步进电机控制系统设计毕业设计

摘要摘要步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。步进电机是一种功能特殊的电动机，它可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，而达到调速的目的，并且可以进行精准的定位，因此它能够在实际的应用中得到广泛的使用。本文介绍了以 AT89C52 为控制元件的步进电机控制系统，实现了用按键对步进电机的开启、停止、加速、减速、反转等操作，该控制系统包含硬件电路部分和软件设计部分，硬件部分包括晶振模块、复位模块、按键模块、驱动模块、显示模块。软件编写使用了 Keil uvision4 软件编程工具、protell 99se 软件画图工具、protues 软件仿真工具。整个系统采用模块化设计,结构简单、可靠,通过按键控制，LCD1602 液晶显示步进电机运行状态，ULN2003 驱动步进电机运行，本设计操作方便，节省成本，安全性高。关键词：步进电机 单片机 调速控制摘要IAbstrcatIIAbstrcatStepper motor is the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement actuator.Stepper is a special kind motor,We can control the number of pulses to control the amount of angular displacement, so as to achieve accurate positioning purposes; at the same time by controlling the pulse frequency to control the motor rotation speed and acceleration, and speed control purposes.So it is widely uesd in the industry.This article describes the design of the stepper motor control system 51 series MCU AT89C52 as the control core, and buttons to control the pulse frequency so as to achieve operations of starting,stopping,speeding up,slowing down,contrarotation.The control system includes hardware circuit and software design part.Hardware part includes crystals module, reset module, keys module, drive module, display module.Writing software using the Keil uvision4 programming tools, protell 99se drawing tools, protues simulation tools.The whole system uses modular design, simple structure, reliable, through the button control, and it uses LCD1602 to show the state of the stepper motor.The ULN2003 make the motor running well. It makes the operation convenient and saves the cost.Key words：Microcomputer Stepping motor Speed control system目录目 录摘要 .Abstrcat .II1 绪论 .12 设计方案及系统功能 .23 步进电机硬件介绍 .33.1 步进电机的概述 .33.1.1 步进电机的原理 .33.1.2 步进电机的参数 .53.1.3 步进电机的分类 .63.2 驱动电机芯片 LUN2003A .63.3 单片机概述 .73.4 LCD1602 液晶介绍 .114 步进电机软件编写 .134.1 Keil uvision4 简介 .134.2 C 语言知识简介 .184.3 步进电机程序编写 .194.3.1 程序编写的方案确定 .194.3.2 步进电机正转程序设计 .224.3.4 步进电机加速、减速程序设计 .234.3.5 控制系统按键程序设计 .24结论 .25参考文献 .27附录 .28步进电机控制系统设计01 绪论步进电机的发明使得我们的生活更加便捷，更加灵活。在发明步进电机以后人们从未放弃过对它的改进，使得现如今步进电机的应用非常广泛包括生活、可以设计等等，在最近的四十年以来，数字控制技术、计算机应用技术和永磁材料应用技术的迅猛发展，所以步进电机能够广泛地应用于手工业自动控制系统、数控机床应用、组合机床应用、机器人研发以及升级改造、计算机外围设备应用、照相机镜头的马达应用,投影仪器件应用、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件应用以及各种可控机械工具等等。这些广泛的应用极大地推动了步进电机的发展。研究步进电机为了更好地服务未来社会的需要，也有利于巩固所学知识，了解科技前沿的动态。