机械制造及自动化专业毕业论文基于80C51单片机的步进电机控制系统的设计.docx
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机械制造及自动化专业毕业论文基于80C51单片机的步进电机控制系统的设计
摘要
本文介绍了基于80C51单片机的步进电机控制系统的设计。
分别概括的介绍了单片机和步进电机以及步进电机的各种驱动方案；对一款四相步进电机以及80C51单片机的功能参数和一种驱动方式的优点特点，以及其选择原因进行了必要的说明；对基于80C51单片机的步进电机控制系统的原理进行了介绍；根据80C51单片机和步进电机的原理以及特点和参数选择了其他元件，并且建立了相应的电路图；进行了必要的电路分析说明，并将这个电路图制作成型，使其工作，实现正反转，加速减速等功能。
关键词：
80C51单片机；步进电机；驱动；控制
ABSTRACT
Thispaperintroducesbasedonthe80C51monolithicsteppingmotorcontrolsystemdesign.Inthispaper,thecharactersofmicrocomputerofrespectivelyandsteppingmotorandallkindsofsteppingmotordriverproject;Forafourphasesteppingmotorandthe80C51monolithicfunctionparametersandadrivingway,aswellasthecharacteristicsoftheadvantagesofthenecessarychoicereasonthat;Basedon80C51steppingmotorcontrolsystemareintroduced,theprincipleofAccordingtothe80C51singlechipmicrocomputerandthestepmotorprincipleandcharacteristicparameterchoiceandothercomponents,andestablishesthecircuitdiagram;AtlastIhavemakenthenecessarycricuitanalysisandcompletedtheproductionofmoldingwithmakingthecircuittowork,reverse,accelerateanddecelerate.
Keywords:
80C51single-chipmicrocomputer;Steppingmotor;Drive;Control
第1章前言
1.1课题的背景
步进电机是现代数字控制技术中最早出现的执行部件，其特点是可以将数字脉冲控制信号直接转换为一定数值的机械角位移，并且能够自动产生定位转矩使转轴锁定。
如果在机械结构中再配以滚珠丝杠，那步进电机的高精度转角就可以转换为高精度直线位移，这在以精度为要求的现代机械控制中是极其重要的一点。
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，在各个经济领域都有应用。
步进电机作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。
尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。
它广泛用于消费类产品（打印机、照相机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。
研究步进电机的控制方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
为此，本文设计了一段步进电机驱动程序，可以实现对步进电机转动速度，转动方向。
1.2发展概况
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
目前，生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。
仅仅处于一种盲目的仿制阶段。
这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。
鉴于上述情况，本文决定以四相混合式步进电机为例叙述其基本工作原理及设计简单的驱动程序。
望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
1.3课题主要内容
本课题将分析步进电机的工作原理，并简单介绍其各种驱动方式。
最后使用单片机以软件方式配合有关芯片和电路元件驱动步进电机，通过C语言编程方法，对步进电机的转速、转动方向等进行控制使其在一定范围下运行，方便灵活地控制步进电机的运行状态，以简单的对步进电机的工作方式进行个性化制作，以满足不同用户的要求。
中间对可能发生的问题进行论述，并提出解决方法。
最后对所完成的电路图进行分析。
第2章步进电机的基本原理、分类和选择
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进电机接收到一个脉冲信号，它就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。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差-精度为100%的特点，广泛应用于各种开环控制。
