基于单片机的红外遥控步进电机资料.docx
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基于单片机的红外遥控步进电机资料
呼伦贝尔学院
本科生毕业论文
题目基于单片机的步进电机
专业电子信息工程
姓名张世霞学号2011081435
指导教师红峰
年
月
日
基于单片机的红外遥控步进电机
作者：
张世霞
指导教师：
红峰
中文摘要
步进电动机由于用其组成的开环系统既简单，廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。
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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。
研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
’
步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器，功率放大器及步进电机等组成。
采用单片机控制，用软件代替上述步进控制器，使得线路简单，成本低，可靠性大大增加。
软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。
本设计是采用STC89C51单片机对步进电机的控制，通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。
加入红外遥控模块，红外接收器，红外发射器，让操作更简单快捷。
根据不同的需要我们可以有五个不同档位速度的选择，并可以实现正反转。
为了更显人性化，我们加上了一个数码管显示，显示步进电机的运行状态。
关键词：
步进电机，单片机，正反转控制，电机驱动，红外遥控
ABSTRACT
Steppermotor duetotheuseof the compositionofthe open-loopsystemissimple, cheap, andverypractical, soitisused widelyinmanyfields ofprinter andotherofficeautomationequipmentandvarious controldevice.
With thedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,thesteppermotordemand growwitheachpassingday, itiswidelyusedintheprinter, electrictoysandother consumerproducts andCNCmachines, industrialrobots, medicalequipmentandothermechanicalandelectrical products, which areapplied in variousfieldsofthenationaleconomy. Studiesofthesteppingmotorcontrolsystem, toimprovethecontrolprecisionandresponse speed, isofgreatsignificanceto energysaving etc..
Steppermotorisa pulsesignalcanbe convertedinto mechanicalangulardisplacementorlinedisplacementcomponents, steppermotorcontrol systemiscomposedof stepping controller composedof apoweramplifier, andsteppingmotor. Usingsinglechipmicrocomputercontrol,usingsoftwareinsteadof theabove stepcontroller, the circuitissimple, lowcost, reliabilityisimprovedgreatly. Softwareprogramming flexibilityto produce operationmode ofdifferenttypesofsteppermotor excitation sequence tocontrolallkindsof steppermotor.
Thisdesign istheuseofSTC89C51microcontroller to control thesteppingmotor, temporal side throughtheI/Oportoutput wave asthecontrolsignal ofstepmotor, thesignalthroughthe chipULN2003todrivethe steppermotor.
Accordingtodifferentneeds,we canhavetendifferent gear speedselection, andtherealizationof positiveinversion. Inorderto bemorehumanized, we addeda digitaldisplay, display theoperatingstateofthesteppingmotor.
Keywords:
Steppingmotorsingle-chipmicrocomputerpositiveinversioncontrolmotordrive Infraredremotecontrol
第一章绪论
1.1步进电机及其发展
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性能提出了更高的要求。
步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。
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。
1.2步进电机在我国的发展应用及前景
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。
我国在文化大革命中开始大量生产和应用步进电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。
中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。
70年代初期，步进电机的生产和研究都有所突破，除反映在驱动器设计方面的长足进步以外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高的水平。
70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。
至80年代中期以来，由于步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。
国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。
一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。
国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。
国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。
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。
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，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
1.3设计研究内容
本论文所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。
另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。
本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。
本系统采用STC89C51作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在数码管上。
主要实现功能：
（1）5个按键控制整个电路，对应功能分别是：
正转、反转、复位、速度加、速度减；红外遥控控制速度加减，电机正反转；
（2）数码管显示电机运行速度的档数和正反转的指示；
（3）5个小红灯，一个为电源指示，四个指示电机的转速。
第二章步进电机控制总系统设计
2.1 系统框架
硬件主要以单片机为核心，本次毕业设计选用的步进电机是四相步进电机，通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管显示。
主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分是设计。
本设计的系统总框图如图2-1所示。
图2-1总体设计框图
2.2 步进电机的选择
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，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，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。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
系统是单片机控制，整个设计的电压是5v，所以电机的电压也要选择5v可以驱动的，所以本实验选择28BYJ-48步进电机作为设计对象，步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。
当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。
每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。
当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。
2.3 电机驱动的选择
系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，我们在这里采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。
