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4873-单片机三通道步进电机控制器的设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,单片机,通道,步进,电机,机电,控制器,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩

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武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 （论文） 开题报告 课题名称 使用专业 开题教师 职 称 年 月 日 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 届毕业设计（论文）开题报告 毕业设计（论文）题目 与指导教师商定后的最终题目（一人一题）。题目一经确定，不得随意变更 。 学生姓名 专业班级 指导教师姓名 校内指导教师 职称 一、 课题背景 （宋体，小四号字，单倍行距） 这部分应说明本设计课题的背景、目的、意义、应解决的主要问题及应达到的技术要求；本设计的基本理论依据和主要工作内容。正文要求不少于 2000 字（不含参考文献字数）。 最后应列出本部分的参考文献（不少于 10 篇），引用文献标示应置于所引内容最末句的右上角，所引文献编号用数字置于“ ”中，如“ ”。参考文献的格式如下： 参考文献采用顺序编码制格式著录。 主要责任者，三名以内的，全部列出；超过三名时，后面加“等 .”字样。 参考文献类型及标识： （ 其他未作说明的文献，建议采用单字母“ Z” ） 参考文献类型 专著 论文集 报纸文章 期刊文章 学位论文 报告 标准 专利 文献类型标识 M C N J D R S P 参考文献编排格式（注意严格使用格式中的符号，特别注意区分“，”和 “ .”）： （ 1）对于专著、论文集、学位论文、报告，格式如下： 序号 主要责任者文献题名 X出版地：出版者，出版年起止页码 其中 X 代表文献类型标识。 （ 2）对于期刊文章，格式如下： 序号 主要责任者文献题名 J刊名，年，卷（期）：起止页码 （ 3）对于报纸文章，格式如下： 序号 主要责任者文献题名 N报纸名，出版日期（版次） （ 4）对于国际、国家标准，格式如下： 序号 标准编号，标准名称 S （ 5）对于专利，格式如下： 序号 专利所有者专利题名 P专利国别：专利号，出版日期 （ 6）对于未定义类型的文献 序号 主要责任者文献题名 Z出版地：出版者，出版年 二、毕业设计方案或毕业论文研究方案 三、毕业设计（论文）预期成果及创新 学部审核意见 学 部主任（签字） 年 月 日 注：此表中的一、二、三项，由学生在教师的指导下填写。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 (论文 )任务书 毕业设计（论文）题目 学生姓名 专业班级 指导教师姓名 职称 毕业 设计（论文）的基本要求 课题条件及进度安排 指导教师： 年 月 日 武汉工程大学邮电 与信息工程学院 毕业设计（ 论 文）说明书 论文题目 学 号 学生姓名 专业班级 指导教师 总评成绩 年 月 日 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - I - 目 录 摘 要 . . 一章 绪论 . 1 . . . x 第二章 . . x . x . x 第三章 . . x . x 第四章 . x . x . x . x 总 结 . . 谢 . . 考文献 . . 录 （可选项） . x 说明：目录中的标题只列出 2 级标题（如 ），不要出现 3 级及以上标题（如 ） 。章节不宜划分过细， 目录内容不宜超过一 页 。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 摘 要 摘要是 论文内容的简要陈述，是一篇具有独立性和完整性的短文， 字数应 不少于 300字。摘要的内容应包括 ： 目的、依据、方法、概要工作及其结果与结论，摘要中尽量不要出现“本文、我们、作者”之类的词汇，不宜使用公式、图表，不标注引用文献编号。避免将摘要写成目录式的内容介绍。 （ 摘要正文为小 4 号宋体 ） 关键词 （小 四 号 黑体 顶格 ）： 关键词用小 四 号宋体，每个关键词之间用“；”，结尾没有标点。 关键词是供检索用的主题词条，应采用能覆盖 文章 主要内容的通用技术词条。关键词一般列 35 个。 页面设置：无网格。 页边距：上 米，下 米 左 米，右 米 页眉： 米；页脚 米 格式（段落）： 行距 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 英文摘要正文为小 四 号 体 ） 四 号 黑体 顶格）： 关键词用小 四 号 体 ，每个关键词之间用“；”，结尾没有标点。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 1 - 第一章 绪论 （二号字黑体） 这一章 内容主要包括：毕业设计课题的背景、目的、意义；国内外发展现状（ 主要进行 文献综述）； 应解决的主要问题及应达到的技术要求；本设计的基本理论依据和主要工作内容 ；各章节的安排。 三号字 黑体 行距 ） 四号字 黑体 行距 ） 正文 （ 小四号字 宋体 行距 ；所有英文采用 体 ） 论文应 分章节撰写，每章另起一页。 各章节标题要突出重点，简明扼要，字数不超过 15（不得使用标点符号，不得加引用文献标识）。 章节层次不超过 3 级题序，并尽量统一。 关于引用参考文献 引用文献标示应置于所引内容最末句的右上角，所引文献编号用数字置于“ ”中，如“ ”。 关于公式书写 论文中的公式应在公式编辑器中编写，不宜直接写在 文档中。公式中常量采用正体、变量采用斜体。全文的公式一律按章编号使用，并一律右对齐。 ),(),(),(),(页面设置：无网格。 页边距：上 米，下 米 左 米，右 米 页眉： 米；页脚 米 格式（段落）： 行距 全文正文字数不少 15000 字（不含摘要、致谢、参考文献） 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 2 - 关于表格的规范使用 表序按章编排，如第 1 章的第 1 个表为“表 1。 表序与表名之间空 1 格，表名中不允许出现标点符号。 表序与表名置于表上 ，居中排写。 全表如用统一单位，将单位符号移至右上角，加圆括号。表中数据空缺的格内加“ ”。表内文字或数字上、下或左右相同时，采用通栏处理方式，不允许用“”，“同上”之类的写法。 