基于单片机的步进电机控制系统设计本科生毕业设计论文.docx
《基于单片机的步进电机控制系统设计本科生毕业设计论文.docx》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设计本科生毕业设计论文.docx（41页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的步进电机控制系统设计本科生毕业设计论文
单片机技术与应用
课程设计
题目
步进电机控制系统设计
院系
年级
专业
班级
学号
姓名
指导教师
设计时间
课程设计独创性声明：
该课程设计是通过我们小组成员研究合作共同完成。
小组中每个人都付出了努力和汗水。
小组成员之间配合默契，分工明确。
我们在题目的基础上有所突破。
除了文中特别加以标注的参考文献外，本次课程设计中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
学生签名：
实训报告成绩：
项目
评分比例
平时考核
30%
实训报告
30%
答辩
40%
实训成绩
指导教师（签字）：
年月日
步进电机控制系统设计
摘要
本设计通过ATMEL89C51单片机对步进电机进行控制,主要介绍了步进电机控制器、驱动电路和LED显示电路的设计,实现了步进电机的控制。
具有以下功能：
1、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转；2、电机运转状态可以是正反转，加速减速；3、通过LED数码管显示电机运行状态特点。
该系统具有成本低、控制方便的特点。
关键词：
单片机步进电机调速控制
Steppermotorcontrolsystemdesign
Abstract
ThedesignbyATMEL89C51Microcontrollersteppermotorcontrol,mainlythesteppermotorcontroller,drivecircuitandLEDdisplaycircuitdesigntoachieveasteppermotorcontrol.Ithasthefollowingfeatures:
1.Pressdifferentkeys,respectivelysteppermotorclockwiseandcounterclockwise;2,motorrunningstatemaybereversing,accelerationanddeceleration;3,throughtheLEDdigitaldisplaymotorrunningfeatures.Thesystemislowcost,convenientcontrolfeatures.
Keywords:
microcontroller;Steppermotor;SpeedControl
1.引言
1.1步进电机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
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。
步进电机最早是在1920年由英国人所开发。
1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。
以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中[4]。
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发展，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[14]。
1.2研究的目的和意义
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，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，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[5]。
在没有脉冲输入时，在绕组电源的激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。
步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。
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。
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。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。
1.3步进电机工作原理
1.3.1步进电机的控制
1.换相顺序控制：
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如：
混合式步进电机的工作方式，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控制：
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控制：
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。
1.3.2步进电机的工作过程
图1.1步进电机原理图
开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度[1]。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图1.2a、b、c所示：
a.单四拍b.双四拍c八拍
图1.2步进电机工作时序波形图
对步进电机四个绕组依次实现如下方式的循环通电控制：
单四拍运行：
正转A-B-C-D；反转D-C-B-A
