程控变速小车的设计毕业设计Word文件下载.docx

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/1.8°

（表示半步工作时为0.9°

、整步工作时为1.8°

），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数：

电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。

电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°

、三相的为0.75°

/1.5°

、五相的为0.36°

/0.72°

。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩（HOLDINGTORQUE）：

步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

DETENTTORQUE：

步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；

由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。

步进电机特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2．步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；

一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

因此,微电脑控制步进电机最适合。

本文以永磁式步进电机为例,来介绍如何用MCS-51系列单片机控制步进电机。

1.2本课题的背景和意义

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。

例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。

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。

上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。

在本世纪初，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。

到了80年代后，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。

计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。

因此，用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趋势。

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，反应式步进电机获得最多的应用。

1.3本设计的整体结构

此控制系统的硬件主要组成：

51系列单片机、ULN2003A驱动电路、M74HC573、数码管、串口无线模块、直流电压源、键盘等。

系统总体设计思路是：

由键盘或者无线串口模块发出控制信号，单片机接受并转换成控制信号发送给ULN2003A，ULN2003A进而按收到的控制信号驱动步进电机，并进行运动状态的变换。

同时，单片机通过M74HC573芯片控制数码管显示运行档位。

系统的总体原理图如下所示。

图1.1系统总体框图

1.4本设计完成的功能

本次毕业设计是单片机控制步进电机方面的应用，这个设计最终目的是设计出一个可以控制步进电机旋转的系统。

本次设计主要实现了以下几个功能：

（1）设计一个稳压电源将输入电压稳压到适合单片机工作的5V直流电源;

（2）设计一个外围驱动电路来驱动步进电机旋转；

（3）用按键和串口无线模块两种方式来控制步进电机旋转速度、方向和停动；

（4）数码管显示电机的档位（代表速度大小）；

（5）最后编写软件部分，将程序输入单片机并运行系统，使系统工作。

第二章单片机控制步进电机系统简介

2.1单片机系统概述

随着材料科学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度极高的方向发展。

CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。

如CPU的运算位数从4位、8位到32位机的发展，运算速度从8MHz、32MHz到1.6GHz，可以说是日新月异的发展着，其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。

单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。

要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；

其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；

第三，具有综合运用知识的能力。

最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。

2.2AT89C51功能概述

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大。

此单片机可提供许多高性价比的应用场合。

AT89C51提供以下标准功能[2]：

4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个向量两级中断结构，一个全双工串行通讯口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路，同时AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，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。

2.2.1引脚功能说明:

MCS-51是标准的40脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图2.1：

图2.1AT89C51的引脚图

VCC：

电源电压；

GND：

地；

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写1可作为高阻抗输入端用。

在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）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在FLASH编程时，P0口接受指令字节，而在程序效验时，输出指令字节，效验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

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底时会输出一个电流。

FLASH编程和程序效验期间，P1接收低8位地址。

P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑们电路。

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MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

FLASH编程或效验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3口：

P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑们电路。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是他的第二个功能，如表2.1所示：

表2.1P3口特殊功能

端口引脚

功能特性

P3.0

RXD（串行口输入）

P3.1

TXD（并行口输入）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时计数外部输入0）

P3.5

T1（定时计数外部输入0）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序效验的控制信号。

RST：

复位输入。

其引脚一旦变成两个机器周期以上的高电平，所有的I/O口都将复位到1状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上高电平便可完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。

EA/VPP：

外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平接地，需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位是内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存