表 1参数计算结果（ 居中 ， 段前、段后均设置为 5 磅 ） 计算结果 参数列表 参数一 参数二 参数三 参数四 对象 1 对象 2 对象 3 关于插图的规范使用 插图应与文字紧密配合，文图相符。 每个图均应有图题（由图号和图名组成）。图号按章编排， 图题置于图下居中书写 。 插图与图题不得排写于两页。 其中有 数字坐标的，必须表明坐标单位。 (a) 源图像 (b) 源图像 图像 图题置于图下，居中。 段前、段后均设置为 5磅。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 3 - 此外， “ 宜化模式 ” 学生的论文 必须就所参加课题的性质、设计内容、单位等方面给予必要的说明。 毕业论文正文字数应不少于 字 （不含目录、摘要、致谢、参考文献字数）。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 4 - 第 二 章 正文 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 5 - 总 结 结论是对整个 毕业 设计主要成果的总结， 是全文的思想精髓和 论文 价值的体现。应概括说明所进行工作的情况和价值，分析其优点和特色，指出创新所在，并应指出其中存在的问题和今后的改进方向，特别是对工作中遇到的重要问题要着重指出，并提出自己的见解。它集中反映作者的研究成果，表达作者对所研究的课题的见解和主张，结论要简单、明确，篇幅不宜过长。 在 “ 宜化模式 ” 学生的论文中， 还必须 包含有企业单位的评价（如设计基本或部分能用于生产实际、具有较好的参考价值或具有一定的实践性等） 。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 6 - 致 谢 学生对四年来对自己学习给予帮助的人，特别是对在毕业设计（论文）阶段给予自己帮助与指导的老师、同学表示感谢。 宜化模式学生必须对所在单位（部门）及单位指导教师表示感谢。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） - 7 - 参考文献 参考文献采用顺序编码制格式著录。主要责任者，三名以内的，全部列出；超过三名时，后面加“等 .”字样。 参考文献类型及标识： 参考文献类型 专著 论文集 报纸文章 期刊文章 学位论文 报告 标准 专利 文献类型标识 M C N J D R S P 其他未作说明的文献，建议采用单字母“ Z”。 参考文献编排格式（注意严格使用格式中的符号，特别注意区分“，”与“ .”）： （ 1）对于专著、论文集、学位论文、报告，格式如下： 序号 主要责任者文献题名 X出版地：出版者，出版年起止页码 其中 X 代表文献类型标识。 （ 2）对于期刊文章，格式如下： 序号 主要责任者文献题名 J刊名，年，卷（期）：起止页码 （ 3）对于报纸文章，格式如下： 序号 主要责任者文献题名 N报纸名，出版日期 （版次） （ 4）对于国际、国家标准，格式如下： 序号 标准编号，标准名称 S （ 5）对于专利，格式如下： 序号 专利所有者专利题名 P专利国别：专利号，出版日期 （ 6）对于国际国内会议论文，格式如下： 序号 主要作者 文献题名 C 会议论文集名 ，年，卷（期）：起止页码 （ 7）对于未定义类型的文献 序号 主要责任者文献题名 Z出版地：出版者，出版年 参考文献数量不少于 15 篇，其中近五年出版的文献不少于 1/3，外文文献不少于 3篇（其中必须包含本人翻译的外文资料 ，按学 校规定外文翻译不少于 3000 单词 。翻译资料必须来自正式出版的书籍或期刊文章， 但不得是网页上无法找到正式出处的资料 ） 。参考文献不得是网址 。 上述所列的参考文献必须在正文中按顺序加以引用。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计 (论文 )任务书 毕业设计（论文）题目 单片机三通道步进电机控制器的设计 学生姓名 专业班级 指导教师姓名 职称 毕业设计（论文）的基本要求 字数： 具体要求：硬件芯片设计，有 路图 软件设计 C 语言编程 完成论文任务书，开题报告 课题条件及进度安排 了解熟悉课题，查阅资料； 完成开题报告内容，对课题进一步研究； 确定总体设计方案 ; . 绘制设计的硬件电路图初稿 中期检查； 论文的撰写和程序的编写； 完成论文的撰写、硬件电路图终稿、完成 C 语言程序； 毕业答辩。 指导教师： 年 月 日 题目：单片机三通道步进电机控制器的设计 字数： 具体要求：硬件芯片设计，有 路图 软件设计 C 语言编程 以及整体仿真模拟完成论文任务书，开题报告 28日之前完成 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 1 摘 要 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，比如细分驱动技术，但是有的系统比较复杂，和一些相对比较简单的控制过程不相吻合，投入上也不经济 ;有的系统在操作上不是很方便，交互性不强。而且，有感于目前的职业教育的专业教材各种技术太过经渭分 明，由此带来的实习也是比较零散，没有把一些在工程实践中应该结合在一起的技术有机结合起来，因此本文的研究内容就是设计一套硬件系统较简单 、 经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术 、 单片机技术 、 电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况 、 以及常见的控制系统采用的方案，常见的驱动技术，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机程序 的 设计。 关键词 :步进电机 、 单片机 、 看门狗 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 2 is a of by to of no of of in In to a of as of A of in of is as of is do is in is do a in at is in be in of is to a of is is of of as as is of by of on of of 汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 3 目录 摘 要 目录 第一章 绪论 题背景 要研究工作 第二章 单片机基础知识及选择 片机应用发展简介 片机选择 第三章 步进电机基础知识及选择 进电机工作原理 进电机的选择 进电机各指标和参数 第四章 系统的硬件设计 2 统设计方案 2 片机最小系统 3 口通信模块 8 码管显示电路设计 8 进电机驱动电路 2 源电路 5 盘电路 6 第五章 控制系统软件设计 9 件系统设计原则 9 进电机控制系统功能设计 9 程序设计 0 示程序设计 2 盘程序设计 3 速程序设计 5 第六章 总结 7 参考文献 8 附录 1 系统原理图 9 附录 2 系统程序（ C 语言） 0 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 4 第一章 绪论 题背景 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲 ,电机就运行一步故称为步进电机或脉冲马达。