步进电机控制系统设计毕业设计论文Word格式文档下载.docx

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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；

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

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

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

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

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]&

//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;

GPIO_DIG=DIG_CODE[n];

//送段码，此处为正反转显示

LSB=1;

LSC=1;

GPIO_DIG=DIG_CODE[bw];

//送段码，此处为转速百位显示

GPIO_DIG=DIG_CODE[sw];

//送段码，此处为转速十位显示

GPIO_DIG=DIG_CODE[gw];

//送段码，此处为转速个位显示

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

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

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

停止运行

K3

不运行

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

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清华大学出版社,1997. 

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机械工业出版社,1998. 

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于海生,等.微型计算机控制技术[M].北京:

清华大学出版社,1999. 

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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. 

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上海科学技术出版社,1989. 

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哈尔滨工业大学出版社,1997. 

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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. 

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重庆大学出版社,1994. 

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刘国荣.单片微型计算机技术[M].北京:

机械工业出版社,1996. 

[11] 

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北京航空航天大学出版社,1993. 

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[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：

//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++）

{}

}

main

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