单片机课程设计-步进电机的控制设计

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1、 课 程 设 计 设计名称 步进电机的控制设计 .全套设计加扣3012250582 学年学期 2013-2014（下） 课程名称 单片机课程设计 专业年级 电气112班 姓 名 学 号 提交日期 2014年6月6日 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院前言 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。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行

2、性能提出了更高的要求。 1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，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。 步进电机作为数字式执行元件，相当于一个将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停

3、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，加上步进电动机具有结构简单、成本低、易于控制、吴累计误差和计算机接口方便等优点，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，被广泛应用于各种自动化控制系统中，但传统的控制电路存在许多不足之处，如低频振荡、易发热等缺点、噪声大、步距角较大、分辨率低等，往往满足不了工业上的精确定位和大扭矩控制。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

4、这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。 现各界都运用单片机进行控制，并进行不断更新和完善，本研究主要采用AT80C51单片机控系统，并采用光电隔离技术，对其进一步的设计和研究。 目录前言第一章 设计目的和要求31.1、设计目的31.2、设计要求31.2.1、课程设计要求31.2.2、基本设计功能要求3第2章 方案设计42.1、常见的步进电机控制方案42.2、研究背景52.3、本文研究的主要内容62.4、方案论证6第3章 主要元器件介绍83.1 AT89C51单片机介绍83.1.1 AT89C51芯片简介83.

5、1.2 引脚说明83.1.3 AT89C51在电路中的连线10第4章 硬件电路设计114.1、控制电路114.2、显示电路114.3、总体电路图12第5章 软件设计及主要子程序135.1、软件设计思路135.2、主程序模块135.3、系统初始化流程图145.4、按键子程序14第6章 系统仿真与调试166.1、Keil编译166.2、Protues仿真平台166.2.1、Protues仿真简介及部分模块仿真166.2.2、硬件电路总图与仿真16 6.2.3、PCB板图17第7章 操作方法18第8章 课程设计总结19附录20参考文献23第一章 设计目的和要求1.1、设计目的 本次课程设计目的在于真

6、正的把所学单片机理论知识应用于实际，更加熟悉51单片机的硬件与软件。能灵活运用Keil进行软件编程调试以及用proteus软件仿真。以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速。在设计的过程中，熟悉并掌握单片机的结构和使用方法1，了解步进电机的内部结构以及工作过程2，将二者有机地结合起来，实现要求的结果。1.2、设计要求 1.2.1、课程设计要求用AT89C51单片机控制步进电机，可进行旋转方向的选择，即正转（顺时针）、反转（逆时针），且有6档转速可选择，分别是5转/秒、2.5转/秒、1.25转/秒、1转/秒、0.5转/秒和0.25转/秒。1.2.2、基本设

7、计功能要求 主要分为以下几个部分： （1）电路中设置9个开关，分别是总开关SW9、旋转方向选择以及转速的选择。 （2）步进电机要想运行，首先必须合上总开关，还要进行“正转”开关SW1和“反转”开关SW2的选择，即必须选择一个合上，最后要进行转速的选择，即开关SW3-SW8的选择。（3）步进电机即可按照开关的选择设定来运行。 第2章 方案设计2.1、常见的步进电机控制方案 （a）基于电子电路的控制 步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步

8、进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图2.1所示。图2.1基于电子电路控制系统 此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，

9、如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。（b）基于PLC的控制 PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电

10、机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。 采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及

11、其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。（c）基于单片机的控制 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3。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、档次、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

12、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4，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。(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。 图2.2 用微型机控制步进电机原理系统图2.2、研究背景步进电机是自动控制系统中常用的执行部件。步进电机的输入信号为脉冲电流 ,它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移 ,因而步进电机可

13、看作是一个串行的数 /模转换器。由于步进电机能够直接接受数字信号 ,而不需数 /模转换,所以使用微机控制步进电机显得非常方便。 步进电机有以下优点: (1)通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制; (2)位置误差不会积累; (3)与数组设备兼容 ,能够直接接收数字信号; (4)可以快速启停。 步进电机的品种规格很多,按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式 (也称反应式或变磁阻式 )电机、 混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。步进电机不需位移传感器就可精确定位 ,所以在精确定位系统中应用广泛。目前打字机、计算机外部设备、数控机床、传真机等设备都使用了步进电机。随着电子计算机技术的发

14、展 ,步进电机必将发挥它的控制方便、 控制准确的特点 ,在工业控制等领域取得更为广泛的应用。图2.3 步进电机的外观图2.3、本文研究的主要内容 在一般的步进电机工作中，其电源均采用单极性直流电，通过对步进电机的各相绕组按恰当的时序方式通电，就可使其执行步进转动。当某一相绕组通电时相应的两个磁极就分别形成N-S极产生磁场，并与转子形成磁路。在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对其，从而使步进电机向前“走”一步。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入的脉冲同步。只要能正确控制输入的电脉冲数、频率以及电机各相绕组通电的相序，即可得到所需要的转角、转速及转向，通过单片机很容易实现对步进电机的数字控制5。本设计采用AT89S51单片机实现对两相步进电机的转速控制。由单片机产生的脉冲信号经过脉冲分配器后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。 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。2.4、方案论证 方案：设计选用单片机AT89C51作为本设计的核心元件，利用