基于单片机的步进电机控制系统电子科学与技术

毕业设计

学号：题 目： 于单片机的步进电机控制系统作者届别2014院部物理与电子学院专业电子科学与技术指导老师职称副教授完成时间 2014.05毕业设计毕业设计PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII摘 要、简便等特点这让自得到了日益广泛本文介绍了C语言程序通过单片软硬以芯片ULN2803及键为核心实该功并且工状态可以通过码管显示出最后Keil软Proteus软了仿真测试得到了完整波形图验证了设计正确关键：1ULN2803正加减AbstractAsadigitalcontrolactuator,thesteppermotorwhichcanaccordingtoprovidethefrequencyofpulsesignaltocontrolthemotorreversepolarityofthestatorproduceelectromagneticinductionphenomenon,accordingtotheelectricmagneticforcetocontroltherotationofthemotorrotor.Undertheinfluenceofdifferentpulsesignal,ithasadifferentrotationspeedandrotationdirection.Atthesametime,ithashighprecision,easytocontrolandsoon.,makingitintheautomaticcontrolisbecomingmoreandmorewidelyused.Inthispaper,aClanguageprogram,throughsinglechipmicrocomputertocontrolsteppingmotorrotation,thecombinationofsoftwareandhardwareformotorandreversing,deceleration,motion/stopcontroldesignwasintroduced.Inthisdesign,theUSESAT89C51single-chipmicrocomputer,steppingmotordrivenULN2803chipandstepmotorasthecoretoimplementthefunctionandthecorrespondingbuttons,andtheworkingstateofthemachineisthroughthecorrespondingdigitaltubeKeilsoftwareandProteussoftware,thesimulationtest,obtainedthefullwaveformdiagram,verifythevalidityofthedesign.Keywords:stepperpositive&negativecontrolanddecelerationcontrolPAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII录I一章 引言-1-1.1-11.2 -2-1.321.4-3-二章 步进电机的工作原理及特性-4-与功率换算9三章 步进电机的单片机控制-10-单片单片控制系统控制系统控制系统接口路设计按键子程序设计驱动模块设计-19-.-20--22-五结束语23致 谢 24参考文献-24-附录-26--26-与32--PAGE4-一章 引言.1 11图11 “距”这样就可以按照实现对速、转方向行高精早1920年英国人发而我国研究及造起始50年代后期5060年代后期主要高等院校科研研究些装置而发少品现我国很多地方广泛例：江苏、浙江、北京、南京、四川等像驱路所有半导体器都完全国化这些年中经不断改良与得今日步已广泛运需要高精、高分解性能等系统中例：器人手臂运、高级字轮字符选择、计算驱器头、打印字头等，都要到虽然我国得到了广泛与但极缺乏专业技术人员大多数厂家还处种盲目仿段这就给户。执行体化关键品之凭借简单、廉价易操等突出特点国民经济活中扮演重要色随着需求与日俱增我觉得个科专业大学研究系统对国民经济发展具有十分重要意义。现实活程中对个系统而言总希望能以简单操达到目而以前系统设计程中比较常见系统设计方案采分立者集路回路时采专器来实现但这样设计得系统靠性与植性降低提高了业不便业化次毕业设计选四，降低了系统设计难度与成本同时又实现了生产生活程中对工作方状态显示路独立按键AT89C51（）式精确要求避免了失、振荡等对精度状态显示路独立按键AT89C51（）1-2鉴于在市场上广泛应用研究影响工作因素具有十分重要意义。去主要增加硬件路设计这样设计在实现功能简、精度要求不高系统时比较易于实现。但现在越来越多的用于高精度、高分解性能系统中例如：器人手臂运、高级字轮字符选择、计算器磁头、打印字头等；同时随着广泛应用也迫切需要实现产业化生产这就促使我们去研究如何精确与提高移植性问题。基于程序系统可以很好解决其精度、移植性的问题同时也更加易于维修。那么本文主要研究方向是如何语言程序工作。主要研究内容1、工作原理查阅有关对工作方式资料介绍对其拍运行、双拍运行、双拍运行等各种运行方式行研究运行。2、影响工作因素在精确下才能精确工作。只有我们全面、深入了解了影响工作因素那么在设计和应用中才能避开不利因素。本次毕业设计主要就是改变脉冲信号来调节转速度、转方向并且数码管显示其转速级别。3、步进电机的工作特点本次设计关于对步进电机的控制是通过控制不同频率的脉冲信号电流来控制转子在定子的矢量磁场下一步一步的转动。转子的角位移大小及转速分别与输入的电脉冲信号个数及频率成正比。那么，确定个数的脉冲信号就会有确定的角位移量。4、程序的调试及修改本次设计程序采用C语言，用Keil软件进行编程和调试，并将调试成功的程序在Proteus环境下进行系统仿真测试。小结本章先对目前国内外步进电机的在各个领域的广泛应用进行了一个简单的介绍；同时，根据其在应用中存在的问题提出自己的思路；最后提出验证这些思路时可能需要研究的问题。二章 步进电机的工作原理及特性步进电机的概述“步距”）。正由于这线性关系加上只有周期性误差而无累积误差等特点使得我们用来它速、置、变得非常简单。按励磁式分三大类2-1所示。表2-1 类 VR)

