设计以80c5
9、1单片机为中心，由晶振电路，复位电路，电机驱动，步进电机等组成，通过按键进行相应的操作，单片机接收到信号后经过判断驱动电机驱动模块，然后由驱动电路驱动步进电机运转，同时通过正反转指示灯来显示相应的操作。具体结构如下图所示： 2.5 程序设计流程图 2.6 晶振电路的连接晶振是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度。因为晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波(也就是不希望存在的其他频率的波)，这个波对电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性。所以为了电路的稳定性，在晶振的两个引脚接入电容来削减谐波对电路的影响。 图12.7 复位电路的连接51
10、单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现。在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k，所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍。（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在03.5V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从51.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内，单片机系
11、统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。 图22.8 按键电路的连接通过连接单片机的P3端口另一端接地来实现按钮相应的操作。当按下键时，端口P3.0P3.2中的一个I/O电位拉低，通过单片机实现指示灯及电机驱动的操作。 图32.9 电机连接电路图本设计所使用的电机驱动芯片为ULN2003A，ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。它是一个7个反相器电路，当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平。该芯片工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态（有低电平输入时，输出
12、为高电平）时承受50V的电压，输出还可在高负载电流并行运行。脉冲信号通过单片机P1口送出，经入ULN2003A的输入端口，P1.4P1.7分别对应于ULN2003A的1C、2C、3C、4C输出端，连接步进电机时，通过对P1口赋予不同的值来送出电机正转或反转的脉冲信号。 图43.0 总电路图 图5 三、步进电机正反转指示灯显示结果3.1步进电机零位 图63.2步进电机正转 图73.3步进电机反转 图8四、研究体会通过这次课程设计，我们对单片机有了更深一步的了解，掌握了很多以前没太听懂的地方。这次的单片机课程设计重点是理论与实际的相结合，不单单只是书上的一条条分离的指令。通过这次设计让我更系统的了
13、解了个个指令以及单片机的扩展内容，为以后学习有了进一步的准备。我们知道在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。五、小组分工姜城飞：keil软件的编写,程序的运行杨小伟：Proteus图的连接设计与运行仲玉杉：查阅资料、资料的搜集姜彦丞：论文的排版、编辑、文献的采集六、参考文献1 倪志莲 单片机应用技术北京理工大学出版社2 张营辉、贡雪梅 单片机实训教程北京大学出版社3 王守中、聂元铭 51单片机开发入门与典型实例人民邮电出版社4 王晓明, 胡晓柏. 电动机的单片机控制
