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1、摘 要本设计中首先介绍了步进电机的工作原理、控制特点和运行状态，然后给出了步进电机的单片机控制系统的总体设计方案。在这个控制系统中，单片机选用AT89C51，其作为控制核心，担负着产生脉冲，发送、接受控制命令等任务；脉冲分配采用硬件方法，由8713接收到单片机的控制信号后产生相应的控制脉冲，防止了软件法在不停地产生脉冲时占用的时间；采用单电压驱动的方法驱动电机带动负载运行；利用键盘、显示专用芯片8279能够以较简单的硬件电路和较少的软件开销实现微型机与键盘和LED显示器接口。本设计最后详细介绍了硬件局部和软件局部的实现方法。关键词：单片机；步进电机；速度控制;ZLG7290;显示器Abstra
2、ct The design introduces the working principle of stepper motor, control features and operations, and then gives the stepper motor microcontroller control system design programs. In this control system, the SCM selecting AT89C51, the control center of the shoulder produces pulses, sending, receiving
3、 control commands and other tasks; pulse distribution method using constant time occupied; adopt a single voltage-driven approach drive motor to drive the load operation; use of keyboard, display 8279 can be dedicated to simple methods in detail. Key words: SCM; stepper motor; speed control；ZLG7290;
4、display； 目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1步进电机概述11.2课题研究的主要内容2研究内容2论文安排2第二章步进电机控制系统设计方案32.1步进电机的系统32.2步进电机的失步现象52.3步进电机控制系统的组成62.4系统的控制过程7第三章 步进电机控制系统硬件局部93.1硬件电路图93.2采用51系列单片机AT89C51作为控制器103.2.1 AT89C51的主要性能103.2.2 AT89C51引脚功能说明103.3步进电机的驱动电路153.4 LED显示电路163.4.1 LED显示器的结构原理163.4.2 LED显示接口183.5可编程键盘显示控制器Z
5、LG7290电路工作原理193.5.1 ZLG7290概述19管脚、引线与功能213.5.3 ZLG7290键盘、显示接口电路设计233.6脉冲分配26第四章 步进电机控制系统软件局部304.1定时器中断效劳30定时器初值30定时器中断效劳子程序314.2 速度控制31第五章 总结35致谢36参考文献37附录38第一章 绪论 本章将简要介绍步进电机的开展过程、步进电机在日常生活中的广泛应用、步进电机作为数字控制电动机的主要特点以及本次研究的主要内容和论文安排。1.1步进电机概述步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的创造也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为
6、容易。以后经过不断改进，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控制系统中。随着微电子和计算机技术的开展，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。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机那么有定
7、位和运转两种根本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的鼓励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差的特点，广泛应用于各种开环控制。
8、步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。步进电机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面比传统的闭环控制直流伺服电动机有较好的性能。1.2课题研究的主要内容1.2.1研究内容本设计以实现基于单片机的步进电机控制为主要目标，主要内容有： 1. 了解步进电机的结构及工作原理； 2. 了解步进电机的控制方法； 3选择、设计控制系统所需的控制电路，设计控制系统；控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、ZLG7290芯片等组成，ZLG7290芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，使
9、用非常方便。 4绘制系统原理图、方框图和线路图等。1.2.2论文安排1. 原理局部：第一章和第二章主要介绍了步进电机的特点，结构和工作原理以及步进电机的控制特点和运行状态。2. 硬件电路局部：第三章详细介绍了系统的控制核心AT89C51单片机，驱动电路，显示电路和ZLG7290芯片。第二章步进电机控制系统设计方案2.1步进电机的系统2.1,1步进电动机的定义步进电机是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，电机那么转过一个步距角。2.1,2步进电动机的结构分类一般说来步
10、进电动机可分为三大类：反响式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机。反响式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，本钱低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。永磁式步进电动机的转子使用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数和定子的极数相同，所以步距角一般很大。需要供应正负脉冲信号。反响式步进电动机的性价比比拟高，应用得非常广泛，下面就以反响式步进电动机为例来说明步进电动机的结构和工作原理。图2-1 三相反响式步进电动机结构图如图2-1是一个三相反响式步进电动机结构图。从图中可以看出，它分成转子和定子两局部。定子上有六个磁极
11、大极，每两个相对的磁极N、S极组成一对，共有三对2,1.3步进电动机的工作方式对于三相步进电动机，其工作方式如下：1、单三拍工作方式正转：ABCA反转：ACBA其中“单指的是每次对一相通电；“三拍指的是磁场旋转一周需要换相3次，这时转子转动一个齿距角。如果对多相步进电动机来说，每次只对一相通电，要使磁场旋转一周就需要多拍。2、双三拍工作方式正转：ABBCCAAB反转：BAACCBBA双三拍工作方式是：每次对两相通电，即所谓“双；磁场旋转一周需要换相3次，即所谓“三拍，转子转动一个齿距角。3、三相六拍工作方式正转：AABBBCCCA反转：AACCCBBBA六拍工作方式是单三拍与双三拍交替使用的一
12、种方法，磁场旋转一周，通电需要换相6次，即所谓“六拍，转子才转动一个齿距角。这是与单三拍和双三拍最大的区别。同样，对于四相电动机其工作方式有单四拍、双四拍和八拍。其通电时序和波形如图2-2a、b、c所示。图2-2a单四拍 b双四拍 c八拍2.2步进电机的失步现象步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机到达高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频电机转速从低速升到高速。2.2.1步进电动机的振荡、失步及解决
13、方法步进电动机的振荡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，因此要尽力去防止。下面对振荡和失步的原因进行分析，并给出解决方法。1、振荡步进电动机的振荡现象主要发生于：步进电动机工作在低频区，步进电动机工作在共振区，步进电动机突然停车时。当步进电动机工作在共振区时，步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的振荡频率或振荡频率的分频或倍频，这会使振荡加剧，严重时造成失步。步进电动机的振荡频率可由下式求出：式中：J转动惯量；Z转子齿数； 最大转矩。振荡失步的过程如下：在第1个脉冲到来后，转子经历了一次振荡。当转子回摆到最大振幅时，恰好第2个脉冲到来，转子受到的电磁转矩为负值，使转子继续回摆。
14、接着第3个脉冲到来，转子受正电磁转矩的作用回到平衡点。这样，转子经过3个脉冲仍然回到原来位置，也就是丢了3步。2、失步步进电动机失步的原因有2种： 转子的转速慢于旋转磁场的速度，或者说慢于换相速度。例如，步进电动机在启动时，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，超过启动频率启动时，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、减小负载转动惯量、减小步距角都可以提高步进电动机的启动频率。 转子的平均速冻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
15、，引起失步。3、怎样解决失步使步进电机本身产生的电磁转矩增大。使步进电机克服转矩减小或者更换大一点的电机。4、阻尼方法消除振荡市通过增加阻尼的方法来实现的，主要有机械阻尼和电子阻尼两大类。其中机械阻尼法比拟单一，就是在电动机轴上加阻尼器。2.3步进电机控制系统的组成基于单片机实现步进电动机的正反转、启动、停止和加减速。单片机是本次设计的控制核心，本次设计选用AT89C51。单片机通过脉冲分配和驱动电路带动步进电动机运转。系统原理框图如2-3所示。图2-3系统原理框图AT89C51不仅功能强大，而且性能十分灵活性高。价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域，因此本系统中采用AT89C51单片机作为控制