角较大般

效率高但由于其结构复杂故成本相对比较高步进电机的结构及工作原理步进电机的结构主要由两部分构成：子和子2-2所示。本文以四相步例分析结构。表2-2 术语 8每2一子对4对。相邻子间间隔分别、1/4π1/2π、3/4π由软磁材料成其外表面也均匀地分布着小锯齿且与子上小齿相同，子并且小齿大小也相同间距相同222 工作我们用流流过子绕组时2-1“步距”）那么我们就可以通过持续脉冲流精确控制步进机步进机位移量脉冲数成正比即它速脉冲频率f0况下能正常启脉冲频率若脉冲频率高于值机不能正常启发生失步或堵现象；而在有负载情况下正常启脉冲频率应更低在非超载情况下机速、停止位置只取决于脉冲信号频率脉冲数而不受负载变化影响当步进驱器接收到脉冲信号机则过步距2-1 产Th电磁合适时序通脉冲流就能机步进2-2是四相反应式步进机工作原理2-1 产Th电磁2-2 四相步进电机步进示意图关 SSSD03的14CD、D、A。SCSSDC相力线03号齿之间力线之间作用0、3号齿、C相中间线磁极对齐。依次类推，八拍工作方式的电源通电时序与波形如图2-3所示。2-3 作时序波形223 步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲信号的频率来实现步进电机的速度控制。即通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间的脉冲频率，延时的长短来控制步进电机的转速，从而实现对步进电机的速度控制。本文具体的延迟时间的方法是通过软件来实现，即通过程序控制脉冲信号的时间间隔来控制时间的延续。基于单片机对步进电机进行不同速度的控制实际上就是改变输出脉冲的时间间隔采用软件方法就是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率其中延时的长短是动态的。2.3 的基本特性步进电机作为执行元件，必须清楚的知道它的参数指标，才能够精确控制步2-32-4是本文的。1、步进电机的静态指标术语如表2-3示。表2-3 静态指标术语术语术语说明相数N、Sm表示拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数，以四相电机为例，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步距角对应一个脉冲频率信号，转子转过的角位移θ。θ=3600/（转子齿数运行拍数）定位转矩 电机在不通电流的状态下，电机转子自身的锁定力矩静转矩电机在额定的静态电作用下，其不作旋转运动时，转轴的锁定力矩2-4示。术语 说明步距角精度 电机在脉冲信号下每转过一个步距角的实际值与理论值的差值失步 电机运转时实际运转的步数与理论上的步数不相等。称之为失步失调角 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步最大空载起动频率 转子的锯齿轴线偏移定子齿轴线的角度，则电机运转存在失调角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，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率运行矩频特性

