基于单片机与微机的步进电机控制系统的设计工程学院 学位论文Word下载.docx

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毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目：

基于单片机与微机的步进电机控制系统的设计

姓名系电气信息专业电子科学与技术班级学号

指导老师教研室主任

一、基本任务及要求：

1．以计算机为上位机，单片机为下位机，设计实现其串行通信，通过上位机控制其下位机的步进电机（达到控制正，反转，以及控制其步数等）。

2．设计的主要目的是为掌握电子应用领域新器件的应用；

以及单片机系统的软、硬件设计及调试。

进度安排及完成时间：

第一周至第二周：

查阅资料、撰写文献综述和开题报告；

第三周至第四周：

毕业实习；

第五周至第六周：

确定总体硬件电路方案；

第七周至第八周：

画出硬件电路图和Proteus进行硬件仿真；

第九周至第十周：

根据硬件电路编程；

第十一周至第十二周：

完成各单元程序调试；

第十三周：

软硬件结合调试并进一步优化系统；

第十四周至第十五周：

撰写设计说明书；

第十六周：

毕业设计答辩；

基于单片机与微机的步进电机控制系统的设计

摘要：

步进电机是一种将脉冲信号转换为相应角位移的执行元件。

当步进驱动器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。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

本文详细论述了采用单片机的控制方法，分析了步进电机正转及反转的实现方法，并对步进电机的调速原理进行研究，为步进电机的应用提供参考。

通过上位PC机对下位单片机的通信，从而控制步进电机。

该设计具有通用性，对于不同步进电机，可以通过修改相应的电路及相关程序实现，提高了系统控制的灵活性。

关键词：

单片机STC89C52；

步进电机42BYG131；

串行通信；

调速

DesignOfSteppingMotorControlSystem

BasedOnMCU&

PC

Abstract：

Steppingmotorisanactuatorthatcanconvertthepulsesignaltodegreedisplacement.WhensteppingDriversreceiveapulsesignal,itsteppermotordriveninthedirectionsetbyafixedrotationangle.Bycontrollingthenumberofpulsesthatcancontroltheangulardisplacement,thusachievingthepurposeofaccuratepositioning.Inthepaperthecontrolmethodhasbeenhasbeendiscussedindetail，whichMCUhasbeenusedtocontrolthesteppingmotor．Implementmethodsofhowtoforwordandreverseareanalyzed．Thentheprincipleofspeedregulationwasresearchedtoprovidereferenceforapplicationofthesteppermotor．PCandMCUbySerialCommunicationtocontrolthesteppingmotor.Thedesignhasgreatgenerality．Fordifferentsteppingmotors，thefunctionhasbeenrealizedbymodifycorrespondingcircuitandprogram．Thepracticeshowsthatthesystemhasgreatflexibility．

Keywords：

MCUSTC89C52；

Steppingmotor42BYG131；

SerialCommunication;

speedregulation

第1章绪论

1.1课题的来源及前景展望

随着现代机械电子行业的不断发展，自动控制系统在越来越多的领域得到了广泛的应用。

一般地，在一个完整的自动控制系统中，电机作为运动伺服机构，是一个不可或缺的重要组成部分，电机中步进电机的应用最为广泛。

随着大规模集成电路技术的发展，有越来越多集成化的智能芯片出现，为智能控制、工业自动化带来很大的方便。

单片机从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的，单片机的单芯片的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

本设计是基于单片机的步进电机控制系统的设计，是单片机在自动控制、通信领域中的应用。

随着科技日新月异的飞速发展，人们生活水平的不断提高，对一切系统的使用和性能提出了更高的要求。

从社会发展的角度来看，基于单片机微机的步进电机控制系统的性能稳定，而且精度准，可以提高工作效率；

从企业的角度来看，如，我们传统的电焊机是通过人工来控制，包括行走路线和送丝等，而现在通过单片机来控制步进电机可以使其行走路线更加准确等，而且还可以达到智能化的生产，提高生产效率。