ULN2003七NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL，CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。
广泛用于计算机，工业和消费类产品中。
所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。
ULN2003的设计与标准TTL系列兼容。
第三章系统硬件电路设计
3.1系统硬件总电路构成
以51单片机为核心处理器、单片机作为主控制器，DC-5V步进电机，集成芯片ULN2003作为电机驱动。
五个按键输入，对应功能分别是：
正转、反转、复位、速度加、速度减；LED数码管显示电机的正反转，同时显示电机运行速度的档数；5个小红灯一个为电源指示，四个指示电机的转速。
3.2步进电机系统
步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。
单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。
多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。
使用多相步进电动机，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。
每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。
3.2.1步进电机的原理
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下：
1．控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如：
三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A—B—C—D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。
2．控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
3．控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
3.2.2步进电机的特点
1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。
2.步进电机外表不允许较高的温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4.步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。
5.由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。
同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
6.步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。
7.速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。
8.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。
9.步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。
10.步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
3.2.3步进电机的分类
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
1.反应式步进电机：
一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
2.永磁式步进电机：
一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；
3.混合式步进电机：
是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛，性能最好。
3.2.4永磁步进电机的控制原理
在本设计以常用的永磁式步进电机为例，用单片机控制步进电机。
其接线图如图3-1所示:
图3-1永磁步进电机接线图
从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有5根引出线。
要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。
将COM端标识为C，只要AC、BC或/AC、/BC，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将COM端接正电源，那么只要用开关元件（如三极管），将A、B或/A、/B轮流接地。
不难设计出控制电路，因其工作电压为12V，因此用一块开路输出达林顿驱动器（这里用ULN2003，关于ULN2003将在后面介绍）作为驱动，通过P1.0、P1.3来控制各线圈的接通与切断。
开机时，P1.0、P1.3均为高电平，依次将P1.0、P1.2（或P1.1、P1.3反向）切换为低电平即可驱动步进电机运行。
如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间。
改变转速，只要改变P1.0、P1.2（或P1.1、P1.3反向）轮流变低电平的时间即可达到要求，因为不会影响到其他功能的实现，这个时间可以用延时来实现，。
这里以定时的方式来实现。
下面首先计算一下定时时间。
按要求，最低转速为20转/分，而上述步进电机的步距角为7.5，即每48个脉冲为1周，即在最低转速时，要求为960脉冲/分，相当于62.5ms/脉冲。
而在最高转速时，要求为100转/分，即48000脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。
3.3单片机系统
本次设计选用STC89C5l作为步进电机的控制芯片。
STC89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上。
使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。
STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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。
图3-2单片机引脚图
3.4键盘控制电路
键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。
键盘实质是一组按键开关的集合。
键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。
一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为5—10ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。
按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。
通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。
在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。
并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。
为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。
消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。
由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。
其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。
其原理图如图所示:
图3-4键盘控制模块原理图
3.5数码管驱动显示电路
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管：
按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
由于它的价格便宜使用简单在电器特别是家电领域应用极为广泛。
本设计采用共阳极数码管来显示时间，利用三极管的开关作用驱动数码管。
图3-5数码管驱动显示电路
3.6步进电机驱动电路
本系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将单片机发出的脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，我们在这里采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。
ULN2003七NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL，CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。
广泛用于计算机，工业和消费类产品中。
所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。
ULN2003的设计与标准TTL系列兼容。
它的管脚连接图如图所示:
图3-6ULN2003管脚连接图
其主要特性为：
表3-1ULN2003主要特性表
极限值（若无其他规定，Tamb=25℃）
参数名称
符号
数值
单位
输入电压
VIN
30
V
输入电流
IIN
25
mA
功耗
PD
1
W
工作环境温度
Topr
-20to+85
℃
贮存温度
Tstg
-55to+150
℃
ULN2003芯片概述与特点：
ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。
功率电子电路大多要求具
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