双四拍运行：
正转AB-BC-CD-DA；反转DC-CB-BA-AD
八拍运行：
正转A-AB-B-BC-C-CD-D-DA
本实验使用的是单双八拍循环控制
1.3.3步进电机的转速计算
四相步进电机有两种运行方式，一、四相四拍；二、四相八拍。
1.拍数：
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
2.步距角：
对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）[11]。
这两个概念清楚后，我们再来计算转速，以基本步距角1.8°的步进电机为例（现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8°），四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过0.9°，如果每秒钟接收400个脉冲，那么转速为每秒400X0.9°=360°，相当与每秒钟转一圈，每分钟60转。
其他情况同理可以计算得出。
2.系统概述
2.1系统实现功能
1、按下不同的键，分别使步进电机实现正反旋转；
2、电机运转状态可以是正反转，加速减速；
3、通过LED数码管显示电机转速与运行状态特点；
4、按下复位键即可停止运行。
2.2系统总体构成
系统由AT89C52单片机、复位电路和晶振电路构成的单片机最小系统，按键电路模块，数码管显示模块和电机驱动模块构成。
图2.1系统总体构成框架图
2.3系统工作流程
2.3.1主程序框图
图2.2.主程序框图
系统主程序先要定义相关引脚数据，声明相关函数，然后进入到主程序，主程序我这边是放的按键处理程序，通过按键选择正反加减速；按键处理程序之后是调用电机旋转函数，实现电机的正反加减速运行；电机旋转程序之后是调用数码管显示程序，用来显示电机正反加减速和转速；然后在进行按键处理程序，循环进行。
2.3.2按键处理程序框图
图2.3按键处理程序框图
按键处理程序放在主函数里面，主要判断按键状态，如果有按键按下，那么定义相关数据，与之后电机旋转函数共同实现相关功能。
3.硬件电路设计
硬件方面采用的是普中科技的一款STC89C52单片机开发板，其具备本次设计所需的所有模块。
查看其单片机开发板说明得知，各个模块之间的相关电路已经通过一定的方式连接，所以在硬件设计过程中需要根据其说明来连线，也需要更改相关程序来适应其电路。
3.1单片机最小系统
单片机最小系统或者称为最小应用系统，就是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对52系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、复位电路、晶振电路。
图3.1最小系统
2.3.1AT89C52单片机简介
AT89C52单片机是ATMEL公司推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品。
关于其功能原理及其应用不再赘述。
这里只介绍本实验用到的端口和功能。
（1）VCC（40）：
电源+5V。
（2）VSS（20）：
接地，也就是GND。
（3）XTL1（19）和XTL2（18）：
振荡电路。
单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。
（4）PSEN（29）：
片外ROM选通信号，低电平有效。
（5）ALE/PROG（30）：
地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
（6）RST/VPD（9）：
复位信号输入端/备用电源输入端。
（7）EA/VPP（31）：
内/外部ROM选择端
（8）P0口（39-32）：
双向I/O口。
（9）P1口（1-8）：
准双向通用I/0口。
（10）P2口（21-28）：
准双向I/0口
图3.2.AT89C52单片机引脚图
2.3.2复位电路
复位电路采用手动复位和上电自动复位。
上电自动复位：
在单片机上电的瞬间，RC电路充电，由于电容上电电压不能突变，所以RST引脚出现高电平，RST引脚出现的高电平将会随着对电容C的充电过程而逐渐回落。
手动复位：
当按下复位按钮时，RST出现高电平，实现复位。
本设计方案中将复位按键作为停止键使用，当按下复位按钮之后，电路停止运行，回到刚通电时状态。
图3.3复位电路
2.3.3振荡电路
振荡电路与复位电路组成单片机最小系统，本电路为12MHz晶振电路。
图3.4晶振电路
3.3按键电路模块
K1~K4为本次设计的实现点机正反加减速旋转的开关按键，与P3口相连。
K2,K3为正反转控制按键，K1,K4为加减速控制按键，当K2或者K3按下时，电机才会转动。
图3.5独立按键电路
3.4数码管显示电路模块
数码管显示电路由74573及数码管构成，与单片机P0口相连。
数码管显示电路必须要和138译码器电路组合使用才能正常显示相关数字，否则无效。
本设计采用的是前三位显示电机转速，后两位显示电机正反转（数字1和2表示）和加减速（数字3和4表示）。
图3.6.数码管显示电路
3.4.1位码选择电路
位码选择电路采用138译码器在本电路中起到位码选择的作用，与P2口相连，本设计需要用到总共8个数码管，其中有字符显示的有5个。
图3.7138译码器
3.4.2LED电路
由于在硬件方面缺少步进电机，所以采用LED发光二极管代替步进电机，实现现象（仿真中不涉及，在硬件上体现）。
图3.8LED电路
3.5电机驱动模块
本设计采用UN2003驱动五项四线步进电机。
图3.9UN2003电机驱动电路
4.软件电路设计
4.1按键处理程序设计
4.1.1按键处理程序框图
图4.1按键处理程序框图
按键处理程序放在主函数里面，主要判断按键状态，如果有按键按下，那么定义相关数据，与之后电机旋转函数共同实现相关功能。
4.1.2按键处理程序代码
if（K1==0）//判断K1按键是否按下
{
while（!
