单片机控制步进电机开题报告doc.docx

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单片机控制步进电机开题报告doc

毕业设计开题报告

学生姓名：

学号：

学院、系：

专业：

设计题目：

指导教师:

2012年2月23日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

一、研究目的和意义

电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，基于单片机的控制已经广泛用于电动机控制领域。

本文主要介绍步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制模块，通过STC89C52单片机、脉冲分配器（又称逻辑转换器）L298及其ULN2003类的驱动IC完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。

实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。

整个系统通过按键控制，操作方便，节省成本，满足了现代工业对步进电机的精确要求。

二、国内外现状和发展趋势

单片机技术应用在生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，自动控制领域的机器等等，这些都离不开单片机。

单片机的学习、开发与应用将造就一批计算计应用与智能化控制的科学家、工程师，由此可见在大学相关专业普及新型单片机应用知识有重要的现实意义。

单片机在中国的发展起源于20世纪80年代。

目前，中国各大学及院校普遍采用MCS-5系列作为单片机教学的教材。

MCS-5l系列的实验仪器也得到很大发展，许多单片机实验仪生产厂家研制有多功能综合性的MCS-5l系列的实验系统，使得在高校MCS-5l系列实验系统配备相当完善。

在工业控制、消费电子产晶、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域也得到了广泛的应用

但是随着单片机技术的不断发展，MCS-51系列应用领域己逐渐被新型单片机所代，例如STC89C52单片机采用精简指令集、流水线取指的方式，抗干扰能力强，性能价格比高，深受电子设计专家的普遍欢逐。

据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已经过千，并还广泛用于电动机控制领域。

随着计算机技术、微电子技术和通信技术的日新月异，单片机的功能将更加强大，可靠性更高。

将众多功能集成在一块芯片上，使得芯片的功能更加强大，应用更为广泛，这是将来发展的趋势。

随着步进电机技术的不断改进，传感技术、通信技术和计算机技术的飞速发展，未来步进电机的新概念将以创新、超越为理念，更多地融入高新技术的最新成果，充分展示将来工业领域上的人性化。

三、主攻方向及设计内容

电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，基于单片机的控制已经广泛用于电动机控制领域。

本文主要介绍步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制模块，通过STC89C52单片机、脉冲分配器（又称逻辑转换器）L298及其ULN2003类的驱动IC完成步进电机和直流电机各种运行方式的控制。

实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。

整个系统通过按键控制，操作方便，节省成本，满足了现代工业对步进电机的精确要求。

本文以基于STC89C52单片机的步进电机控制系统为研究对象，通过STC89C52单片机、脉冲分配器（又称逻辑转换器）L298及其ULN2003类的驱动IC，实现步进电机正反转以及数字显示，从而达到单片机对步进电机控制系统功能的目的。

步进电机控制系统结构框图如图

参考文献

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机械工业出版社,2005.

[2]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:

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[3]王鸿钰.步进电机控制入门[M].上海:

同济大学出版社,1990.

[4]张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:

复旦大学出版社2005.

[5]王秀和.永磁电机[M].北京:

中国电力出版社,2007.

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[7]冯江华,陈高华,黄松涛.异步电动机的直接转矩控制[J].电工技术学报,1999

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[8]江一朱凌,申仲涛.异步电动机直接转矩控制仿真研究[J].华北电力大学学

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[9]韩利虎.浅谈步进电机的基本原理[J].内蒙古石油化工,InnerMongolia

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[10]张巍.浅谈单片机控制步进电机[J].安防科技,2006（3）:

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[12]乔璐.,景林,韩英桃.一种实用的步进电动机驱动器设计[J].微特电机,2005

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[13]康晶.采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路[J].电力电子技

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[14]IsaoTakahashi,ToshihikoNoguchi.Anewresponeseandhigh-efficiencycontrol

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[15]DepenbrockM.Directself-control（DSC）ofinverterfedmachine[J].IEEETransonP

E,1998,3（4）:

420-429.

毕业设计开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

一、本课题要研究的内容

1.步进电机的工作原理

2.说明单片机对步进电机实现控制的方法

3.控制系统的硬件设计

4.要求能控制步进电机的转速.向等（9）

本课题的研究手段和途径（给出方案，详细叙述）（10）

二、

80C51

单片机

状态显示电路

电源及时钟电路

键盘控制电路

复位电路

ULN2803

启动电路

步进电机

设计原理图分析

（1）步进电机（11）

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。

步进电机分三种：

永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB），步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。

步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。

步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。

①四相步进电机的工作原理

该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。

当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。

②步进电机的静态指标及术语

相数：

产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。

拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲用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。

leizi8882010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（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。

四相运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度。

定位转矩：

电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

静转矩：

电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。

但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

③四相步进电机的脉冲分配规律

目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。

本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。

四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。

各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图1a、b、c所示。

本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。

（2）89C51单片机（11）

tmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压‘高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的FlashROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。

方案论证

从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线盒一根启动信号线共需要4根输入线。

系统的输出线与步进电机的绕组数有关。

这里选四相步进电机，该电机共有四相绕组，工作电压为+5V，可以个单片机共用一个电源。

步进电机的四相绕组用P1口的P1.0~P1.3控制，由于P1口驱动能力不够，因而用一片2803增加驱动能力。

用P0口控制第一数码管用于显示正反转，用P2口控制第二个数码管用于显示转速等级。

数码管采用共阳的。

（12）

（13）

三、论文进度安排

2012.2.20——3.18收集资料，确定选题及研究方向。

2012.3.19——4.8深化资料学习，熟悉单片机与步进电机的原理，学习单片机与步进电机的通信原理并学习使用相关画图软件。

2012.4.9——4.15撰写开题报告。

2012.4.16——4.27绘制出单片机控制步进电机的硬件主电路图，完成硬件部分的设计，并对相关部分配以解释说明。

2012.4.28——5.8完成论文初稿

2012.5.9——5.13论文初步评审,修改论文，修正与完善设计方案

2012.5.14——5.17论文二次评审，进一步修改完善,论文定稿

2012.5.18——5.20制作PPT，准备答辩

四、参考文献

[1]李群芳等.单片机微型计算机与接口技术[M].电子工业出版社,2005，（3）:

45-47

[2]张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程[M].清华大学出版社,1997,（4）:

65-68

[3]南建辉等.MCS-51单片机原理及其应用实例[M].清华大学出版社,2003,

（2）:

10-18

[4]董燕飞.步进电机转台的控制.微计算机信息，2005,

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31-32

[5]江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选[M].清华大学出版社,2008,（4）:

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[6]张元良.单片机开发技术实例教程[M].机械工业出版社,2011：

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[7]周润景.单片机电路设计分析与制作[M].机械工业出版社,2010：

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[8]ZhongboLi．Studyondrivingsystemofthree—phasehybridsteppingmotor．[M].ElectricalMachinesandSystems,2003．ICEMS2003．SixthInternationalConferenceonVolome2.9-11Nov．2003Page（s）：

608—610vol.2.

毕业设计开题报告

指导教师意见：

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

教学主任：

年月日