本科毕业设计基于单片机的步进电机运动方式控制电路图可画程序可用proteus仿真.docx

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本科毕业设计基于单片机的步进电机运动方式控制电路图可画程序可用proteus仿真

摘要

随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。

步进电动机由于其将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，最突出的优点是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、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行。

因此，随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，并且在打印机、手工业自动控制、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、数控机床等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

通俗一点讲：

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（即步进角）。

您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；同时您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。

本设计基于Proteus设计环境，运用了AT89C51芯片、数码管显示电路和步进电机以及7位小功率驱动芯片ULN2003A、按钮、指示灯等辅助硬件电路，设计了步进电机正反转及调速系统。

绘制软件流程图，进行了软件设计并编写了源程序，最后对软硬件系统进行联合调试。

该步进电机的正反转及调速系统具有控制步进电机正反转的功能，还可以对步进电机进行两档调速。

关键词：

步进电机，时序控制，正反转，调速

Abstract

Withthedevelopmentofdigitaltechnology,digitalcontroltechnologyhasbeenappliedwidelyanddeeply.Steppingmotorbecauseofitsmicromotorelectricpulsesignalintocorrespondingangulardisplacementorlineardisplacement,itsmostprominentadvantageisthatbychangingthepulsefrequencyinawidefrequencyrangetoachievespeed,quickstartandstop,positivecontrolandbraking,andthecompositionoftheopen-loopsystemissimple,cheap,andverypractical.Therefore,withthedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,thedemandofsteppingmotorgrowwitheachpassingday,andintheprinter,thehandicraftindustryautomaticcontrol,combinedmachinetool,robot,computerperipheralequipment,camera,hasanextremelywiderangeofapplicationsinmanyfields,projector,digitalcamera,CNCmachinetoolsandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldevice.

Steppingmotorisakindofelectricalpulsesintoangulardisplacementoftheimplementingagencies,itsworkingprincipleistheuseofelectroniccircuit,thepowersupplywillbeaDCcomponent,phasesequencecontrolcurrent,thecurrentinthemotorpowersupplyforthestep,stepmotortoworkproperly,powerdriverforstepmotortime-sharing,multi-phasesequentialcontroller.Popularpointofview:

whensteppingdrivereceivesapulsesignal,itdrivessteppermotorrotateinthedirectionsetbyafixedangle（i.e.stepangle）.Youcannumberofpulsestocontroltheangulardisplacementofthecontrol,soastoachievethepurposeofaccuratepositioning;atthesametime,youcancontrolthepulsefrequencytocontrolmotorrotationspeedandacceleration,soastoachievethepurposeofspeed.

TheProteusdesignenvironmentbasedonAT89C51chip,use,digitaltubedisplaycircuitandsteppermotorand7smallpowerdrivechipULN2003A,buttons,lightsandotherauxiliaryhardwarecircuit,thedesignofthesteppermotorpositiveinversionandspeedregulationsystem.Drawtheflowchartofthesoftware,thesoftwaredesignandprogramthesourceprogram,thejointdebuggingofhardwareandsoftwaresystem.Positiveinversionandspeedcontrolsystemofthesteppingmotorisreversingthesteppermotorcontrolfunction,butalsoonthesteppermotortwostallspeed.

Keywords：

Steppermotor,timingcontrol,reverse,speed

1绪论

1.1课题背景

现在社会，对精度的要求越来越高，特别是在空调、航空等方面，通风口打开多少度、太阳能帆板展开多少度等等的要求非常高，而普通电机达不到这样的精度，这时就需要用到步进电机。

步进电机最早是在1920年由英国人所发明，它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。

1.2设计要求

本次毕业设计是基于单片机的步进电机运动方式控制系统。

简而言之就是要求用单片机控制一台步进电机的运转，实现步进电机正转、反转，并且可以同时可以实现加速、减速。

同时采用proteus软件进行系统仿真。

本文所采用的步进电机是一台四相八拍步进电机，采用的单片机是AT89C51单片机，采用的放大驱动器是ULN2003。

采用汇编语言编程，单片机输出的信号经过ULN2003的放大来驱动步进电机运转。

通过改变步进电机通电相序改变步进电机转速，通过改变每步之间的延时长短来改变步进电机的转速。

2方案论证

2.1控制方式的确定

步进电机控制是一个比较精确的。

步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点。

在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。

系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。

一种是定时，一种是延时。

定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出脉冲的周期。

当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。

将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。

由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调整。

调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间。

二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。

用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。

此方法较为复杂，控制不简便，并且占用中断功能，故不采用。

延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的脉冲或换向周期。

延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行，并且不占用中断功能，故采用延时方法。

2.2驱动方式的确定

步进电机的驱动一般有两种方法：

一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。

故本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。

3硬件设计

3.1硬件总体介绍

本次设计，采用AT89C51作为单片机控制，P0口串接反相器连接驱动电路ULN2003，用来驱动步进电机，P1口输出显示电路，P2口实现显示电路的动态显示以及正反转指示灯的控制。

