步进电动机的控制(单片机课程设计)毕业论文

1、步进电动机的控制(单片机课程设计)摘要步进电机是现代数字控制技术中最早的执行元件。步进电机是一种开环控制元件步进电机，将电脉冲信号转换成角位移或线位移。在无过载情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度，这个角度称为“步距角”。它以固定的角度一步一步地旋转。可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。需要单片机产生脉冲序列和方向控制信号。步进电机的特点是能直接将数字脉冲控制信号转换成一定值的机械

2、角位移，并能自动产生定位力矩锁定转轴。性能可靠、结构简单是控制系统发展的最基本要求。利用AT89S52单片机设计开发步进电机控制系统可以很好地满足这一要求。本课程采用ULN2003A作为步进电机的驱动电路，并将驱动程序写入AT89S52单片机，通过程序控制步进电机的速度和方向。实现了软硬件结合的控制方法，使步进电机运行稳定，可靠性高，实现了对步进电机的最佳控制。关键词:单片机，步进电机，驱动电路，发光二极管目录 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980075 1 方案比较与选择（须详细阐述创新点或新见解）一个 HYPERLINK l _RefHeading_Toc10

3、3980083 2 电路仿真与分析三 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980085 2.1电路仿真三 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980085 2.2电路分析三 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980093 3电路板制作、焊接、调试九 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980094 3.1 电路板制作九 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980094 3.2 电路板焊接九 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980085 3.3电路

4、板调试九 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980093 4讨论与进一步研究建议11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980093 5课程设计心得12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980093 Abstract HYPERLINK l _RefHeading_Toc103980093 参考文献1.方案比较和选择1.方案:使用的元器件主要有AT89C51芯片、ULN2803驱动芯片、四相五线制步进电机、4511数码管驱动芯片、数字数码管和非门电路。电路图如下:这个电路很复杂，程序很长。起初我们组本来想采用这个方

5、案，但是电路仿真时无法实现电机控制，所以放弃了这个方案。1.该方案的优点:元件比较齐全，可以控制电机的正转、反转、加速、减速、停止。这种方案可以通过数码管显示电机的转速。本程序采用中断方式控制电机，CPU的利用率大大提高，所以编程时，最好用数码管显示步进电机的转速。二。该方案的缺点:1.电路比较复杂，YDL电路板比较小，所以在电路焊接的时候电路的布局会比较困难。方案二:电路图主要元件:AT89S52，ULN2003，四相五线制步进电机。电路图如下:因为第一个方案在电路仿真上有问题，我们组又想了另一个简单的方案。与第一种方案相比，第二种方案取消了转速数码管的显示，简化了电路。该方案的优点:电路相

6、对简单，焊接容易。该方案除了实现步进电机的正转、反转、加减速和停止功能外，还在加减速的基础上增加了两个加速档和四个减速档。该方案的缺点:1.这种方案没有方案一中用数码管显示转速的功能，只有一个正向和一个反向灯显示转速。如果旋转速度太快，光闪得太快，它们就失去了意义。2.电路仿真与分析我们团队用的模拟软件是ISIS和Keil uVision2。首先用ISIS编译程序，然后用HEX格式保存。打开Keil uVision2，画出电路图(注意各种元器件的型号，尤其是电容，极性电容的正负极，电源的选择等。)，点击AT89S52，将十六进制格式文件嵌入单片机，然后试着模拟运行，看看电机是否会按照编程的功能

7、运行。电路仿真分析如下:1.步进电机的脉冲序列信号与速度控制如果步进电机能够“步进”，它必须产生如图2所示的脉冲序列。该脉冲序列的特征在于周期、脉冲高度和开关时间。在数字电路中，脉冲高度由元件电平决定，如0 5 V的TTL电平，0 10 V的COMS电平，步进电机每一步的响应。需要一定的时间，也就是高脉冲要保持一定的时间，才能让电机完全到达某个位置。开关时间可以通过延时在软件中实现，延时决定步进电机的实际工作速度。2.步进电机方向和步距角的控制。步进电机的励磁方式可分为全励磁和半步励磁，其中全励磁又可分为1相励磁和2相励磁，半步励磁又称为1-2相励磁。每输出一个脉冲信号，步进电机只走一步。因此