电机在一定的测试条件下测得的运行输出力矩与频率关系的曲线关系称为运行矩频特性，这是电机选择的最基本的依据。电机一旦被选定，则静力矩确定；而动态力矩则不一定，电机的动态力矩与电能驱动电压，使使电、大电流的电机电机转

电机通电时为 为转，通电时为 时为转、步进电机的要特如下：一3%-5，不。步进电机表的最度：步进电机度过时使电机的性，而电机力矩下，失步，电机表的最度于不电机性的退；一，性的在130℃以上，有的达 ℃以上，以步进电机表度在摄氏80-90度完全常。随转速的升而下。的电将形成一个，向电压差越大。在它的作下，步进电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，而力矩下。常转动，但若其于一定转动速度就无法启动，伴有啸叫声。电机有一个技术参数指标：电机的空载启动频率，即其在空载情况下能够正常启动的脉冲频率信号，如果脉冲信号频率高于该值，则电机不能够正常启动，并可能发生丢步或堵转；且在有负载时，电机的启动频率应更低。如果使电机达到高速转动，则脉冲频率应该有加速过程，即启动脉冲信号频率较低，然后按一定的加速度升到用户所希望的高频（电机的转速从低速慢慢升到高速）。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，电机的型号便确定下来了其要点如表所示。术语 步距角

电机的步距角取决于其负载精度的要求，将电机的负载最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多角度（速）。电机的步距角应于或小于上步进电机的步距角一有0.36度/0.72（相电机0.9度/1.8（相电机、度度相电机）等静

步进电机的动矩一下确定，确定电机的静矩。静矩的电机的负载，负载可分负载负低速）时负载要，加速动时要负载，速进要负载。一情况下，静矩应负载的倍，静矩一旦定，电机的机及度便能确定下来（）静矩一的电机，于电流参数不，其大，可电流矩频，电机的电流（参动电、及动电）与功率换算使用，所一用矩来衡量电机能，矩率的换算如下：PΩMn/60PnM/

其 率，，Ω每角速度，度， 每分转速， 矩·米P2

/400

fPPS）2.6 小结三章 步进电机的单片机控制单片机原理单片机原理概述I/O接口电路等组，并且相互间通过三组总线（BUS）来连接图3-1中表示典结构图于高度集，缩短了系统内之间信号传送距离，优了系统结构配置，大大地提高了系统可靠性及运行速度，同时它指令系统又很适合于工业控制求工业过程及设备控制中得到了广泛应用。CPUCB只读存储器ROM随RAM图图3-1 微型计算机结构带节FLASH存储（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory能CMOS8带用 非MCS-51指令和输出管脚完全兼容于其将多功能8位CPU和闪速存储器组合个之中一排列如图3-2所示，各引脚功能3-1所示P3P1口相似，但很多情况下P3口使用口3-2所示。U1U119189RSTP0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 ALE P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 12345678AT89C51P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.6/WR P3.7/RD 3-2 ASC一连串数字0和1表示1表示高电平，0表示低电平，我们就实现对脉冲号3-3所示为脉冲号示意图。I脉冲高I脉冲高0通电断电时t3-3信号电脉冲号幅值：由数字元件电平决定。CMOS：0～：0～ASC0101515V。表 功能脚 VCC GND P0P0口当P1OP14TTLP11P1口编P28个P2或16取P2“对读其特殊寄容。P2在信号控制信号带TTLP3“”们并RST 复振荡复件要保持 两机周期间ALE/PROG