P3口实现中断功能。

总体设计方框图如图3-1所示

3.2步进电机

步进电机是将电脉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。

3.2.1基本介绍

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

图3-2步进电机

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，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。

步进电机作为执行元件，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。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

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（即步进角）。

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。

3.2.2主要分类

步进电机在构造上有三种主要类型：

反应式（VariableReluctance，VR）、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式（HybridStepping,HS）。

反应式：

定子上有绕组、转子由软磁材料组成。

结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式：

永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。

其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

混合式：

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。

其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。

最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。

该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。

由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。

同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

3.2.3选择方法

步进电机和驱动器的选择方法：

判断需多大力矩：

静扭矩是选择步进电机的主要参数之一。

负载大时，需采用大力矩电机。

力矩指标大时，电机外形也大。

判断电机运转速度：

转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。

且在选择驱动器时采用较高供电电压。

选择电机的安装规格：

如57，86，110等，主要与力矩要求有关。

确定定位精度和振动方面的要求情况：

判断是否需细分，需多少细分。

根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。

3.2.4基本原理

3.2.4.1工作原理

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

3.2.4.2发热原理

通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。

绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。

铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。

步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

3.2.5指标术语

3.2.5.1静态指标术语

1、相数：

产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

2、拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数。

导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度/（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

4、定位转矩：

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

5、静转矩：

电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

3.2.5.2动态指标术语

1、步距角精度：

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示：

误差/步距角*100%。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步。

3、失调角：

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率：

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6、运行矩频特性：

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：

步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

8、电机正反转控制：

当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或（）时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB或（）时为反转。

3.2.6测速方法

步进电机是将脉冲信号转换为角位移或线位移。

一是过载性好。

其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，步进电机使用时对速度和位置都有严格要求。

二是控制方便。

步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显。

三是整机结构简单。

传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。

测速电机是将转速转换成电压，并传递到输入端作为反馈信号。

测速电机为一种辅助型电机，在普通直流电机的尾端安装测速电机，通过测速电机所产生的电压反馈给直流电源，来达到控制直流电机转速的目的。

3.2.7优势及缺陷

3.2.7.1优点

1、电机旋转的角度正比于脉冲数；

2、电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；

4、优秀的起停和反转响应；

5、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；

6、电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；

7、仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；

8、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

3.2.7.2缺陷

1、如果控制不当容易产生共振；

2、难以运转到较高的转速；

3、难以获得较大的转矩；

4、在体积重量方面没有优势，能源利用率低；

5、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

3.2.8驱动要求

1、能够提供较快的电流上升和下降速度，

使电流波形尽量接近矩形。

具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。

2、具有较高韵功率及效率。

步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。

也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。

步进电机驱动器有很多，应以实际的功率要求合理的选择驱动器。

3.3单片机

3.3.1单片机的定义

自1946年第一代电子计算机研制成功后，计算机的发展经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大规模集成电路计算机4个阶段，即我们通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机时代。

现在广泛使用的微机是大规模集成电路技术发展的产物，因此它属于第四代计算机，而单片机则是微机的一个分支。

自1971年微机问世以来，由于实际应用的需要，微机向着两个不同的方向发展：

一是朝高速度、大容量、高性能的高档微型方向发展；二是朝稳定可靠、体积小和价格低廉的单片机方向发展。

但两者在原理和技术上是紧密联系的。

单片机，就是把中央处理器（Centra;ProcessingUnit,CPU）、随机存取存储器（RandomAccessMemory,RAM）、只读存储器（ReadOnlyMemory,ROM）、定时器/计数器以及输入/输出（Input/Output,I/O）接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上的微机。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微型系统的属性，为此称它为单片微机（SingleChipMicroComputer,SCMC），简称单片机。

3.3.2单片机发展及应用

3.3.2.1单片机的发展历史及趋势

单片机的发展分以下4个阶段。

第一代：

20世纪70年代后期，4位逻辑控制器件发展到8位，使用NMOS工艺（速度低。

功耗大、集成度低），代表产品有MC6800,Intel8048.

第二代：

20世纪80年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速、低功耗的HMOS工艺代替，代表产品有MC146805和Intel8051。

第三代：

近十年来，MCU（MicroControllerUint,微控制器）的发展出现了许多新特点。

（1）在技术上，有可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。

（2）MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。

（3）将多个CPU集成到一个MCU中。

（4）在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降至3.3V。

第四代：

FLASH的使用使MCU技术进入了第四代。

现在可以说是单片机百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，为单片机的应用用提供了广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势大致如下。

1.低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机功耗普遍都在100mW左右。

随着对单片机功耗的要求越来越低，现在单片机制造商基本都采用了互补金属