2.1步进电机的基本参数
电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/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：
是指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°/1.8°、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：
是指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。
2.2步进电机的特点
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。
3．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130℃以上，有的甚至高达200℃以上，所以步进电机外表温度在80℃-90℃完全正常。
4．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
5．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。
6．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。
综合各种步进电机的特点以及实际情况，本课题选用某混合式四相步进电机。
2.3步进电机分类
目前常用的有三种步进电动机：
1．反应式步进电动机（VR）。
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。
2．永磁式步进电动机（PM）。
永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。
3．混合式步进电动机（HB）。
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。
综合步进电机的以上参数特点以及各种步进电机的优缺点，本课题将选用四相混合式（感应子式）步进电机
2.4四相混合式步进电机的工作原理及工作方式
如图2-1。
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
图2-1四相步进电机步工作进示意图
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2-2a、b、c所示：
a.单四拍b.双四拍c八拍
图2-2步进电机工作时序波形图
2.5步进电机具体型号的选择
考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件，以及连线的方便与否。
最终选择型号为28YBJ-48的四相五线减速步进电机。
该步进电机的主要参数为：
1．额定电压：
5VDC
2．直流电阻：
60欧加减7%（25摄氏度）
3．减速比：
1/64
4．步距叫：
5.625度/64
5．驱动方式：
四项八拍
6．牵入转矩：
大于350gf.cm（工作频率：
100PPS）
7．打滑扭力：
800-1300gf.cm
8．温升：
小于55K（5VDC工作频率：
100PPS）
9．噪音：
小于35DB（空载，100PPS,水平距马达10CM）
10．绝对耐压：
600VAC/1秒
11．引线拉力强度：
1Kgf/条
图2-328YBJ-48型步进电机
第4章驱动系统硬件组成及具体驱动方案分析
4.1关于STC80C52单片机的介绍
单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等优点，在各个领域都获得了广泛的应用，在我国，近几年单片机也得到了广泛的应用特别是在工业控制、智能仪表等方面。
而其中MCS-51系列单片机更是以抗干扰能力强、对环境要求不高、灵活性强等别的系统所不具备的优点被广泛使用。
即使非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。
故在本次设计中采用了其中的低功耗型80C51单片机。
80C51是MCS-51系列单片机中CHMOS工艺的一个典型品种。
其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。
当前常用的80C51系列单片机主要产品有：
∙Intel的：
80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；
∙ATMEL的：
89C51、89C52、89C2051等；
∙Philips、华邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司的许多产品。
该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计，由先进CMOS工艺制造，并带有非易失性Flash程序存储器，全部支持12时钟和6时钟操作，P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口、可用于多机通信I/O扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路。