访问锁允许锁字节。在E频率周期正脉信号频率振荡频率脉或目然而要注意：跳过ALE脉ALESFR8EHVXVCE如果微处理执状态禁止置无效/EA/VPP

AH；/EA在2 P）/PSEN

二功能P3.0P3.1P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4T0P3.5T1P3.6/WRP3.7/RD322 : ABBCCCDDA: ADDCCCBBA323 子齿和拍距角和小受压波动和负载化影响仅仅成比，一确定型号的步进电机的情况下，我们主要通过改变电脉冲信号频率来实现对步进电机转动速度与方向的控制。步进电机的转动要经历升速，恒速，减速的过程，如果在启动时一次性将速度升到给定速度当启动的频率超过极限启动频率f 机就会有失步的现象，因此电机不能很好的启动；如果到终点时电机突然停下来，由于惯性作用，会发生过冲现象的情况，造成其运行位置精度下降。而如果电机的升速很缓慢，则虽然不会发生失步和过冲现象，但会影响电机的工作效率。所以，对电机的加减速有严格的要求，那就是保证在不失步和过冲的情况前提下，要以最快的运转速度（或最短的时间）移动到指定位置。为满用对电机的加减速要求，电动机运行通加减速进行。而电机的加减速运行有定的方，我们一用的经到。其最的是加速和减速，如3-4所。f恒速加速减速ff恒速加速减速f0t步进电机控制系统的组成用AT89C51控制步进电机如3-5。机AT89C51动器步进电机单片机控制步进电机原理框图与步进控制有以下点：1步进电机转动速度与方向控制；23.4 本系统的软件设计主要分为系统初始化、延时子程序、按键响应程序、数码管显示程序、步进电机驱动程序，这几个部分是紧密相关，每一个功能部分都对整体设计非常重要，各个部分的好坏也直接决定了系统的运行质量。本次设计采用自上而下的原则，从抽象到具体，从概要设计到详细设计，体现了本次设计的结构化的设计思想。，开始开始键按键判断NY相应按键子程序相应相应子程序图3-6程序图34图3-6程序图1是 。0Tx=213T/cy25×0306=7692D=1E0CH=1111000001100B80F00CH//0.5TH0=0xF0;TR0=1;while(TF0==0);TR0=0;2P3.4、P3.5、P3.6、P3.7控制单片机的P1P3.5P3.6键控制电机的加速P3.7键控制电机的减速本次设计采用四相八拍的工作方式，通过U1U119189RSTP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9PSENALEEAP2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15/12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51加速减速P3.7=0P3.7=0？Y最低速N减速NYP3.6=0？Y最低速N加速NYP3.5=0？N反转Y正转相关程图3-7 图342 "a,b,c,d,e,f,g,dp 3-8。通过程序控制单片机引电平高低来控制静态通过静态使得电路变得简便易于操作。aabcdefgd图3-8 数码管引脚图3.4.3 U312345678U312345678ULN28031C2C3C4C5C6C7C8C3-9 ULN2803ULN2803V(9V0U1U119XTAL118XTAL29RSTP0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8P2.1/A9+12vU2P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 +88.81C2C3C4C5C6C7C8CULN2803123456781 P1.02 P1.13 P1.24 P1.35 P1.46 P1.57 P1.68 P1.7P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.6/WR P3.7/RD AT89C513-10 3.5 P3.4、P3.5P3.6、P3.7口别运停止、正反转、加速、减速等状态运行；口+5vC31nFU1C1X1CRYSTAL19XTAL1+5vC31nFU1C1X1CRYSTAL19XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7+5v18XTAL21nF9RST+12vU2PSENP2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15+88.81C2C3C4C5C6C7C8CULN28031234567812345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD减键111213141152391116338123713361417435153416331718532182116222233724425526627782881011启动/停止键1213键14151617加键制系统图3.6 本章小结本章先介绍单片原理及各引脚功能再根据性能概括介绍了对步进控制方法然后再介绍了步进控制系统组成论文要求采用自上而下方法从抽象到从概要到详细全面分析系统组成最后在分别全面分析该系统各个组成部分。