步进电机调试装置设计与实现

题 目 步进电机调试装置设计与实现 学生姓名 杨 小 虎 学号 1213024014 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 通 信 1201 班 指导教师 赵 峰 完成地点 陕西理工学院 2016 年 05 月 30 日陕西理工学院本科毕业设计任务书院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信工程(通信 1201) 学生姓名 杨小虎 一、毕业设计题目 步进电机调试装置设计与实现 二、毕业设计工作自 2015 年 11 月 9 日 起至 2016 年 5 月 18 日止三、毕业设计进行地点: 通信实验室 四、毕业设计应完成内容及相关要求：设计内容：基于单片机或其它控制器，利用集成芯片或其他自设的电路作为电机驱动，以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心，以单片机语言进行软件设计，采用模块化结构，设计出一个步进电机调试装置。该装置能够驱动步进电机进行正转、反转、加速、减速、停止。掌握系统硬件、软件工作原理，针对相关功能模块，熟练掌握步进电机的一般控制方法。设计要点：（1）熟练应用单片机进行电路系统设计；（2）掌握步进电机的工作原理；（3）基于42 或 57 步进电机，步进电机及驱动器购买，控制器自行开发；（4）根据电路原理图，制作电路板，完成样品制作、调试、改进；（5）系统测试与性能分析，分析存在的技术问题，并提出改进的方法；（6）撰写论文。 五、毕业设计的进度安排：1.开题报告截止日期：2016 年 3 月 18 日完成任务：（1）开题报告撰写，并于指定时间在系统中提交开题报告。（2）完成在系统中下达的外文翻译原文并提交。2. 论文(设计)实施阶段截止日期：2016 年 5 月 18 日完成任务：（1）查阅文献资料拟定毕业论文（设计）大纲，进行相关实验、调查或文献综述。（2）4 月中旬必须在系统中提交中期检查，教师审核后按照整改意见修改。（3）提交初稿，教师进行初审，退回修改，直到初稿审核通过，进行定稿阶段。3. 评阅及答辩阶段截止日期：2016 年 6 月 13 日完成任务：（1）定稿论文评阅，答辩 PPT 制作。（2）论文答辩，答辩后按照修改意见对论文进行终稿定稿。 指导教师签名 专业负责人签名 学院领导签名 批 准 日 期 2016-01-10 步进电机调试装置设计与实现杨小虎（陕西理工学院物理与电信工程学院通信 1201 班，陕西 汉中 723000）指导教师：赵峰摘要步进电机运用广泛，是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的控制元件，输入的脉冲频率决定着它的转速，而转向则是由通电时序决定。本设计采用的是 STC89C51 单片机对步进电机进行控制，通过 I/O 口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过 ULN2003 芯片驱动步进电机正常工作，LCD1602 作为显示模块，便于观察步进电机的当前状态。最终实验结果显示，步进电机能正常完成正反转、加减速、停止、复位等功能，虽然最终的硬件较为粗糙，转速较慢，但基本功能都可以实现，完成了预期目标，但还有很大完善空间。关键字 步进电机，单片机，正反转，加减速 Design and implementation of the stepper motor debugging mechanismYang Xiaohu(Grade12,Class1,Major of Communication Engineering，School of Physics and telecommunication Engineering of Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shaanxi)Tutor: Zhao FengAbstract:Stepping motor is widely used, it is a kind of transform electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement control components, input pulse frequency determines its speed, and the steering is decided by the electric timing. This design uses a STC89C51 microcontroller to control the step motor, the output sequence of square wave through the I/O port as a stepping motor control signal, the signal after ULN2003 chip driving a stepper motor to work properly, LCD1602 as a display module, easy to observe the current state of the stepper motor. Finally the experimental results show that the stepper motor can complete positive &negative, deceleration and stop and reset function, although the final hardware is relatively rough, speed is slow, but the basic function can be realized, completed the expected target, but also has the very big perfect space.Key words: Stepper motor and single chip microcomputer, positive &negative, deceleration1 引言 .11.1 课题研究的目的和意义 .11.2 课题研究的主要内容 .12 专业知识和方案设计 .22.1 设计所需专业知识 .22.2 设计方案 .23 硬件分析与设计 .33.1 步进电机 .33.1.1 步进电机的分类 .33.1.2 步进电机的基本参数 .33.1.3 步进电机的结构与原理 .33.1.4 永磁步进电机的控制原理 .43.1.5 步进电机的特点 .43.2 控制模块 .53.2.1 单片机最小系统 .53.2.2 单片机的引脚功能 .63.2.3 主要特性 .63.2.4 键盘控制电路 .73.3 LCD 液晶显示模块 .83.3.1 LCD1602 简介 .83.3.2 接口引脚功能 .83.4 驱动模块 .103.4.1 ULN2003 .104 软件分析与设计 .124.1 程序流程图 .124.2 读键盘子程序流程图 .134.3 键盘处理子程序流程图 .134.4 电机控制中断程序流程图 .154.5 主程序工作过程 .164.6 Proteus 仿真 .175 调试与改进 .185.1 调试结果 .185.2 不足与改进 .18致谢 .19参考文献 .20附录 A: 汇编语言源程序 .21附录 B:外文原文 .26附录 C:外文翻译 .37陕西理工学院毕业论文第 0 页 共 46 页1 引言1.1 课题研究的目的和意义步进电机又叫做脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、顺时针、逆时针转动控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行。