8、，步进电机可以通过连续顺序发出脉冲信号来连续旋转。本设计选择半步励磁(1-2相励磁):1-2相励磁方式是1相和2相交替进行。由于分辨率的提高和平滑操作，每个激励信号可以走9度。如果采用1-2相励磁方式控制步进电机正转，励磁顺序如下(如果反方向传输励磁信号，步进电机将反转):激发顺序:AABBBCC CD D DA一般情况下，步进电机的步距角计算如下。=360 /(Z m K)式中-步进电机的步距角；z-转子齿数；m-步进电机的相数；k-控制系数是拍数和相数的比例系数。2)步进电机驱动电路和状态显示步进电机驱动电路图:1B、2B、3B和4B分别与P1.0、P1.1、P1.2和P1.3相连。状态图

9、:两根线分别接在P2.0和P2.1上，一根表示正转，一根表示反转，灯的闪烁速度表示转速。3)键盘电路几根导线分别连接到P0.0至P0.4。如果没有按下开关，每个位都被拉高。一个开关被按下后，这个位变成低电平，按键判断程序就可以判断按下的是哪个按键。4)时钟晶体振荡器电路和复位电路时钟晶体振荡器电路图:复位电路图:5)步进电机定时表步骤序列控制位控制模式工作状态DCBA一个00一个一个03HAB型血200一个002HB三0一个一个006H公元前四一个0004HC五一个一个000CH激光唱片六一个00008HD七一个00一个09H这八000一个01HA总图:3电路板的制作、焊接和调试1.原厂焊接件

10、:AT89S52，ULN2003，步进电机，晶振，二极管，电阻，电容，开关，若干导线。2.焊接步骤:1.在焊接之前，必须先进行原布局，因为电路板的空间是有限的，所以原布局有利于更好地利用电路板的空间，避免后期焊接时电路混乱，造成短路或其他问题。比如AT89S52芯片和ULN2003芯片的1、2、3、4脚在焊接时要一一对应。焊接时要注意芯片的放置，使两个芯片引脚之间的键合线尽可能短，尽量少用跳线。上面要求的芯片放置位置如下:从AT89S52开始的焊接直接到芯片底部ULN2003的引脚，从而实现了最简单、最直接、最少焊接的电路连接。2.AT89S52布置在电路板中间，ULN2003布置在上部。左侧

11、和右侧保留用于布置控制电路和晶体振荡器电路。部件的位置大致确定后，开始焊接。手工焊接分为五个部分:(1)识别焊点的位置，焊头和焊丝相互靠近，随时处于可焊状态；(2)将焊头放置在工件的焊点处，对焊点进行加热；(3)将焊丝放在工件上，熔化适量的焊料；(4)熔化适量的焊丝，并取走焊丝；(5)焊锡延伸符合要求后，取下烙铁，注意取下焊头的速度和方向，保持焊点美观。3.焊接芯片、电阻、电容、开关等。按照上述步骤，引出接地线和电源线。焊接基本完成。焊接后的示意图如下:4.讨论和进一步研究的建议1.我们的作品只有基本功能。这是因为我们用的是查询的方式而不是中断，所以如果加上数码管显示转速，硬件负担会比较重，所

12、以这方面的扩展功能还有待完善。2编程时需要注意步进电机的步距角，这样可以清楚的看到电机的转动。3.在灯显示方面，由于正常和快时闪光时间短，无法观察到速度。这方面可以改进，使其闪烁频率可以用肉眼分辨。电路焊接有个小缺陷，电机线槽空间不够。所以电机槽不能完全插入，但不影响电路的运行。5.部分线路接触不良，所以焊接不够完美。5.课程设计经验也许我们小组的每个成员都从这个课程设计中获益匪浅。实验之前我们对单片机仿真软件完全没有概念，收到方案请求也比较晚，所以收到方案的时候也不知道要做什么。然后我们在网上查了很多资料，学会了用isis和Keil uVision2软件进行模拟分析。在第一种方案的讨论中，我

13、们发现从网上下载的程序无法满足控制步进电机的要求，于是我们小组自己编写程序，用isis画出电路进行仿真分析，最终取得了成功。因为我们误以为电机的步距角比较大，所以在编程时把步进电机设计成八拍电机。仿真分析没有问题，电机转动明显。但是在电路焊接通电的时候，电机转的很慢，所以很多时候我们以为电机只是在晃动而不是在转动。通电多次后，我们发现电机转动太慢。所以我们组把延迟常数设成比原来小十倍。当电机通电时，确实实现了电机的快速旋转。但由于显示正反转的二极管脉冲频率太快，肉眼看不到它们在闪烁。为了兼顾电机转速和二极管显示的状态，我们最终将电机延时常数设置为初始值的1/4。在成功的电路模拟分析后，我们小组