此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围，频率可降至0。
可实现两个由软件选择的节电模式，空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结CPU但RAM定时器，串口和中断系统仍然工作掉电模式保存RAM的内容但是冻结振荡器导致所有其它的片内功能停止工作。
由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据，运行可从时钟停止处恢复。
其主要结构组成如下：
1．中央处理器（CPU）
2．内部数据存储器（内部RAM）
3．内部程序存储器（内部ROM）
4．定时器/计数器
5．并行I/O口
6．串行口
7．时钟电路
8．中断系统
9．外接晶体引脚
图4-180C51单片机管脚图
图4-280C51单片机工作系统图
单片机管脚如图4-1所示，下面对其各个管脚进行必要的说明。
P0、P1、P2、P3口的电平与CMOS和TTL电平兼容。
P0口的每一位口线可以驱动8个LSTTL负载。
在作为通用I/O口时，由于输出驱动电路是开漏方式，由集电极开路（OC门）电路或漏极开路电路驱动时需外接上拉电阻；当作为地址/数据总线使用时，口线输出不是开漏的，无须外接上拉电阻。
P1、P2、P3口的每一位能驱动4个LSTTL负载。
它们的输出驱动电路设有内部上拉电阻，所以可以方便地由集电极开路（OC门）电路或漏极开路电路所驱动，而无须外接上拉电阻。
当CPU不对P3口进行字节或位寻址时，内部硬件自动将口锁存器的Q端置1。
这时，P3口作为第二功能使用。
P3.0：
RXD（串行口输入）；
P3.1：
TXD（串行口输出）；
P3.2：
外部中断0输入；
P3.3：
外部中断1输入；
P3.4：
T0（定时器0的外部输入）；
P3.5：
T1（定时器1的外部输出）；
P3.6：
（片外数据存储器“写”选通控制输出）；
P3.7：
（片外数据存储器“读”选通控制输出）。
EA/VPP :
访问程序存储器控制信号，当其为低电平时，对ROM的读操作限定在外部的程序存储器，当其为高电平时，对ROM的读操作是从内部存储器开始的，并可延至外部程序存储器。
ALE/PROG :
编程脉冲
PSEN :
外部程序存储器读选通信号，在读外部ROM时PSEN是低电平有效，以实现对ROM的读操作。
RST/VPD :
复位信号，当输入信号延续2个周期以上的高电平有效，用以完成单片机复位初始化操作。
XTAL :
时钟晶振输入端。
4.2驱动系统总体结构
图4-3驱动系统硬件结构
由图4-3可知，本系统通过计算机设定步进电机的运行方向和速度，以及变速变向的控制，并且将这些参数和控制程序通过数据串口烧录到单片机中。
按钮和单片机的控制信号通过驱动电路，输入至步进电机，控制步进电机的速度和方向。
电源和变压整流电路为单片机和驱动芯片的正常工作提供安全稳定的直流高电平。
4.3驱动系统的驱动原理
为了方便阐述，本节按照步进电机输入信号要求，控制信号功率的放大，单片机控制信号的输出和编程的顺序分析其工作过程。
4.3.1步进电机的控制信号
图4-428YBJ-48型步进电机接线指示图
表4-1步进电机输入信号分布表
连线序号
导线颜色
分配顺序
1
2
3
4
5
红
+
+
+
+
4
橙
+
+
-
-
3
黄
+
-
-
+
2
粉
-
-
+
+
1
蓝
-
+
+
-
如图4-4所示，28YBJ-48型步进电机接内部共有四相线圈，其中Vcc端共接在一起，为红线。
四相线圈的控制信号输入端按顺序依次为蓝、粉、黄、橙。
为方便编程与描述，本文采用单片机的双四拍运行时序，则其通电线圈按照时序依次为：
蓝粉、粉黄、黄橙、橙蓝。
其输入信号分布如表4-1所示。
以此时序，按照一定的频率，步进电机就可稳定地转动。
4.3.2控制信号功率的放大
单片机不能直接驱动步进电机，这是由于单片机I/O接口输出功率很小，输出信号不稳定。
因此就必须在单片机I/O接口下方接功率驱动单元。
按照前文所述，本文选择具有信号放大，信号反相功能的ULN2003A驱动芯片。
图4-5ULN2003电路图（含负载）
由图4-5所示，ULN2003A本质为达林顿管，其中Q1，Q2，R2，R3本质为以放大倍数被加大的三极管。
因此，当输入信号为高电平时，三极管导通，这时负载左端，即芯片的信号输出端为低电平，因此ULN2003A为反相输出。
此时负载中有电流产生。
在本文中，负载即为步进电机的某一相线圈，所以当输入信号为高电平时，与之相连的步进电机线圈中有电流产生；当输入信号为低平时，负载左端即信号输出端为高电平，负载中无电流产生，即与之相连的步进电机线圈不工作。
又因为达林顿管放大倍数为两个三极管放大倍数之积，达到比较可观的功率放大作用。
综上，将单片机四个I/O接口连接至ULN2003A输入接口，就将控制步进电机的信号放大反相。
使得步进电机正常工作。
4.3.3单片机控制信号的输出和编程
考虑到步进电机正常工作所需要的时序分布以及ULN2003A的反相所用，单片机的输出信号以及相应的输出端口如表4-2所示。