通俗一点讲 :当步进电机接收到一个脉冲信号 ,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (步进角 )。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 ,从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 ,从而达到调速的目的。 步进电机具有转子惯量底，定位精度高，无累积误差，控制简单等特点。实际操作时不受电源电压， 负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制 步进电机作为控制执行元件 ,是机电一体化的关键产品之一 ,广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。随着微电子和计算机技术的发展 ,步进电机的需求量与日俱增 ,在各个国民经济领域都有应用。随着数字技术和计算机的发展，研究步进电机驱动电路，使步进电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛 。 步进电动机的发展方向主要有如下三点 :(1)进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用 术，采用电子齿轮比技术，扩 展通讯网络功能等。 (2)高功率密度的步进电动机系统。 (3)闭环控制步进电动机系统。为了彻底克服步进电动机系统一些根本性的弱点，如振荡的倾向及失步等，可改为闭环系统，但这种改变的步进电动机系统已起了质的变化，不再是本来意义上的步进电动机，而成为无刷直流电动机 (或交流伺服电机 (AC 要研究工作 硬件设计方面：通过单片机实验加深对步进电机的驱动电源和电机工作情况了解 。观察转子振荡状态，并且掌握步进电机的基本特性和指标。根据功能需要选择电路元器件和型号，设计电路并能解决现实抗 干扰问题。画出电路原理图，进行电子自动化设计。软件设计方面：通过 使用很广泛的 C 语言编写核心模块对步进电机进行控制 的程序 。最终设计出一个单片机控制步进电机电路，能够调节步进电机的转向和速度。由于转速是通过调节脉冲频率实现的，该设计脉冲分配采用完全软件方式，既按照给定的通电换向顺序，通过单片机 I/O 口向驱动电路发出控制脉冲，避免采用复杂脉冲分配器芯片，实现单片机直接控制步进电机。在现实操作中解决堵转和启动失步等问题。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 5 第二章 单片机基础知识 及选择 片机应用发展简介 单片微型计算机（ 称单片机，是在一块芯片体上集成了中央处理器 机存储器 时器 /计数器、中断控制器以及串行和并行 I/O 接口等部件，构成的一个完整的微型计算机。 自 1971 年 司制造出第一块 4 位微处理器以来，发展十分迅猛，经历了 4 位机、低档 8 位机、高档 8 位机、 16 位机及最新一代的单片机。最新一代单片机在结构上采用双 内部流水线， 8 位、 16 位、 32 位，时钟频率高达 20内有出、监视定时器 编程计数器阵列 输、调 制解调器等。芯片向高集成化，低功耗方向发展，使得单片机在大量数据的及时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。 单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故在国民经济建设、军事及家用电器等领域有广泛的应用。按照单片机特点，单片机可分为单机应用和多机应用。单机应用主要领域有（ 1）测控系统。用单片机构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。如温室人工气候控制、水阀自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。（ 2） 智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度的测量、显示及仪表控制。通过单片机软件编程，是测量仪表中长期存在的误差修正、线形化处理等难题迎刃而解。（ 3）机电一体化产品。如简易数控机床、医疗器械等。（ 4）智能接口。在大型工控系统中，普遍采用单片机进行接口的控制与管理，这个因为单片机与主机是并行工作的，可大大提高系统运行速度。如大型数据采集系统中，用单片机对 口进行控制不仅可提高采集速度还可对数据进行预处理。如数字滤波、线形 化、误差修正等。多机应用主要在功能集散系统、并行多控制系统、局部网络系统。（ 1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。如一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标系统、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。（ 2）并行多控制系统。并行多控制系统主要解决工程应用系统的加速问题，以便构成大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图象处理系统等。（ 3）局部网络系统。单片机网络系统的出现，使单片机的应用进入了一个新的水平。目前 该网络系统武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 6 主要是分布式测控系统，单片机主要用语系统中的通信控制，以及构成各种测控子级系统。 片机选择 片机选择依据 第一，价格因素。考虑到该控制器设计的适用性，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。 第二，性能因素。 