K1）;
n=1;//若K1按键按下，则n记为1
}
if（K2==0）//判断K2按键是否按下
{
while（!
K2）;
n=2;//若K2按键按下，则n记为2
}
if（K3==0）//判断K3按键是否按下
{
while（!
K3）;
m=3;//若K3按键按下，则m记为3
Speed=10;//转速变量为10
}
if（K4==0）//判断K4按键是否按下
{
while（!
K4）;
m=4;//若K4按键按下，则m记为4
Speed=20;//转速变量为20
}
4.2电机旋转程序设计
4.2.1电机旋转程序框图
图4.2电机旋转程序框图
电机旋转程序为调用函数，通过判断按键处理程序给出的n的值来判定是正转还是反转，判断m的值来确定加减速。
4.2.2电机旋转程序代码
voidMotor（）
{
unsignedchari;
for（i=0;i<8;i++）
{
if（n==1）
GPIO_MOTOR=FFW[i]&0x1f;//取数据
if（n==2）
GPIO_MOTOR=FFZ[i]&0x1f;//取数据
Delay（Speed）;//调节转速
display（）;//调用显示函数
}
}
4.3数码管显示程序设计
4.3.1数码管显示框图
图4.3数码管显示框图
数码管显示电路主要包含显示电机转速，电机所处正反加减状态的功能。
通过138译码器电路选择相应位码。
4.3.2数码管显示程序代码
voiddisplay（）
{
LSA=1;LSB=0;LSC=0;//数码管位选
GPIO_DIG=DIG_CODE[m];//送段码，此处为高低速显示
Delay
（2）;
LSA=0;LSB=0;LSC=0;//数码管位选
GPIO_DIG=DIG_CODE[n];//送段码，此处为正反转显示
Delay
（2）;
LSA=1;LSB=1;LSC=1;//数码管位选
GPIO_DIG=DIG_CODE[bw];//送段码，此处为转速百位显示
Delay
（2）;
LSA=0;LSB=1;LSC=1;//数码管位选
GPIO_DIG=DIG_CODE[sw];//送段码，此处为转速十位显示
Delay
（2）;
LSA=1;LSB=0;LSC=1;//数码管位选
GPIO_DIG=DIG_CODE[gw];//送段码，此处为转速个位显示
Delay
（2）;
}
5.系统调试
5.1软件仿真
利用Proteus仿真软件按照电路DXP原理图进行仿真电路的搭建，并进行相关调试与仿真，仿真图结果下图5.1、图5.2所示：
图5.1仿真图数码管结果
图5.2仿真图电机
仿真结果为高速正转，转速187转每分钟。
Proteus仿真图全图见附件。
5.2实物调试
开发板我们选择的是普中科技的一款STC89C51单片机开发板，由于没有步进电机，所以为了实现功能，用了4个led发光二极管来代替步进电机，通过观察发光二极管的点亮顺序与亮灭速度来表现步进电机的正反、快慢旋转。
实物图如下图所示（图示为高速正转，转速187转/min）：
图5.3硬件实物结果图
5.3调试结果及现象说明
软件调试实现了按键控制电机正反高低速旋转运行与转速显示，硬件调试则实现了led数码管正反快慢速循环点亮与数码管显示。
相关现象说明如下表表5.1与表5.2所示：
表5.1：
数码管显示与电机运行关系表
第7位显示
第8位显示
3
4
0
1
正转高速
正转慢速
正转初速
2
反转高速
反转慢速
反转初速
0
待机
待机
待机
表二：
按键与电机运行关系表
后按
先按
K1
K4
无按键
复位
K2
正转高速
正转慢速
正转初速
停止运行
K3
反转高速
反转慢速
反转初速
停止运行
无按键
不运行
不运行
不运行
停止运行
复位
停止运行
停止运行
停止运行
停止运行
6.总结
该系统设计通过单片机AT89S52来控制步进电机的运转状况,实现了占用CPU时间少,效率高;易控制步进电机的转速;易控制电机的转向;提高了步进电机的步进精度等。
本次课程设计在实现过程中，出现的问题主要在数码管显示方面。
在基础电路设计方面，通过K1~K4按键实现步进电机正反加减速运行方面实现较为容易，当加上数码管显示电路就出现了不少问题。
经过不断的调试，修改延时时间，最后基本解决问题。
通过这次的单片机课程设计，我们收获了很多。
对单片机，尤其是89c51单片机的理解又进了一步，对c语言编程有了更清楚的认识，更是领略了单片机世界的神奇。
7.参考文献
[1] 张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程[M].北京:
清华大学出版社,1997.