单片机控制的步进电机应用广泛，在工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等领域中都有涉及 1。随着经济和电子技术的发展，步进电机的应用将会更加广泛，这也对步进电机的工作性能有了更高的要求。1.2 课题研究的主要内容本设计的要求是基于单片机或其它控制器，利用集成芯片或其他自设的电路作为电机驱动，以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心，以单片机语言进行软件设计，采用模块化结构，设计一个步进电机调试装置。本次设计选用的是 42 四相八拍步进电机，利用单片机控制步进电机实现运转。通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度，改变通电时序改变步进电机的转向，并且通过液晶显示屏显示其转速的级别和转向。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的特点，广泛应用于各种开环控制。陕西理工学院毕业论文第 1 页 共 46 页2 专业知识和方案设计2.1 设计所需专业知识 本设计的要求是基于单片机或其它控制器，利用集成芯片或其他自设的电路作为电机驱动，以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心，以单片机语言进行软件设计，采用模块化结构，设计一个步进电机调试装置。由于是以数字集成电路技术为基础，单片机技术为核心，因此，对数电、单片机、电路和 C 语言的相关基础知识必须非常熟悉。做硬件之前，必须进行仿真，所以要求我们对 proteus 仿真软件熟练掌握。2.2 设计方案步进电机的控制方式有很多种，可以采用电子电路控制、PLC 控制和单片机控制。由于电子电路控制步进电机灵活度不高，PLC 控制不能在高频率下进行，控制精度小，而随着科技的迅速发展,单片机的应用正在不断深入,同时我们在课程中对单片机也是有所学习，简单，方便，易上手，综合起来，步进电机的控制方式我们采用 STC89C52。 总体设计主要由三个大模块组成，包括控制模块、驱动模块和显示模块。控制模块：步进电机的速度控制是通过单片机发出的脉冲频率来实现，转向是由通电时序决定，正序换相通电即正转，反向通电换相即反转。控制模块主要由 STC89C52 单片机和按键开关，自锁开关组成。驱动模块：ULN2003 芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由 7 组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动 7 组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路，单片机通过 I/O 口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，经过芯片 ULN2003 驱动步进电机。显示模块：LCD1602 液晶显示器具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，因此，这次选择是用它作为显示模块。图 2.1 总体设计框图液晶显示模块 电机驱动模块STC89C51键盘控制模块陕西理工学院毕业论文第 2 页 共 46 页3 硬件分析与设计3.1 步进电机步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的控制元件。根据要求，本次采用的是 42 四相八拍永磁式步进电机，单相步进电动机输出功率一般很小，它主要的作用是微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途非常广泛 2。 一般情况下，输入步进电机的脉冲总数与步进电机的总角度严格成正比，连续输入特定频率的脉冲时，步进电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，它转动的速度不受电压，负载等影响。本次毕业设计采用的是步进角为 0.9 度的四相八拍永磁式步进电机。3.1.1 步进电机的分类步进电机一般分为三大类，混合式步进电机、永磁式步进电机和反应式步进电机。（1）混合式步进电机：如字面意思，它混合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，有两相和五相之分，两相步进角一般为 1.8 度，而五相步进角一般为 0.72 度。（2）永磁式步进电机：通常是两相，它的体积和转矩都很小。（3）反应式步进电机：通常是三相步进电机，可以实现大扭矩输出，它有一个缺点，振动和噪声相对都比较大。反应式步进电机的转子是软磁材料制成的，的那个自伤缠绕着多相励磁绕组，通过这些激励磁场的变化，产生转矩，步进角一般为 1.5 度。3.1.2 步进电机的基本参数 （1）相数：电机内部线圈绕组的对数。四相指的是四对。（2）拍数：电机内部磁场发生一次周期性变化所需要的脉冲数，拿四相电机来说，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。（3）步进角：可以说一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=360 度（转子齿数*运行拍数），拿四相转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为 =360 度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为 =360 度/（50*8）=0.9 度。(4) 电机正反转：这里说的电机正反转也就是顺时针和逆时针转动，当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA 时为顺时针转动，通电时序为 DA-D-CD-C-BC-B-AB-A 时为逆时针转动。3.1.3 步进电机的结构与原理步进电机内部分为转子和定子两部分：定子：由硅钢片叠加而成，定子上每两个相对应的磁极组成一组，总共有八个磁极，也就是有四组。转子：它的外部表面平均的分布着一些很小的齿，由软磁材料制作而成。步进电机是将脉冲信号转变成角位移，如字面意思，也就是说，步进电机每接收到一个脉冲信号，步进电机就转动一个固定的角度，所以说，用单片机控制是最简单的一种方法。 步进电机相对于其他电机，它有一个最大的不同，是通过输入脉冲信号来进行控制的，也可以说输入脉冲的数量决定着步进电机的总转动角度 3。驱动电路通过接收单片机的输出脉冲来控制步进电机正常运转。其基本工作原理如下：（1）步进电机转动方向的控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机就顺时针转动，如果按反序通电换相，则电机就逆时针转。 （2）步进电机转动速度的控制陕西理工学院毕业论文第 3 页 共 46 页步进电机每接收到一个脉冲信号，就转动一步，再接收一个脉冲信号，就再转动一步，两个输入脉冲间隔时间越短，步进电机就转的越快，通过改变单片机输出脉冲频率，可以实现对步进电机转动速度的控制。3.1.4 永磁步进电机的控制原理这次毕设用的是永磁式步进电机，所以先简单的介绍一下永磁式步进电机的原理。其接线图如图 3.1 所示: 图 3.1 四相永磁步进电机接线图从图中可以看出，四相步进电机共有四组线圈，其中有五根引线，A、B、/A、/B 和 COM.只要轮流给各引出端口供电，步进电机就能转动。C 用来标识 COM 端口，只要给 AC、BC 或/AC、/BC，轮