电气工程及其自动化专业毕业论文单片机电机控制.docx
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电气工程及其自动化专业毕业论文单片机电机控制
xx大学
毕业设计（论文）
题 目：
单片机实现的步进电机控制系统设计
作 者：
系（部）：
专业班级：
指导教师：
职 称：
20年月日
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ntel4004及8位微处理器工ntel8008，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
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。
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]
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:
式中：
－步距角;
－转子齿数;
－拍数（一般三拍时
=
或六拍时
=2
）;
－控制绕组相数，
=3
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，版.薛钧义，张彦斌，樊波等编
[3]《微型计算机控制技术》[M]北京：
清华大学出版社，[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
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：
画电路图和打印图纸
6．指导教师审阅意见
符合现实的需要，同意开题。
指导教师（签字）：
年月日
7．教研室主任意见
教研室主任（签字）：
系（签章）
年月日
毕业设计（论文）任务书
学生姓名_1111指导教师_黄云龙、廖东进、朱秋琴职称副教授、助教、助教
系别_信息与电子工程系_专业电气年级03级___班级
课题名称单片机实现的步进电机控制系统设计
任务与要求：
一、设计（论文）要求：
本课题的主要任务是通过单片机控制系统,实现对步进电机工作状态的控制。
具体设计方案如下：
本设计采用凌阳16位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。
设计的主要内容和要求：
1、根据所选的课题，参考一些优秀的学习网站，完成该课题的建设。
2、参与该课题的各位同学必须分工合作。
在设计中既要有自己一定的工作量，同时具备良好的团队合作精神。
3、毕业设计论文体现了毕业设计的质量，所以各位同学必须在论文中体现自己在毕业设计中所采用的方法、思想以及设计策略。
论文的格式包括：
（1）中英文摘要
（2）目录（3）正文（4）致谢（5）参考文献（6）附录。
论文书写要求语言精练、简洁，表达力求准确，字数12000以上，最后要求用A4开纸打印，并装订成册，形成书目结构。
4、在整个设计当中要严格按照学校和系部的各种规章制度和要求，按时完成所要求完成的任务。
二、设计（论文）条件：
提供设计所需的书籍、计算机、单片机设计所需的设备等。
三、设计（论文）资料：
提供步进电机、单片机设计等相关所需资料。
四、设计（论文）教学要求：
（可以同一专业相同）
要求同学们有较强的学习和自学能力，能根据需要查找资料，独立思考和设计。
要求同学熟悉步进电机的工作原理并具有一定的单片机设计能力。
五、设计（论文）进度安排：
（可以同一专业相同）
第01周至第02周：
查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），了解步进电机的工作原理以及单片机设计内容，收集相关资料；
第03周至第03周：
完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕业设计；
第04周至第08周：
完成控制系统的硬件设计；
第09周至第12周：
完成控制系统的软件设计；
第13周至第13周：
软件和硬件的调试；
第14周至第15周：
整理相关资料，完成毕业设计（论文）手稿及最终电脑打印的毕业论文；
第16周至第16周：
毕业设计（论文）小组答辩；
第17周至第17周：
答辩。
六、学生分组名单
张加正、陈思宇、韩安宝
摘要
单片微型计算机简称单片机。
它是把组成微型计算机的各功能部件：
中央处理器、CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。
单片机主要应用于控制领域，由于其具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用[1]。
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台单片机控制多台电机.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,尤其在本系统中更显示出微机控制的优越性。
本设计采用凌阳16位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。
关键词：
单片机步进电机
ABSTRACT[2]
Thesinglesliceofmicrocomputersisabbreviatedastheone-chipcomputer.Itiseveryfunctionpartwhichmakesupthemicrocomputer:
Centralprocessingunit,CPU,arbitraryaccessmemoryRAM,read-onlymemoryROM,,I/Ointerfacecircuit,timer/counterandserialcommunicationinterface,etc.makeintheintegratedchiptogether,formanintactmicrocomputer.One-chipcomputerapplycontrolledfieldtomainly,becauseithavedependabilityhigh,small,pricelow,easycommercialization,etc.characteristic,thereforewonextensiveapplicationinfieldsofautomaticcontrolsuchasintellectualinstrumentandapparatus,real-timeindustrialcontrol,intelligentterminal,communicationequipment,navigationsystem,householdappliances,etc.
Itisthatonekindcanchangetheelectricpulsesignalintoaelectromechanicalcomponentofangledisplacementorlinedisplacementtowalkintotheelectricalmachinery,itisakindoffigure/angleconverterthatiswalkedintothecontrolsystemoftheelectricalmachinerytomainlywalkintothecontrollerinfact,poweramplifierandwalkingintotheelectricalmachinery,etc.makeup.Walkedintothecontrollertobuffertheregister,theannulardistributor,controllogicand,overturn,controldoor,etc.makeup,canchangethepulseinputintointoanannularpulse,inordertocontrol,walkintoelectricalmachinery,cancarryonpositiveandnegativetocontrol.Butbecausewalkintothecontrollercircuitcomplicatedly.Withhighcosts.Adoptone-chipcomputercontrol,replacewithsoftwaredescribedabovetowalkintothecontroller,makethecircuitsimple,withlowcosts,dependabilityincreasesgreatly,changethecontrolschemeofwalkingintotheelectricalmachineryflexibly,donotneedlogicalcircuittomakeupthetimesequencegenerator.Softwareprogrammingveryflexibletoproduce,walkintoelectricalmachineryexcitationarraycome,controlvariousoperationwaytowalkintoelectricalmachineryandcanrealizeonemachinecontrolmanysetsofelectricalmachinerywhilebeingdifferentkindsof.Itiseasytorealizetooffertheflexiblecontrolmeansandimprovingtheprecisionofcontrollingtocomplicatedandtediouscontrol,demonstratethesuperioritythatthecomputercontrolsespeciallyinthissystemevenmore.
Design,adopt,insultmalegenital16one-chipcomputerSPCE061Atowalkintoelectricalmachinerycontroloriginally,squarewavewithtimesequenceasthecontrolsignalofwalkingintotheelectricalmachinerythroughwhatIOmouthisoutputted,thesignaldrivesandwalksintotheelectricalmachinerythroughthechipL298N;Meanwhile,comestateinelectricalmachinerygoon,controlwithkeyboardof4X4,inchargeofrotationalspeedtorevealelectricalmachinerywithnumber,adopt74LS164urgeas4sin
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