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DZ008单片机实现的步进电机控制系统_计,毕业设计
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信息与电子工程 系 毕业论文 (开题报告 ) 浙 江 工 业 大 学 浙 西 分 校 毕业设计 (论文 )开题报告 信 电 系 电 气 技 术 专业 0 3 级 课题名称： 单片机实现的步进电机控制系统 毕业设计 (论文 )起止时间： 2006 年 2 月 15 日 6 月 2 日 (共 16 周 ) 学生姓名： 韩安宝 学号： 10 指导教师： 黄云龙 廖东进 朱秋琴 报告日期： 3 月 7 日 nts信息与电子工程 系 毕业论文 (开题报告 ) 1本课题所涉及的问题在国内 (外 )的研究现状综述 一、单片机的发展 状况 1 十几年来，单片机在生产过程控制、白动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室白动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定 句、汽车火花控制、交通白动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 单片机不求规模大，只求小而全。厂家在一个芯片上制成了 CPU 和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入 /输出接口 (工 nterface)。在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机 MCS-51 系列中的一片 8751 芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从 CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机， MCS-51 单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令 ;CPU 时钟高达 12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要 4Ns;具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。 一般微处理器和有关元器件分军用和民用两级 ，民用产品主要用于办公室及机房环境，工作温度在 0 到 700 ,军用产品要求在恶劣环境条件下稳定工作，工作温度在 -65 到 +125 ;工业级产品的性能介于以上两者之间，在 -40 到 +85温度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，而价格较军用品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统可靠性。 近年来，在国际上出现了 Mechanics 和 electronics 复合成的 Mechtronics 这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进 制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的单片机白然成为机电一体化控制器的最佳选择。 单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段 10: 第一阶段 :1971-1974 年， 4 位微处理器工 ntel 4004 及 8 位微处理器工 ntel 8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。 第二阶段 :1974-1978 年，初级单片机阶段，以工 ntel 公司的 MCS-48 为代表，8 位单片机。 第三阶段 :1978-1983 年，高性能单片机阶段。以工 ntel 公司 MCS-51,Motorola公司的 6801 和 Zilog 公司的 Z8 等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、 16 位定时器 /计数器，有的片内还带有 A/D 转换器接口，片内RAM, ROM 容量加大，寻址范围可达 64K 字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。 第四阶段 :1983年至今， 8位单片机巩固发展及 16位单片机推出阶段。例如 Mostek公司的 MK6800、 Intel 公司的 MCS-96 等。 MCS-96 集成度为 12 万只 晶体管 nts信息与电子工程 系 毕业论文 (开题报告 ) 片，寻址范围 64K 字节、 5 个 8 位并行口、一个全双工串行口、 4 个 16 位定时器、 8通道 10 位 A/D 转换器等，另外 MCS-96 指令能处理位、字节、字，有 16 位乘 16 位乘法、 32 位除 16 位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。单片机己经进入一个崭新的阶段。 二、步进电机 的 发展状况 2 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本 质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。 80 年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。 步进电机广泛应用在生产实践的各个 领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的 驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。 2设计 (论文 )要解决的问题和拟采用的研究方法 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。步进电机可分为永磁式步进电机（简称 PM）、反应式步进电机（简称 VR）和混合式步进电机（简称 HB）：永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 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。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。 nts信息与电子工程 系 毕业论文 (开题报告 ) 由于励磁绕组在空间 中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 1、步进电机的控制方法及原理 4 步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件 ,实质上是一种数字 /角度转换器步进电机控制系统主要由步进控制器 ,功率放大器及步进电机等组成 .步进控制器由缓冲寄存器 ,环形分配器 ,控制逻辑及正 ,反转控制门等组成 ,能把输入的脉冲转换成环形脉冲 ,以便控制步进电机 ,并能进行正反向控制 .但由于步进控制器线路复杂 .成本高 .采用 单片机 控制 ,用软件代替上述步进控制器 ,使得线路简单 ,成 本 低 ,可靠性大大增加 ,灵活改变步进电机的控制方案 ,无需逻辑电路组成时序发生器 .软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进 电机的运行方式并可实现一机控制多台电机 .提供灵活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁琐的控制易于实现 。 在非超载的情况下，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。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单 。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： (1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相 步进电机的三拍工作方式，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 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 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。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 2、 进电机的主要特性 6 （ 1） 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比 . （ 2） 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 （ 3） 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 （ 4） 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 （ 5） 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 。 单片机控制步进电机的设计思路 7 nts信息与电子工程 系 毕业论文 (开题报告 ) 步进电机控制系统的组成如图 4.1 所示： 图 4.1 控制系统图 3、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路 8 步进电机控制程序设计的主要问题有三个： 第一、控制脉冲产生； 第二、步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系； 第三、步数的确定。 作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以从这三个问题入手： （ 1） 控制脉冲的产生 在单片机控制步进电机时，一般来讲，控制是用软件产生的。方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。延时时间的长短由步进电机的工作频率决定。 （ 2） 步进电机的旋转方向和 时序脉冲的关系 产生时序脉冲的方法是 : 1 单片机的 IO 端口，分别控制三相步进电机的 A, B, C 三相绕组 ; 2 控制模式写出控制模型 ; 2 制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。 （ 3） 步数的确定 步进电机运行的步数可由步距角和需要转过的角度来计算 : NZ rb 360 式中 ：b步距角 ; rZ 转子齿数 ; N 拍数 (一般三拍时 N =m 或六拍时 N =2m ); m 控制绕组相数， m =3 nts信息与电子工程 系 毕业论文 (开题报告 ) 4完成本课题所必须的工作条件 (如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计 算机辅助设计条件等等 )及解决的办法 。 1 电子线路设计、实验、测试（第二版） M武汉：华中理工大学出版社，2000 版 . 谢自美编 2 凌阳十六位单片机原理及应用 M北京：北京航空航天大学出版社， 2003版 . 薛钧义，张彦斌，樊波等编 EB/01 . EB/02 3 微型计算机控制技术 M北京：清华大学出版社， 1999 版。于海生等编 4 优质电子元器件实用手册 (上 ) 电子工业出版社 5 优质电子元器件实用手册 (下 ) 电子工业出版社 6 单片机实用接口技术 王语 张盛诚 编 7 单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 何立民编 8 单片机基础 北京航空航天大学出版社 李广弟 朱月绣编 9 MCS-51 系列微型计算机原理与应用北京航空航天大学出版社 李巡编 10 智能化测量仪表原理与设计 北京航空航天大学出版社 徐爱均编 11 MCS-51 单片机应用设计 哈尔滨工业大学出版社 张毅钢编 12 单片微型机原理、应用与实验 复旦大学出版社 赵志英 张友德编 13 MCS-51/98 单片机原理与应用 机械工业出版社 赵长德 李华 李东编 14 单片机 应用程序设计技术 北京航空航天大学出版社 周航慈编 nts信息与电子工程 系 毕业论文 (开题报告 ) 5设计 (论文 )完成进度计划 第 1、 2 周：下达设计任务书，布置课题，借阅参考书，完成开题报告。 第 3、 6、 10 周： 方案的论证和确定 第 4、 5 周： 软件硬件的选择 第 7、 8 周： 硬件电路的设计 第 9、 10 周：软件的设计 第 11、 12 周： 写总的程序 第 13、 14 周： 设计总的图纸 第 15 周： 论文的修改 第 16 、 17 周： 画电路图和打印图
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