《基于单片机的步进电机控制系统电子科学与技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的步进电机控制系统电子科学与技术（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学号：毕业设计题 目：基于单片机的步进电机控制系统作 者 届 别2014院 部物理与电子学院专 业电子科学与技术指导老师 职 称副教授完成时间2014.05毕业设计 摘 要 步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照提供的脉冲信号频率来控制电机对应极性相反定子产生电磁感应现象，根据电磁力控制电机转子的转动。在不同的脉冲信号作用下，它有不同的转动速率与转动方向。同时，它具有步距角精度高、控制简便等特点，这让它在自动控制系统中得到了日益广泛的应用。本文介绍了一种在C语言程序下通过单片机来控制步进电机转动，软硬件相结合实现电机正反转、加减速、运动/停止控制的系统设计。在本次设计中，整个系统以A
2、T89C51单片机芯片、步进电机驱动芯片ULN2803、步进电机及相应的按键为核心实现该功能，并且电机的工作状态可以通过相应的数码管显示出来。最后，通过Keil软件与Proteus软件进行了仿真测试，得到了完整的波形图，验证了设计的正确性。关键字：AT89C51单片机，步进电机，ULN2803，正反转控制，加减速控制 Abstract As a digital control system actuator,the stepper motor which can according to provide the frequency of pulse signal to control the
3、motor reverse polarity of the stator produce electromagnetic induction phenomenon, according to the electric magnetic force to control the rotation of the motor rotor. Under the influence of different pulse signal, it has a different rotation speed and rotation direction.At the same time,it has high
4、 precision, easy to control and so on., making it in the automatic control system is becoming more and more widely used.In this paper,a C language program, through single chip microcomputer to control stepping motor rotation, the combination of software and hardware for motor and reversing, decelera
5、tion, motion/stop control system design was introduced.In this design, the system USES AT89C51 single-chip microcomputer, stepping motor driven ULN2803 chip and step motor as the core to implement the function and the corresponding buttons, and the working state of the machine is through the corresp
6、onding digital tube display.Through Keil software and Proteus software, finally, the simulation test, obtained the full waveform diagram, verify the validity of the design.Key words: AT89C51, stepper motor, ULN2803, positive &negative control and deceleration controlIV 目 录摘 要IAbstractII第一章引 言11.1课题提
7、出的背景和研究意义1 1.2 问题的提出2 1.3 课题的主要研究内容2 1.4 本章小结3第二章 步进电机的工作原理及特性42.1 步进电机的概述42.2 步进电机的结构及工作原理4 2.2.1 步进电机的结构4 2.2.2 步进电机的工作原理42.2.3 步进电机的调速62.3步进电机的基本特性6 2.4步进电机的选择82.5 力矩与功率换算8 2.6本章小结9第三章 步进电机的单片机控制103.1 单片机原理10 3.1.1单片机原理概述10 3.1.2 AT89C51单片机简介103.2 步进电机控制系统原理11 3.2.1 脉冲序列的生成 11 3.2.2 步进电机的方向控制13 3