而且这套设备便宜还可以方便简单使原来的设备升级，而且还大大降低了生产的成本。

本系统是基于单片机微机的步进电机的系统，他不仅是一般的单片机控制电机，它的串口通信可以实现远程控制，从而提高了安全系数。

步进电机主要用于一些有定位要求的场合。

例如：

自动焊机、线切割的工作台拖动、植毛机工作台（毛孔定位）、包装机（定长度）。

一般来说，两相电机步距角大，高速特性好,但是存在低速振动区。

而五相电机步距角小，低速运行平稳。

所以，在对电机的运转精度要求较高，且主要在中低速段（一般低于600转/分）的场合应选用五相电机；

反之，若追求电机的高速性能，对精度及平稳性无太多要求的场合应选用成本较低的两相电机。

另外，五相电机的力矩通常在2NM以上，对小力矩的应用，一般采用两相电机，而低速平稳性的问题可以通过采用细分驱动器的方式解决。

本文介绍一种以单片机为核心的低成本、高精度、微型化步进电机控制系统硬件电路和软件设计方法，工作稳定，性能良好，从某种角度来看，该系统性能价格比高。

1.2课题研究的目的与意义

在科技发达的今天，各个领域都朝着自动化和智能化方向发展，使工艺流程实现智能化，企业实现自动化。

而今许多其他领域的新技术也不断的融合进来，而且现在又有集成化、高性能、高稳定性、高速度的微型控制器大大提高运算和处理能力，这更将为人类创造出形形色色、开放的人机结合系统，和五光十色的拟人高智能、高效自动化系统奠定牢固基础，将人类社会生产力不断推向新的更高境界，使人类生活向着智能世界幸福美好的明天大步迈进！

本课题以“基于单片机与微机的步进电机控制系统的设计”为题，研究单片机在电机控制系统中的应用，以计算机为上位机，单片机为下位机，设计实现其串行通信，通过上位机控制其下位机的步进电机（达到控制正，反转，以及控制其步数），从而可达到远程控制的目的。

1.3课题的研究内容与规划

1．任务

本课题要求完成系统总电路的设计及单片机硬件和软件的设计。

以计算机为上位机，单片机为下位机，设计实现其串行通信，通过上位机控制其下位机的步进电机（达到控制正，反转，以及控制其步数）。

设计的主要目的是为掌握电子应用领域新器件的应用；

2．内容

（1）单片机、步进电机的选择；

（2）总体方案的确定；

（3）画出硬件电路图；

（4）根据硬件电路编程；

（5）完成各模块调试；

（6）软硬件结合调试并进一步优化系统；

（7）撰写设计说明书。

3．研究方法

本课题是基于单片机的步进电机控制系统的设计。

其主要内容包括原理图设计、硬件的设计、控制程序的设计和最后的调试。

对于这个课题要查阅相关的设计资料,熟悉MCS-51单片机及其步进电机的控制系统，提出总体设计方案方案，然后进行方案论证，选择更好的方案，并划分软、硬件所分担的任务，完成各个模块的设计，在分块设计时，首先提出方案－方案论证－方案确定－硬件设计－软件设计－系统调试，最后完成总体设计，组成计算机应用系统，然后再进行调试、修改、完善。

根据设计任务书对单片机控制步进电机的正，反转，以及控制其步数系统进行系统硬件的设计，最后对系统进行全面的仿真调试。

4．步骤规划

1）根据所做课题，查阅有关资料写好文献综述和开题报告；

2）根据课题内容，查阅相关资料，相关课题，确定课题的总体方案；

3）画出硬件电路图；

4）根据硬件电路编程；

5）完成各单元程序调试；

6）软硬件结合调试、仿真，并进一步优化系统；

7）撰写设计说明书。

第二章单片机和步进电机简介

2.1单片机简介

2.1.1单片机的简单介绍

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

　　单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机是靠程序运行的，并且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！

但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！

只因为单片机的通过编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！

2.1.2单片机的特点

单片机应用系统具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展。

单片机性能稳定、速度快等特点有利于实时测控。

单片机应用系统具有较完整的人机对话接口，包括键盘、液晶显示器、微型打印机、7段数码管显示等，可以单独使用，也可以与PC联合使用。

为配合单片机更好的实现大量数据存储和进一步处理及其它软硬件支持，系统中用PC与单片机互联，让PC为单片机提供大量数据的存储空间及丰富的软硬件资源。

系统中PC与PC、PC与单片机之间的信息交换由串行通信来实现，中心PC管理及协调各分机的工作，这为将来整个系统的联网打下了坚实的软件基础，同时也有助于提高整套仪器设备的智能性。

2.1.3单片机的发展过程

在近30年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电路到大规模集成电路四个阶段，尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，1976年Intel公司首先推出了MCS-48系列单片微型计算机，其优越的性价比赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，开创了单片机历史的新纪元。