为了实际电路中连线方便，信号输出端口为P2.0，P2.1，P2.2，P2.3口。
表4-2单片机输出信号分布表
输出接口
对应导线颜色
分配顺序
一
二
三
四
P2.3
橙
0
0
1
1
P2.2
黄
0
1
1
0
P2.1
粉
1
1
0
0
P2.0
蓝
1
0
0
1
对应16进制数
0xF3
0xF6
0xFc
0xF9
根据以上输出信号的描述，指定其系统流程图为
图4-6驱动程序流程图
根据以上输出信号的描述以及过程流程图4-6，相应的单片机C语言编写为：
#include
sbitFR=P1^0;/*定义端口P1.0对应着步进电机正反转控制按钮*/
sbitslow=P1^1;/*定义端口P1.1对应步进电机减速控制按钮*/
sbitfast=P1^2;/*定义端口P1。
2对应步进电机加速控制按钮*/
intp;/*定义p为延时常数*/
voiddelay（intt）/*定义延时函数delay*/
{intk;
inti;
for（i=0;ifor（k=0;k<10;k++）;
}
voidmain（）/*主函数*/
{
P0=0x00;/*初始化P0*/
FR=1;/*初始化转向为正向*/
p=50;/*初始化延时常数P*/
while
（1）/*进入旋转信号输出循环*/
{
if（FR==1）/*正向旋转*/
{
P2=0xF3;
delay（p）;
P2=0xF6;
delay（p）;
P2=0xFc;
delay（p）;
P2=0xF9;
delay（p）;
if（slow==0）/*按下按钮slow电机减速*/
{delay（1000）;/*减速按键防抖*/
if（slow==0）
p=p+5;
}
if（fast==0）/*按下按钮fast电机加速*/
{delay（1000）;/*减速按键防抖*/
if（fast==0）
p=p-5;
if（p<=0）/*限制p为正整数*/
p=5;}
}
else/*当长按下按钮FR时步进电机反向转动*/
{
P2=0xF3;
delay（p）;
P2=0xF9;
delay（p）;
P2=0xFc;
delay（p）;
P2=0xF6;
delay（p）;
}
}
}
程序说明：
当系统上电以后，单片机开始工作，输出控制信号。
步进电机则按照预定的转速转向旋转。
当长按下按键FR后电机反相转动。
当按下按键slow后步进电机减速转动。
按下按键fast后步进电机加速转动。
4.4驱动系统总电路电路及说明
按照以上思路，驱动系统最终的驱动过程如下：
电路上电后，单片机开始运行，运行已经烧录至单片机内的程序。
由于程序中已经安排好控制信号的输出方式，单片机就按照此方式将控制信号输出至ULN2003A。
控制信号经过ULN2003A芯片的信号反相，功率放大后，自ULN2003A芯片的输出接口输出至步进电机。
步进电机收到控制信号后开始工作。
过程中，按键开关开关实时对步进电机的转向，控制进行控制。
长按FR开关后，步进电机反方向转动；松开FR开关后，步进电机正转。
按下slow开关，步进电机减速；按下fast开关，步进电机减速。
以下图4-7为实现以上功能所需要的电路原理图，及电路原理图各个元件在电路中的具体功能作用，如表4-3。
并且按照电路图连接出了实际电路。
如图4-8
图4-7驱动系统电路原理图
表4-3驱动系统电路原理图电路元件作用说明
名称
参数
作用
电阻R1
10K
提供复位电平
电阻R2,R3,R4
10K
限流
极性电容
10uF
提供复位电流
按键开关FR
控制电机正反转
按键开关slow
控制电机减速
按键开关fast
控制电机加速
电容C1，C2
30pF
提高晶振的稳定性能和抗干扰能力
电容C1，C2
30pF
提高晶振的稳定性能和抗干扰能力
晶振
12MHz
为单片机提供工作频率
电阻R5，R6，R7，R8
10K
上拉电阻
单片机80C51
输出控制信号，接收控制信号
电阻R9，R10，R11，R12
5.1K
分压保护步进电机
芯片ULN2003A
为步进电机提供稳定的驱动信号
图4-8驱动系统实际电路
1.单片机最小系统：
如图4-9所示，单片机最小系统位单片机可以正常工作的最少元件组成的系统。
Reset管脚接复位电路，高电平复位。
工作过程是，当系统上电时极性电容充电，Reset管脚为高电平。
过后，电容充电完毕。
Reset管脚恢复低电平，停止复位。
XTAL1与XTAL2管脚接晶振。
EA管脚加高电平，表示单片机寻址地址为内置储存器。
图4-9单片机最小系统
2.按键开关部分：
如图4-7及图4-10所示，三条开关线路分别与单片机P1.0，P1.1，P1.2管脚相连。
使得三个管脚常态为高电平，当按键开关按下时，单片机检测到这三个管脚电平为低电平。
根据程序，对输出信号进行控制。
图4-10按键开关部分
3.驱动芯片部分：
如图4-11及图4-7所示，输入端分别连接P2.0，P2.1，P2.2，P2.3管脚。
输出分别连接步进电机蓝，粉，黄，橙导线。
由于负载过大，此处必须加上5个阻值为10K的上拉电阻。
图4-11驱动芯片部分
第5章驱动系统硬件的焊接与调试
由于实际电路的制作是一个复杂动手的过程，对于本人专业来讲相对较为陌生，按照理论电路图焊接出来的电路也许会在很不起眼的地方出现各种小错误而导致整个电路不能正常工作。
在电路的焊接
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