片机机内部资源丰富、具有在线编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便， 通过对该系统分析， 8 位单片机可以满足系统控制精度的要求。 第三，安全因素。电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心 ，单片机的安全性必须达到系统要求。 片机的优点 （ 1）内部含 储器： 在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，大大缩短了系统的开发周期。 （ 2）和 80座兼容： 该机型通用性好，能够利用现成的 51 系列的开发系统，不需另外重新建立新的开发系统，这样可节约开发成本。 （ 3）静态时钟方式： 片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低成品的功耗十分有用。 （ 4）错误编程亦无废品产生： 一般的 品一旦错误编程就成了废品，而片机内部采用了 储器，所以错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。 （ 5）可进行反复系统试验： 用 片机设计的系统可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优，而且随用户的需要和发展还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。由于该机型具有上述优点，并且有现成的开发系统，不需购置新的开发系统，可节约开发成本，所以选择 片机。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 7 第三章 步进电机基础知识 及选择 进电机工作原理 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组 ,利用磁导的变化产生转矩。现阶段 ,感应子式步进电机获得较多的应用。 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻 尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 各种步进电机工作原理都大同小异，因为反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 (1)结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、 1/3 、 2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即 A 与齿 1 相对齐， B 与齿 2 向右错开 1/3 ， C 与齿 3 向右错开 2/3 ， A与齿 5 相对齐，（ A就是A，齿 5 就是齿 1）下面是定转子的展开图： 图 转子展开图 (1)旋转： 如 A 相通电， B， C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如 B 相通电， A， C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（ ） =2/3 。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 8 如 C 相通电， A， B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐。 如 A 相通电， B， C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 。 这样经过 A、 B、 C、 A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断 地按 A， B， C， A 通电，电机就每步（每脉冲） 1/3 ,向右旋转。如按 A， C， B， A 通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 种导电状态，这样将原来每步 1/3 改变为 1/6 。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3 变为 1/12 ， 1/24 ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 (3)力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错开一定角度产生力 F 与（ d/正比。其磁通量 =。 磁密， S 为导磁面积， F 与 LD L 为铁芯有效长度， D 为转子直径。 I/R， NI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数） R 为磁阻。力矩 =力 半径。力矩与电机有效体积 安匝数 磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 图 磁通量与受力图 进电机的选择 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 9 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 (1)步距角的选择 :电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般 有 /（五相电机）、 （二、四相电机）、 /3 度 （三相电机）等。 (2) 静力矩的选择 : 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。 （ 3）电流的选择：静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。 综上所述本系统设计采用 57号的步进电机。因一般的步进电机都配有固定型号的驱动器， 57号的步进电机与其配套的驱动器型号为 以本系统驱动器的选择不再另作选择。 进电机各指标和参数 步进电机的指标和参数通常分为静态指标术语和动态指标术语。 （ 1）步进电机的静态指标术语。 相数：产生不同对极 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数或导电状态用 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 相八拍运行方式即 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。 =360 度（转子齿数 J 运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50 齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度 /（ 504） =（俗称整步），八拍运行时步距角为 =360度 /（ 508） =（俗称半步）。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 10 及机械误差造成的） 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 （ 2）步进电机动态指标及术语： 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示 ：误差 /步距角 100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。在步进电机的运行过程中，将可能出现失步，其失步原因有两种 ： (1)转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，也就是低于换相速度而产生的。这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转，从而引起失步 (2)转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需要的时间，则转子在步 进过程中获得过多的能量，从而产生前冲和后冲的摆动振荡，当振荡足够严重时就会导致失步。 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机 选择的根本依据。 其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如图 示： 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 11 图 进电机运行矩频特性图 电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在 180间（步距角 ）或在 400右（步距角为 ），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移， 反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 电机正反转控制：当电机绕组通电时序为 为正转，通电时序为为反转。 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 12 第 四 章 系统的硬件设计 统设计方案 统的方案简述与设计要求 本设计采用单片机 作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了步进电机驱动芯片 其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。系统的 具体 功能和要求如下： 、 停 止 、正转、反转 、加速、减速等 控制； 2V，电流为 驱动信号 ; 最低转速为 25 转 /分，最高转速为 100 转 /分； 统的组成及其对应功能简述 整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载 通信 模块，数码管显示模块，独立按键 模块 等模块组成。具体框图如图 图 统总体框图 单片机最小系统作为整个系统的 控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 13 冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与 输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。 电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。 串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。 数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向 及 步进电机的运行步数 。 独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的正转，反转，加速，减速等功能。采 用了中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成了对步进电机的最佳的及时的控制。 本节主要是在第一章和第二章的基础上引出了本论文将要采用的设计方案，并详细的清楚的一条条列出了设计要实现的基本设计要求。然后是基于我的设计方案，比较简单的但有条理的描述了系统的各个部分的组成以及其对应的基本功能。通过这一章的内容，我们能对本设计有一个简单的总体的把握，既是能清楚的知道本题目的设计内容，设计方法，以及最终的预期目标。 片机最小系统 介 美国 司生产的 低功耗，高性能 单片机，片内含4可系统编程的 读程序存储器 ,器件采用 司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 序存储器既可在线编程（ 可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，功能强大。 1、主要性能参数 与 品指令系统完全兼容 4k 字节在系统编程（ 速存储器 1000 次擦写周期 工作电压范围 全静态工作模式： 033三级程序加密锁 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 14 1288 字节内部 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时计数器 6 个中断源 全双工串行 道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗（ 双数据指针 掉电标识和快速编程特性 灵活的在系统编程（ 节或页写模式） 2、功能特性概述 供以下标准功能： 4k 字节 速存储器， 128 字节内部 32个 I O 口线，看门狗（ 两个数据指针，两个 16 位定时计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡 器及时钟电路。