目前单片机的种类繁多，最具代表性的是Intel公司的MCS-51系列单片机。

其功能比MCS-48强大了很多，兼容性也比较好，Intel8位单片机的发展经历了三代：

第一代以70年代推出的MCS-48为代表的单片机，其技术是将计算机集成到一块芯片上，构成新型微型控制器

第二代以MCS-51的8051为代表的单片机，在MCS-48系列单片机的基础上推出的新产品。

第三代以80C51系列为代表的单片机，其具有CHMOS结构，保留了MCS-51单片机的所有特性、内部组成，性价比更高。

2.1.4单片机的应用

　　目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

　　单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

（1）在智能仪器仪表上的应用

　　单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

（2）在工业控制中的应用

　　用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

　　（3）在家用电器中的应用

　　可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

　　（4）在计算机网络和通信领域中的应用

　　现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

　　（5）单片机在医用设备领域中的应用

　　单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

　　（6）在各种大型电器中的模块化应用

　　某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

　　（7）单片机在汽车设备领域中的应用

　　单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

2.2步进电机简介

2.2.1步进电机的简单介绍

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

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，当步进驱动器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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

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。

2.2.2步进电机的发展史

步进电机的历史非常久远，早在19世纪，人们就已经发明了步进电机。

这种最古老的步进电机，实际上是一种能够自由回转的电磁铁。

可以说老式的步进电机在工作原理上与现在的反应式步进电机没有太大的区别，都是依靠气隙磁导的变化产生电磁转矩。

步进电机相关的技术，在20世纪得到了长足的发展，这是源于人们对造船等工业的生产需要。

步进电机飞跃式发展是在20世纪的80年代以后，当计算机出现、计算机技术逐步成熟后，步进电机的控制方式有了完全的变化，各种灵活的控制方式相继出现。

步进电机最早的控制系统非常繁琐，需要复杂的安装和调试过程，并且难以改变。

计算机应用后，步进电机的控制变成非常简单的事情，而用计算机软件控制步进电机也成为了当时发展的必然趋势，同时，步进电机与计算机的配合也符合数字化时代的发展需要。

2.2.3步进电机的分类

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机

　　永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；

　　永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。

反应式步进电机

　　反应式步进电机一般为三相，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。

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。

　　反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；

但动态性能差。

混合式步进电机

混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。

它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

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。

2.2.4步进电机的发展趋势

当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展：

发展趋势之一，是继续沿着小型化的方向发展。

随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。

瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。

　　发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。

由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。

同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％。

　　发展趋势之三，对电动机进行综合设计。

即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。

　　发展趋势之四，向五相和三相电动机方向发展。

目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。

而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。

第三章方案选择与论证

根据题目要求，本系统主要为四大模块：

CPU控制模块、步进电机驱动和控制模块、显示模块、通信模块。

为较好的实现各模块的功能，本论文分别设计了几种模块选择方案并分别进行了论证。

3.1CPU模块选择与论证

作为本次设计的核心部件，MCU的性能将直接决定着最终设计的好坏，可供参考的几种CPU类型有以下几种：

方案一：

采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。

且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。

方案二：

采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。

处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。

但是凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。

方案三：

采用宏晶科技的STC89C52单片机作为主控制器。

该单片机与8051单片机相兼容，同时又有许多改进之处，是一款增强型51单片机。

它与原51单片机具有如下优点：

1．产口的保密性好；

2．宽电压，不怕电源抖动；

3．温度范围宽，－40至85度；

4．I/O口经过特殊处理，抗干扰能力强；

5．单片机内部的电源供电系统经过特殊处理；

6．单片机内部的复位电路特殊处理；

7．单片机内部看门狗特殊处理，不怕程序跑飞；

8．可选6时钟周期/每机器周期工作模式，提高工作速度；

9．可降低振荡增益至原1/2；

10．在系统编程，不再需要昂贵的仿真器和编程器；

11．速度快，晶振频率可以达到80M，如果再使用6倍速，频率相当于普通8051的160M，使用起来更方便；

从方便使用和性价比的角度考虑，我选择了方案三。

3.2步进电机选择与论证

3.2.1步进电机三大要素

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0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/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2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。

（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）力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

P=Ω·

M、Ω=2π·

n/60、P=2πnM/60其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·

米P=2πfM/400（半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。

3.2.2步进电机的选取

（1）特点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、