使用单片机作为核心控制元件的步进电机控制系统，能够更有效率的、更加精确的对步进电机进行启动、停止、加速、减速、反转等一系列的相关操作。步进电机的发展前景也是很不错，近几年步进电机改进以及升级也很迅速。本次毕业设计采用 AT89C52 型号的单片机作为核心控制元件对步进电机进行相应的运行控制，通过操作单片机的 I/O 口，让其输出具有时序的方波作为步进电机的控制信号，然后输出的方波信号通过 ULN2003A 驱动芯片去驱动步进电机，同时我们设计使用按键对步进电机的运行状态进行控制，并且应用 LCD1602 液晶显示器去显示步进电机的运行状态以及一些简单的运行状态。这次毕业设计将很有利于我们对于所学知识的进一步的巩固，对于本学科前沿发展的更加深入的了解。并且对于编程的使用更加熟练，有利于提高我们的逻辑思维能力。河北工程大学毕业设计12 设计方案及系统功能我们这次毕业设计的任务是以单片机为控制核心设计出一个步进电动机的控制系统。本次毕业设计选择采用 16 位单片机 AT89C52 作为控制核心对步进电机的运行进行相应的控制，经过单片机 I/O 口通过编程设计让其输出的具有时序的方波作为步进电动机的控制信号，去控制信号让其经过驱动芯片驱动步进电机；与此同时，再用按键来对步进电动机的运行状态进行控制，并用 LCD1602 液晶显示器显示步进电动机的运行速度及正反转状态。本次系统设计的方案是参考我们的专业课本以及其他的一些相关资料，首先是深入的学习了本次毕业设计所使用的各类硬件，包括 AT89C52 单片机、ULN2003A 驱动芯片，以及 LCD1602 液晶显示器等等。通过使用模块化的设计方案，我们一步一步的设计出系统的各个关键的部分，然后再把这些模块整理成一个完整的系统。本次设计的步进电机控制系统有以下功能：（1）步进电机的正反转控制（2）步进电机的速度控制（3）步进电机的启停控制（4）液晶显示步进电机的运行状态（5）按键的正常使用（6）各个电路模块正常工作本系统的主要技术参数：系统供电电源：电压：5V本次毕业设计采用的步进电机为四相八拍的。步进电机控制系统设计23 步进电机硬件介绍3.1 步进电机的概述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。在实际的运行情况下，步进电机的转速取决于输入的脉冲信号的频率，而脉冲个数的控制可以去控制角位移量，从而达到准确定位的目的；而步进电机的速度和加速度可以通过控制脉冲频率来控制，从而达到调速的目的。步进电机一般采用金属材质的外壳，比较耐用，种类也是很多的，但是他们的原理差不多都是类似的。图 3-1 为步进电机内部的原理图。图 3-1 步进电机原理图3.1.1 步进电机的原理步进电机是可以将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行器件，所以它在实际的使用时不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业的驱动器件-步进电机控制驱动器，这个驱动器发出的脉冲频率可以从几 Hz 到几千 Hz 在这个范围可以连续变化的脉冲信号，然后给环形分配器一些列的脉冲，而环形分配器的主要功能是把来自外部控制环节的脉冲序列按照一定的规律分配以后，功率放大器的放大作用，然后加到步进电机驱动电源的内部的各个输入端，只有经过以上的正确的各个相关的步骤，步进电机才能正常的运转。转向的控制和速度的控制这两个方面是步进电机控制的核心部步进电机控制系统设计3分。而步进电机的外接线路是很简单的，易于进行控制调节。从结构上看，步进电机可以分为三相单河北工程大学毕业设计4三拍、三相双三拍和三相六拍 3 种，它们基本原理如下：（1）换相顺序的控制脉冲分配其实就是步进电机通电换相的这一过程，这一过程对于步进电机来说是非常重要的。四相八拍运行方式为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA,其他运行方式的原理与这些也是很相似的，我们同样必须严格按照所要求的顺序去进行通电控制脉冲的输入，可以参考各类文献，我们在这里不再赘述了。（2）步进电机的换向控制步进电机的正转的运行状态是通过给定的工作方式为正序换相通电来实现的只有按照这种方式才能实现正转运行。假如说步进电机的励磁方式为三相六拍，即AABBBCCCAA。如果我们按照反序通电换相的话，即AACCCBBBAA，那么我们的步进电机就会进行反转运行，通过这种方式我们就可以掌控步进电机的转向了。其他运行的方式情况与此类似，我们参照举例的原理就可以理解其他方式了，我们必须严格按照反序通电换相去进行控制，可以参考各类文献，我们在这里也不再赘述。（3）步进电机的速度控制在实际步进电机的运行中，如果步进电机接收到外界系统发给它的一个控制脉冲，那么步进电机就会随之转动一步，然后如果步进电机再一次接收到外界系统发给它的一个控制脉冲，那么步进电机就会再一次转动一步。步进电机运行时的转动速度和接受外接输入的脉冲信号的时间间隔有关，输入给步进电机的两个控制脉冲的时间间隔越短，则步进电机的运行速度就会越快，相反，输入控制脉冲的时间间隔越长，则步进电机的运行速度就会越慢。我们可以去调整输送给步进电机的脉冲信号的时间间隔，用这种方法就可以对步进电机进行速度的调试，调节出我们想要的速度的大小。在编程的时候要铭记这一点，利用程序对输入脉冲的时间进行相应的调节，使用延迟函数就可以写出控制步进电机速度的程序段了。我们必须控制好步进电机的速度。（4）步进电机的起停控制我们都知道步进电机具有电气的特性，所以在它实际运转的时候会让人感觉有一步一步运行的感觉。如果在步进电机控制脉冲时序的信号的上升沿和信号的下降沿采用细分的类似于梯形波，这样就可以减小步进电机的运行的步进角度，进而可以提