基于单片机的步进电机控制系统设计.docx

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基于单片机的步进电机控制系统设计

基于单片机的步进电机控制系统设计

课程设计

基于单片机的步进电机控制系统设计

DESIGNOFSTEPPINGMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTER

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2016年1月18日

基于单片机的步进电机控制系统设计

摘要

步进电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。

本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过AT89C51单片机、步进电机的驱动芯片ULN2803以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。

同时还介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，以及调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。

该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。

本课题的内容和要求是能够控制步进电机的正反转，加减速以及角度控制、步进控制。

控制要求是设计5个按键，分别控制步进电机的正转、反转、停止、加速和减速。

状态用数码管或者显示屏显示。

正转时显示“p”，反转时显示“n”。

关键词：

步进电机，脉宽调制，ULN2803驱动芯片，AT89C51单片机

DESIGNOFSTEPPINGMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTER

ABSTRACT

Thesteppermotorduetotheuseofitsopen-loopsystemcomposedofsimple,inexpensive,andverypractical,soprintersandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldevices,andotherfieldshasaverywiderangeofapplications.

Thisarticledescribesastepmotor-basedsystemdesign,Clanguagethemotorforward,reverse,speedup,slowdown,stoptheprogram,throughthemicrocontroller,motordriverchipULN2803andthecorrespondingkeytoachievetheabovefunction,andtheworkingstatusofthesteppermotortousethecorrespondinglight-emittingdiodedisplay，thisarticlealsodescribestheprinciplesofthesteppermotorandthemicrocontroller,thehardwarecircuit,programcomponents,whilesoftwareandhardwaredebugging,thedebuggingprocessisalsointroducedproblemsandsolutionstotheproblem.Thedesignhasaclearideaofhighreliability,stabilityandothercharacteristics,toachievetheabovethroughthedebuggingfunctions.

Thecontentandrequirementsofthistopicistobeabletocontrolthesteppermotorpositiveandnegative,accelerationanddecelerationaswellasanglecontrol,stepcontrol.Controlrequirementsaredesigned5buttons,respectively,tocontrolthesteppermotorforward,reverse,stop,accelerationanddeceleration.Statuswithdigitaltubeordisplay.Positiveturnwhenthedisplay"p",whenthereversedisplay"n".

KEYWORDS:

steppingmotor，pulsewidthmodulation，ULN2803driverchip，AT89C51SCM

摘要（中文）Ⅰ

摘要（外文）Ⅱ

1绪论

1.1课题背景

步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。

控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。

为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。

人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。

此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。

1.2相关元件性能优点简介

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

同时用单片机还可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。

另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。

这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着工业自动化的发展，步进电机的应用也越来越广泛，广泛应用在各种自动化控制系统中。

步进电机是一种用于开环控制的驱动元件。

它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机。

步进电机作为电机的一种，可以靠开路控制做精确的定位，因此普遍应用于电脑的外设及工业生产的自动化机具设备中，如NC车床、切割机，此外机器人的各个关节控制也大量的使用步进电机。

近些年来，由于步进电机的控制精度不断提高，越来越多有较高控制精度要求的系统也开始采用步进电机。

对于小功率步进电机,一般采用单片机与专用步进电机驱动器联合工作的方式，单片机产生脉冲,控制停启、正反转，变速等,专用步进电机驱动器则进行脉冲环形分配及功率驱动。

步进电动机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可，步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。

其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。

因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度因此在众多领域有着极其广泛的应用。

研制一种高性价比步进电机驱动器及其控制系统具有重要的意义。

2基于单片机的步进电机控制系统的设计原理

2.1总体设计方框图

图2-1总体设计方框图

2.2主要元器件详细介绍

（1）步进电机

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。

四相步进电机原理图如图2-2所示。

图2-2四相步进电机步进示意图

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（步距角）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。

四相步进电机原理图如图1-2所示

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→