仿真4.1 仿真测试、仿真硬件连接+5vC31nFU1C1X1CRYSTAL19XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7+5v18XTAL21nF9RST+12v+5vC31nFU1C1X1CRYSTAL19XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7+5v18XTAL21nF9RST+12vU2PSENP2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15+88.81C2C3C4C5C6C7C8CULN28031234567812345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDA减键BCD111213141152391116338123713361417435153416331718532182116222233724425526627782881011启动/停止键1213正反转键14151617加键图4-1Proteus仿真界面2、仿真结果当启动时，如果脉冲信号的频率过高，步进电机启动时会发生失步，所以需Proteus4-2（a）低频率仿真波形图所示。这是电机启动时的最小频率脉冲信号波形图，在这个频率脉冲信号下，步进电机以每375圈的旋转速度按照四相八拍（ABBCCCDDA ADDCCCBBA仿真波形图所示高仿真波形图图4-2 脉冲信号波形。慢慢的提高脉冲信号的频率，电机的转速度会慢慢的加快。当电42（b）833。值得注意是如果提供给过高也会引起失步情况发生。小结本章首先介绍了需要软件：keilProteuskeil软件上编写出详细C语言程序然后生成十六Proteus软件行程序调试并得出完整。五章 结束语、调速序、键盘、驱动等分别连接P0、P1、P2、P3I/O本采序转实现转向、转速、停止、动精序较传易维修它可移植性也优传而种其按键操作简转速度方向易分辨市场推广提供广泛前景。来说毕业现是大间所课高度综合把所学专业起来零散化让形种能也是毕业所达到目走社会夯实致 谢最真挚谢意！感谢尊敬易立华他精心下顺利地了。设计中易立华很多宝贵意见使毕业课题可以顺利。同时忠心感谢学校大学期间教每一位他们耐心教下才能掌握好各种专业知识学会为人处世道理父母他们关怀下才能健康长顺利学业。本次虽然了系统设计但由于开发经验不足系统一定存不妥处尤其是步进电机应用方面有待进一步研究探讨中不足处敬请批评正。参考文献分[6]验 [11]DepenbrockM.Directself-control(DSC)ofinverterfedmachine[J].IEEETransonPE,1998,3(4).录序（ 语言）sbitA1=P1^0//义步进电机连接端口sbitB1=P1^1;sbitC1=P1^2;sbitD1=P1^3;sbitkey_jia=P3^6;sbitkey_jian=P3^7;sbitkey_turn=P3^5;sbitkey_star=P3^4;bitstar=0;bitflag=0;//正反转标志位intnum=0,frequency,i;#defineCodi_AB{A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;}//AB#defineCodi_BC{A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;}//BC相通电，其他相断电#defineCodi_CD{A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;}//CD#defineCodi_DA{A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通电，其他相断电#defineCodi_A{A1=1;B1=0;C1=0;D1=0;}//A相通电，其他相断电#defineCodi_B1{A1=0;B1=1;C1=0;D1=0;}//B相通电，其他相断电#defineCodi_C{A1=0;B1=0;C1=1;D1=0;}//C相通电，其他相断电#defineCodi_D{A1=0;B1=0;C1=0;D1=1;}//D相通电，其他相断电#defineCodi_OFF{A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;}//全部断电intcodetable1[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9voiddelay(inti) //延时函数{intj;for(j=i;j>=0;j--){TMOD=0x00; //0.5TL0=0x0C;TH0=0xF0;TR0=1;while(TF0==0);TR0=0;}}voidkey() //{if(star==0){if(key_star==1)while(key_star==1);elseif(key_star==0){delay(0);{star=1;}}}elseif(key_star==0){delay(0);if(key_star==0){while(key_star==0);star=0;}}if(key_jian==0) //下{delay(0); //下，消抖if(key_jian==0) //确定{if(num==0) //while(key_jian==0); //else}}

{while(key_jian==0);num--; //1}elseif(key_jia==0) //下{delay(0); //下消抖if(key_jia==0) //确定下if(num==9) //高while(key_jia==0); //高else{while(key_jia==0);