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步进电机电路方案设计书

测控系统课程设计

课题：

步进马达控制电路设计

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步进马达控制电路设计

一、绪论

步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulsemotor或Stepperservo，其应用发展已有约80年的历史。

步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。

步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。

当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。

因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。

每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。

根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。

步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。

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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。

本设计通过ATMEL89C52单片机对步进电机进行控制,主要介绍了步进电机控制器、驱动电路和LED显示电路的设计,实现了步进电机的控制。

具有以下功能：

1、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转；2、电机运转状态可以是正反转，加速减速，五种不同速度的各种组合；3、通过LED数码管显示电机运行状态特点。

该系统具有成本低、控制方便的特点。

  本文介绍已实现的单片机对步进电机的控制系统。

该控制系统中,控制器担负着产生脉冲以及发送、接收控制命令的任务。

2、总体方案设计

2.1、方案介绍

本设计采用单片机AT89S51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L298及其外围电路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.单片机最小系统板的设计；

2.设计兼有两相两拍和两相四拍的脉冲分配器。

3.实现步进电机的启停、正转、反转控制；

4.驱动电路可提供电压为12V，电流为0.3A的驱动信号。

5.能实现步进电机的转速调节，最低转速为25转/分，最高转速为100转/分；

6.步进电机的转速由数码管显示；

7.键盘扫描电路的设计本

本课题的研究目的之一就是设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的步进电机控制系统。

2.2、系统总体框图

整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载模块，数码管显示模块，电机驱动电流检测模块，独立按键等模块组成。

具体框图如图2.1所示：

图2.1　系统总体框图

单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。

同时单片机系统还负责处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。

与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。

电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。

串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。

数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。

3、硬件电路设计

3.1单片机最小系统设计

采用AT89S51单片机构成了控制系统的核心，其基本模块就主要包括复位电路和晶体震荡电路。

在本设计当中，单片机的P0口、P1口、P2口、P3口全部参与系统工作，单片机最小系统的接线如图3.1所示：

图3.1　单片机最小系统图

3.1.1单片机端口分配及功能

1、中P0口用于控制数码管的具体显示功能，既是数码管的段选。

2、P1口主要用于控制电机驱动芯片L298的工作，以及ADC0804芯片的编程的读写控制。

3、P2口主要用于控制数码管的公共端，既是数码管的位选。

与此同时还处理键盘扫描电路的。

4、P3口主要用于负责处理ADC0804的模数转化芯片的工作。

3.1.2晶体振荡器特性

AT89S51一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路构成并联振荡电路。

对外接电容Cl、C2虽然没十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。

如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10pF。

用户也可以采用外部时钟。

这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

3.2数码管显示电路设计

本设计的显示部分可以用液晶显示的方案可供选择，液晶显示和数码管显示的区别主要体现在以下几个方面：

数码管显示内容单一，而液晶显示器显示内容丰富，因为液晶一般都是七段八字的只能显示单一的内容，而液晶显示的内容就很丰富；数码管还比液晶显示耗电，而且使用液晶也比使用数码管显得美观。

但是控制液晶显示器的时候占用的系统资源多，编程更复杂，最关键的是液晶显示的成本是数码管的几十倍，所以考虑到应用价值，最终还是确定选用数码管实现本设计的显示部分功能。

四位共阳数码管的管脚分配如下图3.2所示：

图3.2　四位共阳数码管管脚定义

数码管的管脚排列：

从数码管的正面观看，左下角的那个脚为1脚，从1脚开始，按照逆时针方向排列依次是1脚到12脚，其中12、9、8、6为公共角，为位选信号输入端。

剩余的八个脚是段选信号输入端，其对应方式是A-11、B-7、C-4、D-2、E-1、F-10、G-5、DP-3。

数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

本设计选用的LCD液晶显示,低压微功耗、平板型结构、被动显示型（无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳）、显示信息量大（因为像素可以做得很小）　　易于彩色化（在色谱上可以非常准确的复现）、无电磁辐射（对人体安全，利于信息保密）、长寿命（这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长，但是液晶背光寿命有限，LCD液晶显示器引脚如图3.3所示。

图3.3LCD数码管引脚图

3.3电机驱动电路设计

如图3.4所示，本设计的电机驱动部分是由驱动芯片L298及其外围电路构成，其中从L298的2、3脚和13、14脚（即芯片的输出端）依次按顺序连成一个插座，分别与步进电机的四根线相连。

而5、6、7、10、11、12脚就依次与单片机的P1口的六个管脚相连。

通过这一连接实现了单片机与L298以及步进电机的串联控制。

图中很重要的部分是由四个二极管连成的保护电路，其作用是防止由于步进电机的转速提高而产生的自感电动势损坏芯片。

由于本设计使用的电机驱动电压是使用了9V（也可以使用12V），所以二极管的负端接9V的参考电压。

如果驱动芯片的电压改变，那么这个参考电压也随之一起改变。

图3.4　电机驱动电路图

3.4按键设计

本系统中用按键来控制电机的起停、正反转和速度级别。

按键与单片机有查询和中断两种连接方式，本系统中起停和正反转按键采用中断方式控制，速度级别按键采用查询方式控制。

我们的起停和正反转按键分别接到与门的两端和该单片机的P3^4和P3^5两个I/O口，经与运算后进入单片机的INT1引脚。

速度按键直接接到该单片机的P2^7口，用查询方式控制。

电路图3.5

图3.5按键控制原理图

四、软件设计

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，读ADC0804子程序及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机AT89S51通过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。

