基于单片机的步进电机驱动控制器设计

广西科技大学鹿山学院毕业设计（论文）题 目： 基于单片机的步进电机驱动控制器的设计 系 别： 电气与计算机工程系 专业班级： 电子 132 姓 名： 耿远东 学 号： xxxxxxxx 指导教师： 曾文波 职 称： 教授 二一七年 四月 十六日广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）2摘 要基于 STC89C52RC 型号的单片机的步进电机在很多的领域已经大量投入使用，尤其在我国的中小型工业以及制造业和家用电器等等。这种芯片是有很好的性能的，易于实现在我们的现实生活中，可以发挥很大的作用。脉冲的数量越多电机的角位移也会越大。所以步进电机用单片机进行控制是在合适不过的了，并且这样的好处可以实现其反向、角度等的设置。与市场上其他类型的电机相比较，步进电机突出的优点有以下几点：能够实现精确的控制和开环操作以及无误差积累等。综合这么多的优点，步进电机得到了广大人们的认可并且大量的投入使用。为了使设计的结果变得更为理想，本设计就采用了89c52 芯片，但相比单芯片微控制系统计算机系统将现有的一些简单的控制过程显得有点突兀，显示出其复杂性。但从成本的角度看不是太好。综合目前的电机，本设计致力于解决现如今电机普遍存在的问题，我个人觉得一个能够被大众接受并能长期存活的电机应具备以下要求：结构简单易实现，价格实惠，性能更加的稳定。首先，本文先介绍的就是对电机的认识以及作用，应用驱动技术和常用单片机，分层介绍了各个模块的性能模块和功能仿真调试，首先是设计出整个系统的电路图，然后分析每个模块所要起到的作用，最后对整个系统的分析和检验。关键词：步进电机；驱动技术；STC89C52；ULN2003广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）3AbstractSTC89C52 single-chip stepper motor has been widely used in industry,based on manufacturing,household appliances and other fields,it is a kind of electromechanical component performance is very good,easy to implement in our real life,can play a significant role.The stepper motor angular displacement of the input pulse and input pulse number is proportional to,so it is very suitable for the use of single-chip control,you can arbitrarily set the reverse of the set.Compared with other motors,stepper motor has many advantages,such as precise control,open loop operation,the advantages of no error accumulation,so it has been widely used in many fields,therefore,the use of stepper motor;stepper control core stepper motor control system using single chip computer,can make better results however,compared with the single chip micro computer control system,some simple control system will process the existing seem a bit abrupt,shows its complexity.But from the perspective of the cost is not too good.So this design is to design a microcontroller based stepper motor drive controller integrated system should meet the following requirements:simple structure easy to achieve The utility model has the advantages of affordable price,powerful function,stable performance and strong adaptabilityFirst of all,the application of the stepper motor,introduces its working principle,application driven technology and commonly used microcontroller,introduces the performance of hierarchical module and the function simulation and debugging of each module,the circuit design of the whole system,and the overall analysis and verification of the system.Key words: stepping motor; driving technology; STC89C52; ULN2003广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）4目 录摘 要 .1Abstract .2目 录 .31. 绪 论 .51.1 引言 .51.2 课题背景及研究意义 .51.2.1 步进电机的发展史 .61.2.2 国内外步进电机研究 .71.2.3 步进电机的研究目的及意义 .82. 步进电机的概括及硬件系统的设计 .92.1 步进电机的地位 .9广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）52.2 步进电机驱动电路的功能 .92.3 步进电机的分类 .102.4 步进电机的优缺点 .102.5 步进电机的细分驱动控制 .112.6 步进电机的静态指标及术语 .112.7 硬件系统设计 .122.7.1 51 系列单片机的介绍 .122.7.2 STC 单片机的发展历史 .122.7.3 STC 单片机的分类 .132.7.4 STC 单片机的开发流程 .133. 