8、.2.3 步进电机的速度控制13 3.3 步进电机控制系统的组成14 3.4 控制系统接口电路的设计 15 3.4.1 按键子程序设计15 3.4.2 显示电路设计17 3.4.3 电机驱动模块设计17 3.5电机硬件设计183.6 本章小结19 第四章 系统的仿真19 4.1 仿真测试20 4.2 本章小结22 第五章 结束语22致 谢24参考文献 25 附录26 附录A 系统程序（C语言）26附录B 步进电机转速与步距角的计算32 第一章引 言 1.1课题提出的背景和研究意义 步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件
9、，其外观如图1-1所示。- 1 - 图1-1 步进电机外观图在结构上它是由定子和转子组成，通过持续可控的脉冲信号电流使电机的定子产生矢量磁场。该矢量场会带动转子旋转一固定角度(称为“步距角”)，这样就可以是步进电机按照固定的角度一步一步的转动，实现对旋转角度和转动速度、转动方向进行高精度控制。步进电机最早是在1920年由英国人所开发，而我国步进电机的研究及制造起始于本世界50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。现在在我国很多地方广泛生产使用，例如：江苏、浙江、北京、南京、四川等，像驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的。在这些年中
10、经过不断改良与应用，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能等系统中，例如：机器人手臂运动、高级字轮的字符选择、计算机驱动器的磁头控制、打印机的字头控制等，都要用到步进电机。虽然步进电机在我国得到了广泛的生产与应用，但是极度缺乏专业技术人员，大多数生产厂家还处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用、维修等技术指导中造成许多麻烦，严重的阻碍了国民经济的发展。作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，凭借其简单、廉价，易于操作等突出特点，步进电机在国民经济生产生活中扮演重要的角色。随着步进电动机的需求量与日俱增，我觉得作为一个本科电子专业的大学生，研究步进电机的控制
11、系统对国民经济的发展具有十分重要的意义。 在现实生活的使用过程中，对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最简单的操作达到控制它的目的。而以前的步进电机的控制系统设计过程中，比较常见的控制系统设计方案是通过采用分立元件或者集成电路组成的控制回路时采用的专用步进电机控制器来实现，但这样的设计使得系统的可靠性与可移植性降低，提高了产业成本，不便于产业化生产。本次毕业设计所选的步进电机是四相步进电机，通过AT89C51单片机控制步进电机的驱动、显示电路、按键电路，降低了系统设计的难度与成本，同时又实现了生产生活过程中对步进电机工作方式的精确控制的要求，避免了失步、振荡等对电机控制精度的影响，系统控
12、制框图如图1-2示。图1-2系统控制框图1.2 问题的提出鉴于步进电机在市场上的广泛应用，研究影响步进电机工作的因素具有十分重要的意义。过去控制电机主要通过增加硬件电路设计，这样的设计在实现的功能简单、控制精度要求不高的控制系统时比较易于实现。但现在电机越来越多的用于高精度、高分解性能的控制系统中，例如：机器人手臂运动、高级字轮的字符选择、计算机驱动器的磁头控制、打印机的字头控制等；同时，随着步进电机的广泛应用，也迫切需要实现电机的产业化生产，这就促使我们去研究如何精确控制电机与提高电机的移植性问题。基于程序控制的步进电机的控制系统可以很好的解决其控制精度、移植性的问题，同时也更加易于维修。那
13、么，本文的主要研究方向是如何通过C语言程序控制电机的工作。1.3 课题的主要研究内容1、步进电机的工作原理通过查阅有关对步进电机工作方式资料的介绍，对其单拍运行、双拍运行、单双拍运行等各种运行方式进行研究，深入了解它是如何在各种工作方式下精确的运行。 2、影响步进电机工作的因素步进电机在精确的控制下才能精确的工作。只有我们全面的、深入的了解了影响步进电机工作的因素，那么在设计和应用中才能避开不利因素。本次毕业设计主要就是通过改变脉冲信号来调节步进电机的转动速度、转动方向，并且通过数码管显示其转速的级别。3、步进电机的工作特点本次设计关于对步进电机的控制是通过控制不同频率的脉冲信号电流来控制转子
14、在定子的矢量磁场下一步一步的转动。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲信号个数及频率成正比。那么，确定个数的脉冲信号就会有确定的角位移量。4、程序的调试及修改 本次设计程序采用C语言，用Keil软件进行编程和调试，并将调试成功的程序在Proteus环境下进行系统仿真测试。1.4 本章小结本章先对目前国内外步进电机的在各个领域的广泛应用进行了一个简单的介绍；同时，根据其在应用中存在的问题提出自己的思路；最后提出验证这些思路时可能需要研究的问题。第二章 步进电机的工作原理及特性2.1 步进电机的概述 步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的开环控制元件，即当步进电机接收到一个脉冲脉冲信号，电机就会按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”）。正是由于这一线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得我们用步进电机来控制它的速度、位置、方向变得非常简单。按励磁方式分为三大类，如表2-1所示。表2-1 步进电机种类种类区别反应式（VR)电机的定子与转子由铁芯构成，步距小，结构简单，但性能较差永磁式（PM）
