基于单片机AT89C52的步进电机的控制器设计.doc

基于单片机AT89C52的步进电机的控制器设计.doc

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2012届毕业生

毕业设计说明书

题目：

基于单片机的步进电机的控制器设计

院系名称：

信息科学与工程学院

专业班级：

电子信息科学与技术

学生姓名：

学号：

指导教师：

教师职称：

2012年月日

毕业设计中文摘要

摘要

步进电机控制方式的实现有多种,可以采用电子电路控制，PLC控制和单片机控制的方式。

近些年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测的更新，用单片机控制步进电机显得更加灵活和方便。

本设计是用AT89C52单片机作为核心部件进行逻辑控制及信号产生，用单片机技术和C语言编程设计来进行步进电机的控制。

通过人手动按开关实现步进电机的启动与停止。

此外此系统还添加了步进电机的正转反转，加速及减速，屏幕显示功能。

同时本文也通过了proteus软件的仿真，在仿真结果过能看出近似真实的效果。

关键词：

步进电机单片机控制AT89C52proteus仿真

毕业设计外文摘要

TitleThedesignofthecontrolsystemof

Step—motor

Abstract

Steppermotorcontrolcanbeachievedindifferentways,canbeusedearlyanalogcircuits,digitalcircuitsoracombinationofanaloganddigitalcircuitmeans.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyinrecentyears,theapplicationofSCMisagrowing,whiletraditionalcontroltestdriverapidupdates.ThispaperdescribesacorecomponentoftheAT89C52,asthesignalgeneratedbylogiccontrolandmicrocontrollertechnologyandassemblylanguageprogrammingdesignedsteppermotorcontrolsystem,Startandstopofthesteppingmotortohandletheswitchmanuallybypeople.Inaddition,thissystemalsoaddsasteppermotorforwardreverse,accelerationanddeceleration,thescreendisplay.Meanwhile,throughsoftwaresimulationinproteus,toocanbeseenthattheapproximationofthetrueeffectofthesimulationresults.

KeywordssteppermotormicrocontrollerAT89C52proteussimulation

目次

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题研究的目的和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3课题研究的主要内容和要求 3

2步进电机常见的控制方案论证 4

2.1基于电子电路控制 4

2.2基于PLC控制 5

2.3基于单片机控制 7

3系统硬件电路设计 9

3.1控制电路 9

3.2最小系统 10

3.3驱动电路 11

3.4显示电路 13

3.5总体电路图 14

4系统软件设计 15

4.1软件设计分析 16

4.2主程序设计 18

5仿真与调试 22

5.1仿真调试的操作步骤 23

5.2仿真结果 24

总结 26

致谢 27

参考文献 28

1绪论

1.1课题研究的目的和意义

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步进电机件。

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。

正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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中。

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。

比如在数控系统中就得到广泛的应用。

目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。

虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。

除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。

优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。

因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。

1.2国内外研究现状

步进电机是国外发明的。

中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。

国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。

一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。

国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。

国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。

国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。

总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。

在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。

步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。

1.3课题主要研究内容和要求

本设计所选的步进电机是四相五线步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。

当步进驱动器接收到单片机给它的一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

因此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；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。

本设计采用单片机AT89C52来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用了电机驱动芯片ULN2003构成了整个系统的驱动部分，再加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。

系统的具体功能和要求如下：

1.单片机最小系统的设计；

2.独立按键实现步进电机的启停、加速、减速、正转、反转的控制；

3.能实现步进电机的转速调节，最低转速为1min/圈，最高转速为3S/圈；

4.步进电机的转速由数码管显示。

2步进电机常见的控制方案论证

2.1、基于电子电路的控制

步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。

由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。

步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。

此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。

这个系统由三部分组成：

脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。

系统组成如图1.1所示。

图1.1　基于电子电路控制系统

此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。

开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。

采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。

闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]。

该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。

2.1、基于PLC的控制

PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。

PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。

步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。

控制系统采用PLC来产生控制脉冲。

通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。

环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。

PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。

采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。

采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。

步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。

采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。

但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高