步进电机驱动控制系统的概述 .163.1 控制系统的简介 .163.2 控制系统的组成 .163.2.1 电源模块的设计 .173.2.2 按键模块的设计 .173.2.3 驱动模块的设计 .183.2.4 数码管的显示 .193.2.5 集成芯片 ULN2003 的介绍 .194. 控制系统软件的设计 .214.1 控制系统主程序控制流程图 .214.2 子程序的设计 .224.3 按键程序设计 .215. 系统的调试及原理图的仿真 .245.1 Proteus 仿真 .245.2 软件调试及改进 .24广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）65.3 运行结果 .25结束语 .26致 谢 .27参考文献 .28广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）71. 绪 论1.1 引言在我们生活中最常见的数字控制器就是步进电机，这种电机能够方便实现操作。步进电机的工作原理是将输入的电脉冲信号转变成角位移的变化。想要使电机旋转一个角度就必须给单片机输入一个脉冲，所以这种简单的输入非常适合用单片机控制。就从近三十年来看，在电机发展的这么多年里面，起到推动了步进电机的发展的因素是数字技术以及计算机技术和永磁材料的不断发展。对于这些新技术的发展不仅对社会的发展来说是一种进步，对于开辟未来的高科技的电机也有很大的发展空间。所以就从目前的局势来看。可以说是未来的市场会变得更多更大。在这个电气化的时代。带给了人们很大的帮助的是这些高科技的东西，当然电机也是这些高科技的一种。现在的生产和生活早已和电机的应用融为一体。举个最常见的例子像我们发电时也离不开电机的帮忙，还有就是城市的电梯，建筑楼房时用的吊广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）8机等等，都有电机的影子，如果我们的人类的生存没有电机那么我们会做很多的无用功，也不一定能完成我们的工作。我举的这些常见的例子就是想说，我们现在的生活的方方面面正在一步步的被人工智能所取代，所以未来的发展电机的用处将会更大。当然我们在看待一种新事物的东西肯定都要从它的正反面来看，即我们所说的双刃剑带来的效果，而对于步进电机而言，它的缺点就是不能像普通的直流电机那样使用直流。它必须采用双相脉冲信号以及功率驱动电路等才能驱使其工作。所以步进电机使用的条件还是蛮高的，因为它的构造涉及到了很多专业方面的知识例如机械电子、电子计算机等。步进电机作为很多工业机器的运转的动力这就是他存在的关键之一。对于要求较高的自动控制系统来说这是目前人们追求的高效率的生产的模式，而在这种模式下更能显示出电机的重要性。在这个智能化的时代，我们最近在最强大脑的节目上看到的百度公司的最新机器人小度。小度的产生不仅在人工智能领域跨越了一大步，在科技进步的方面也带来了很大的方便的。例如小度可以做到很多人类目前仍达不到能力，例如微观辨识以及听力识别等等。当然小度只是这个智能时代的先声词，我相信在以后的电机领域而对于步进电机的应用也会出现在人们的更多的视野当中。1.2 课题背景及研究意义从步进电机的使用背景来说的话，可以用来进行控制的操作来用。步进电机的构造不是太复杂，而他的操作也很简单方便。值得称赞的是他的步长值不受电压以及温度变化等特性的影响，并且可以无误差积累。这在我们的日常生活中节省了很大的困难，更加带来了实用的价值，不仅在人工上省了很多的力气，而在价值上带来了更大的价值。对于步进电机的研究意义来说，由于他的用处广泛，主要是在打印机、起重机、数控机床、医疗器械等机电产品的使用尤其的广泛。当然我们为了研究步进电机的目的，就是为了更加的优化他的使用性能，进而更大效率的带来使用价值，想要提高电机的精度及速度就必须通过对电机的控制及测量。而控制核心则是采用 stc89c51 芯片，单片机对于现在的元器件来讲有很多的有点，首先是它的低成本、体积小且容易集成。本设计将要介绍的就是由一种简单的单片机控制的。而这种单片机对于整体来说，可以有效的，快速的实现对电机的速度的控制，及旋转角度和方向的改变。1.2.1 步进电机的发展史电机已经成为社会发展，国家进步，人民幸福，等各个方面发展的中坚力量，他所起到的价值是不可估量的。纵观历史步进的发展都带动着那个时期的工业进步、生产效率的提升，以及人民的收入水平的提高。影响电机的使用量的最大因素是大的方便操作以及价格便宜。由于步进电机是在机器当中是属于控制类这一块的，不用使用广西科技大学鹿山学院本科生毕业设计（论文）9反馈电路，就可以对速度进行控制，顾名思义这就是电路中常说的开环操作。它的应用处主要是以处理办公业务很强大的 OA 机械和 FA 机器为核心的系统，大量用于建筑工地用的吊机，或者牵引用的机器等等。如果仅从使用数量上来讲，那么办公机器方面的应用量就占了使用总量的四分之三。混合式步进电机的出现时间大约是在新中国解放初期的那个冬天，是由美利坚合众国 GE 公司的一名开发工程师开发出的，并对其进行各种设想模式下改进和新功能的加入，在原有电机的基础上也就演变出来了新的电机。与历史上曾经出现过的两相的很相似。但总体性能上面还是能够表现出它优越的一面，因此也获得了美利坚合众国的颁发的专利。刚开始的使用方法过于单一以低速旋转的方式较多，但随着时代的变化和技术换代更新的要求，由美利坚合众国的 SE 以及 SI 这两个公司合作开发出了两相的步距角的 HB 型的电机。这才真正实现了当今社会对步进电机新的要求，同时也满足了目前社会发展以及人类进步对科技需求。从二极管半导体的产生再到晶体管半导体的产生这些都奠定了驱动电路的发展。经过解放后的 15 年间里半导体材料得到了高速的发展，1970 年以后，出现了逻辑数字电路，这种电路价格低廉、可靠性较高，因此在短时间内这种电路被大量的引用，这种电路的出现也使的步进电机的发展更加迅猛。早稻田大学的一名教授曾经发表过很多有关 VR 型步进电机的学术报告。有关步进电机国际性协会是在 1970 年正式成立的，在美国某大学召开了第一次的 IMCSD 重要会议。这次的会议是由美国的一所著名的大学举办的。在这次的会议当中所涉及到的发明以及发表的论文约有三分之二来自于商业的发明，其余的三分之一来自于教育界。在学术界发表的论文当中，大多是和步进电机有关的。从这些论文以及学术研究的结果当中，能够发现目前的科技的流行程度，以及那些发明能够带动电机的发展以及今后的发展战略。US 的专家学者以及技术专员也不断对步进电机进行大量的研究。1