同时， 降至 0静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 工作，但允许 时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3、引脚功能说明 图 汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 15 该设计使用到的单片机芯片对应管脚名称位置等如图 引脚功能图详细说明。 源电压 ： 是一组 8 位漏极开路型双向 I 0 口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动 8 个 辑门电路，对端口写 “l”可作为高阻抗输入端用。在和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 程时， 接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。访 问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）。 ： 个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口， 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 辑门电路。对端口写 “l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ ： 一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口， 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 辑门电路。对端口写 “1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输 入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 令）时， 送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 i 指令）时， 线上的内容（也即特殊功能寄存器（ 存器的内容），在整个访问期间不改变。 程或校验时， ： 是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口。 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电 流） 4 个 辑门电路。对 写入 “l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 将用上拉电阻输出电流（ 除了作为一般的 I O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 速存储器编程和程序校验的控制信号。具体功能如表 示 表 43 口的引脚及功能 端口引脚 第二功能 行输入口） 行输出口） 部中断 0） 武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 16 部中断 1） 0（定时 /计数器 0 外部输入） 1（定时 /计数器 1 外部输入） R（外部数据存储器写选通） D（外部数据存储器读选通） 位输入。当振荡器工作时， 脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 出将使该引脚输出高电平，设置 （地址 8打开或关闭该功能。 缺为 出高电平打开状态。 访问外部程序存储器或数据存储器时， 址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。 即使不访问外部存储器， 以时钟振荡频率的1 6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 冲。对 储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ 如必要，可通过对特殊功能寄存器（ 中的 80 位置位，可禁止 作。该位置位后，只一条 令 外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 效。 序储存允许（ 出是外部程序存储器的读选通信 号，当 数据）时，每个机器周期两次 效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的 号。 部访问允许。欲使 访问外部程序存储器（地址为 0000H 必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位 编程，复位时内部会锁存 状态。 如 为高电平（接 ）， 执行内部程序存储器中的指令。 储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程电压 荡器反相放大器及内部时钟 发生器的输入端。 荡器反相放大器的输出端。 存储器结构： 片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具 64部程序和数据的寻址空间。 程序存储器：如果 脚接地（ 全部程序均执行外部存储器。在 如 至 源 +），程序首先执行地址从 0000H 04部程序存储器，再执行地址为 1000H 60外部程序存储器。 数据存储器： 具 128 字节的内部 128 字节可利用直接或间接武汉工程大学 邮电与信息工程学院 毕 业设计（论文） 17 寻址方式 访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行， 128 字节均可设置为堆栈区空间。 4、晶体振荡器特性 个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 在放大器的反馈回路构成并联振荡电路。对外接电容 然没十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我 们推荐电容使用 300如使用陶瓷谐振器建议选择 400 用户也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到 ，即内部时钟发生器的输入端， 悬空。 由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 5、 速存储器的并行编程 片机内部 4k 字节的可快速编程的 储阵列。编程方法可通过传统的 程器使用高电压 （ +12