程序流程图的设计遵循自顶向下的原则，即从主体遂逐步细分到每一个模块的流程。

在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。

具体程序的讲解将在本章各节做详细讲解。

4.1　系统软件主流程图

当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便调用并执行相应的子程序，其具体的主流程图4.1如下所示：

4.1　主程序图

4.2　系统初始化流程图

对相应的系统参数进行初始化，包括系统上电默认运行参数设定，包括两相四拍的工作方式，初始速度档位是30转/分，系统中断设定，定时器设定，载入定时器初值和默认的工作参数等，具体流程图如图4.2所示。

图4.2　系统初始化流程图

4.3　按键子程序

1、延时子程序：

在本延时子程序当中每调用一次延时子程序延时时间是1毫秒。

2、按键响应子函数：

在本设计当中按键的一端接地，另一端接单片机的对应端口，所以当按键按下，既是将单片机对应端口电平拉低。

所以在编程的时候判断按键按下是低电平有效。

图4.3画出的是电机增速和减速的子程序框图。

图4.3　增速减速子程序

3、控制步进电机转动的脉冲输入方式：

两相四拍通电方式：

正转：

AB—aB—ab—Ab—AB

反转：

AB—Ab—ab—aB—AB

两相八拍通电方式：

正转：

AB—B—aB—a—ab—b—Ab—A—AB

反转：

AB—A—Ab—b—ab—a—aB—B—AB

以两相四拍正转为例其程序代码如下：

if（i==1）

{

AL=1。

BL=1。

aL=0。

bL=0。

}

elseif（i==2）

{

AL=0。

BL=1。

aL=1。

bL=0。

}

elseif（i==3）

{

AL=0。

BL=0。

aL=1。

bL=1。

}

elseif（i==4）

{

AL=1。

五、系统仿真调试

5.1仿真软件

本系统采用了一种基于Proteus的PC机对步进电机运动控制仿真方法，　Protues软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，互动的电路仿真。

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

还可以用来仿真处理器及其外围电路。

包括仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

我们可以用它来进行元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。

5.2系统仿真

对应的单拍正转、双拍正转、单双拍正转种情况下由虚拟示波器（OSCILLOSCOPE）采集的脉冲驱动信号，对于步进电机的控制，实际上是控制步进脉冲的个数和步进脉冲的间隔，而步进电机的间隔又可转化为某基准延时子程序的循环次数。

因此，可以很方便地用软件来控制步进电机的运行，达到各种控制目的。

图5.1步进电机控制仿真

如图5.1所示，是本设计步进电路的仿真图，它由单片机最小系统设计、LCD数码管显示器、电机驱动电路部分和按键系统等组成，在proteus环境下进行仿真，得到如图5.1的仿真电路图。

在proteus环境下运行后仿真图如图5.2所示

图5.2步进电机控制仿真运行图

经过在proteus环境下运行后，可通过按键控制步进电机的转速、正转、反转等，LCD显示器显示电机的转速，如图5.2所示，转速为60

六、课程设计总结

本次课程设计我们采用AT89C51单片机做了一个步进电机的控制系统。

通过这两周的努力我们学到了很多。

首先基本熟悉了MCS51系列单片机的输入输出、外部中断、串行口中断等单片机的内部资源功能，熟悉并掌握了7段数码管的显示设计，和25BY0501类型步进电机的工作原理等。

在设计过程中，我们不但拥有自己的创新思维，最关键的是在新思维变成实际应用的过程中我们学会了一种自我学习并解决问题的方法和思路，这应该是我们这次课程设计最大的收获。

经过这次课程设计，我把课堂上学到的软件和硬件知识全部应用进来。

很好地把课上学到的知识应用到了实践中去。

在这次课程设计中学到了步进电机的工作原理，与外部电路的连接，单片机原理，汇编语言等。

这其中有以前课堂上学过的也有需要我们自学研究的，这不仅考察了自己原来的知识程度还加强了我们独立获取知识并加以运用的能力。

通过这次实验，也让我对电机的了解扩宽了，对单片机和外围电路的认识也更为清晰了，这为我以后工作提供了坚实的基础。

在这次课程设计中，我通过上网查资料、图书馆借书等多种渠道根据单片机知识和测控系统的知识把这次课程设计制作完成。

感谢老师能给我们这个这个锻炼的机会，不仅为我们打好了专业知识的扎实基础，也为我今后的工作提前做了准备。

所以，今后要好好珍惜这种机会，锻炼才能有成长。

七、参考文献：

[1]刘国永,陈杰平.单片机控制步进电机系统设计[J].安徽:

安徽技术师范学院学报,2002.

[2]张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:

复旦大学出版社，2005.

[3]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:

机械工业出版社,1998.

[4]王鸿钰.步进电机控制入门[M].上海:

同济大学出版社,1990.

[5]何立民.MCS251系列单片机应用系统设计[M].北京:

人民邮电出版社,1993.

[6]房玉明,杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统[J].电机与控制应用，2006.

[7]孙笑辉,韩曾晋.减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法[J].电气传动,2001.

[8]冯江华,陈高华,黄松涛.异步电动机的直接转矩控制[J].电工技术学报,1999.

[9]江一，朱凌,申仲涛.异步电动机直接转矩控制仿真研究[J].华北电力大学学报,2003.

[10]韩利虎.浅谈步进电机的基本原理[J].内蒙古石油化工,InnerMongoliaPetrochemicalIndustry,2007.