14、考虑了电路板上元件的放置位置和第二天焊接中的电路走线，因此我们小组以最快的速度完成了课程设计，并尽早响应和提交了作品。在设计之前，首先要考虑要实现的基本功能，选择和设计相应的硬件电路和程序架构，软硬件结合，考虑以后要扩展功能。所以硬件电路和程序架构要有可扩展的潜力，这就要求尽可能考虑各种中断，有效利用CPU资源，同时尽可能扩展IO口，充分利用IO口。如果只用询问法，实现对步进电机和LED的控制是相当勉强的。为了再次展现革命，需要重新分配硬件资源，构建程序架构，其中中断必不可少。其次，需要考虑步进电机的步距角和所需的最小脉冲周期，这就涉及到延时程序的延时时间选择。要让电机转动，延迟时间不能太小，

15、延迟时间也不能太大。同时，加速、匀速、减速的梯度要明显，即延迟时间的控制要有技巧。另外，速度是通过LED的闪烁频率来显示的，要选择合适的频率，以便肉眼可以观察到。最后，成员之间有效分工，充分利用每个成员的优势，可以事半功倍。永远保持安静和耐心，做任何事情都要迅速而成功。深夜，编程，画程序框图，学习isis和Keil uVision2软件进行仿真分析，核对数据，我体会到了学习的艰辛，体会到了团队中有一两个独立的人的重要性。我们组分工做得很好，各有所长。比如茹蓉很擅长编程，做事严谨有耐心。别人都睡了，他还在深夜编程。方和泽宾擅长焊接电路。他们的焊接工艺和他们的空间布局使得焊接电路一次成功，布局清晰

16、美观合理，没有未焊透或错焊，从上面的焊接图可以看出。荣卫擅长画程序框图，能根据找程序员的思路编制的程序正确地画出程序框图，让老师和同学一目了然地看出设计的大致思路。充分发挥每个团队成员的长处，分工明确，密切配合。自始至终，团队成员互相监督，经常检查队友的进度，有错误及时纠正，讨论需要帮助的地方，防止队友犯错，在错误的方向上越走越远；就这样，我们组去实验室焊接电路，只用了一个上午就完成了任务。成功后，我们想马上查老师，下午就不用再去实验室了。不幸的是，老师可能去吃饭了，不在办公室，所以我们不得不在下午检查老师。有趣的是，马达转得非常慢。我们都以为没有转，所以一直在研究发生了什么。经过反复故障排除

17、，我们又试了一次，终于，不仅有人眼力这么好，这么慢的速度也能察觉到它在转弯，然后大喊一声“它不转了！”也许电机的步进角度太小看不到，但是那种从绝望到惊喜的感觉就是这么奇妙。在下午处理了一些小故障后，我们很快为老师测试了我们的结果。来自老师的“是”的问题:“程序下载！”让我们思考很久:不知道中国学生在老师心目中只是抄袭，还是老师对自己的教学水平不自信？经过老师的测试，我们得知程序是自己编的，脸上露出了满意的笑容，让我们明白了:在学术上，凡是自己的东西，再差也比最好的文案强；当得知我们组率先完成任务，同学们投来羡慕的目光时，我们的自信心还在。之后我们小组成员收到了很多学生的提问请求，也感受到了帮助

18、他们的乐趣。这次实习让我们体会到了学习的苦，也让我们体会到了单片机只要肯学就会像毒品一样吸引你；每个人都是在做事做人的过程中慢慢成长成熟的。通过这次实习，我们学到了很多道理。每个人都知道龟兔赛跑的故事。但现实中，跑得快的兔子会睡得晚，跑得慢的乌龟会一步一步慢慢爬。虽然我们组在这次实习中取得了相对较好的成绩，但是我们提前完成了，在其他同学不知所措的时候，微笑着自信地走出了实验室。目前，我们是跑得最快的兔子，我们决心不这样做。通过这件事，我知道舞台上的十分钟是日复一日积累起来的。只要你静下心来忍耐，所有的事情都可以完成！通过这次实习，我体会到了团队合作的重要性，也能更好的理解知识的重要性，学以致用，提高动手能力。以前