[2] 秦曾煌.电工学[M].北京:
高等教育出版社,1999.
[3] 常斗南,等.可编程序控制器原理、应用、实验[M].北京:
机械工业出版社,1998.
[4] 于海生,等.微型计算机控制技术[M].北京:
清华大学出版社,1999.
[5] 王福瑞,等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1998.
[6] 陈理壁.步进电机及其应用[M].上海:
上海科学技术出版社,1989.
[7] 刘保延,等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,1997.
[8] 季维发,过润秋,严武升等.机电一体化技术[M].北京:
电子工业出版社,1995.
[9] 郭敬枢,庄继东,孔峰.微机控制技术[M].重庆:
重庆大学出版社,1994.
[10] 刘国荣.单片微型计算机技术[M].北京:
机械工业出版社,1996.
[11] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1998.
[12] 何立民.单片机应用技术选编[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1993.
[13]康华光,皱筹彬.电子技术基础（数字部分）[M].高等教育出版社.2000
[14]王昊,李昕.集成运放应用电路设计360例[M].电子工业出版社.2007
[15]康华光,陈大钦.电子技术基础（模拟部分）[M].高等教育出版设.2000
[16]张庆双.电源应用电路[M].机械工业出版社.2005
[17]张先庭主编.单片机原理、接口与C51应用程序设计[M].国防工业出版社.2011
[18]李光飞,楼苗然主编.51系列单片机[M].北京航空航天大学出版社.2003
8.附件
8.1程序清单
/*****************************************************************************************************/
//名称：
步进电机控制系统设计
//功能：
实现电机的正反转，快慢转，以及电机的转速显示
/****************************************************************************************************/
#include"reg51.h"
#defineGPIO_MOTORP1//定义端口
#defineGPIO_DIGP0
sbitK1=P3^1;
sbitK2=P3^2;
sbitK3=P3^0;
sbitK4=P3^3;
sbitLSA=P2^2;
sbitLSB=P2^3;
sbitLSC=P2^4;
unsignedcharcodeFFW[8]={0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9};//正向驱动数组
unsignedcharcodeFFZ[8]={0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1};//反向驱动数组
unsignedcharcodeDIG_CODE[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//数码管段码0~9
unsignedcharSpeed,m,n,z,bw,gw,sw;
voidDelay（unsignedintt）;
voidMotor（）;
voiddisplay（）;
/*******************************************************************************
*函数名:
Delay
*函数功能:
延时函数
*******************************************************************************/
voidDelay（unsignedintt）
{
unsignedintk;
while（t--）
{
for（k=0;k<80;k++）
{}
}
}
/*******************************************************************************
*函数名:
main
*函数功能:
主函数
*******************************************************************************/
voidmain（void）
{
Speed=15;//定义转速变量,初始值为15
m=0;//初始速度档位显示为0
while
（1）
{
if（K1==0）//判断K1按键是否按下
{
while（!
K1）;
n=1;//若K1按键按下，则n记为
升级会员 