单片机三通道步进电机控制器的设计说明书

武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）1摘 要步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，比如细分驱动技术，但是有的系统比较复杂，和一些相对比较简单的控制过程不相吻合，投入上也不经济;有的系统在操作上不是很方便，交互性不强。而且，有感于目前的职业教育的专业教材各种技术太过经渭分明，由此带来的实习也是比较零散，没有把一些在工程实践中应该结合在一起的技术有机结合起来，因此本文的研究内容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，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。本文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况、以及常见的控制系统采用的方案，常见的驱动技术，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机程序的设计。关键词:步进电机、单片机、看门狗武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）2AbstractStepping motor is a kind of controlled by electrical pulse signal phase winding current to achieve fixed angle rotating electromechanical components, compared with other types of motor control with easy-to-open-loop precision, no accumulation of error of the advantages, has been widely used in many fields. In order to obtain good control performance results, there has been a lot of stepping motor control system, which adopts singlechip as the control of the control system has been widely applied. A lot of this control system has been in the drive of step motor is very good, such as subdivision driving technology, but some of the system is more complex, and some relatively simple control process do not coincide, investment is not the economy; some systems in the operation is not very convenient, do not have a strong interaction. Moreover, professional teaching techniques in occupation education at present too clear by Wei, practice the resulting is scattered, not put some in the engineering practice should be combined organically in together, therefore the research content of this paper is to design a set of hardware system is simple, economic, but the function is complete, strong adaptability, convenient operation, high reliability, can organically integrate electronic technology, single chip technology, motor control technology of stepping motor control system. This paper briefly describes the development of the scheme, the stepper motor applications, as well as the common control system, driving technology is common, but also analyzed the working principle of stepping motor, and then by the microcontroller. The hardware design scheme of the system, detailed design on the basis of each module the circuit, then elaborated the design of stepper motor program.Key words：Stepping Motor，SCM，Watch Dog武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）3目录摘 要 -1Abstract -2目录 -3第一章 绪论 -41.1 课题背景 -41.2 主要研究工作 -4第二章 单片机基础知识及选择 -52.1 单片机应用发展简介 -52.2 单片机选择 -6第三章 步进电机基础知识及选择 -73.1 步进电机工作原理 -73.2 步进电机的选择 -83.3 步进电机各指标和参数 -9第四章 系统的硬件设计 -124.1 系统设计方案 -124.2 单片机最小系统 -134.3 串口通信模块 -184.4 数码管显示电路设计 -184.5 步进电机驱动电路 -224.6 电源电路 -254.7 键盘电路 -26第五章 控制系统软件设计 -295.1 软件系统设计原则 -295.2 步进电机控制系统功能设计 -295.3 主程序设计 -305.4 显示程序设计 -325.5 键盘程序设计 -335.6 调速程序设计 -35第六章 总结 -37参考文献 -38附录 1 系统原理图 -39附录 2 系统程序（C 语言） -40武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）4第一章 绪论1.1 课题背景步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件，每外加一个控制脉冲,电机就运行一步故称为步进电机或脉冲马达。通俗一点讲:当步进电机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(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。步进电机具有转子惯量底，定位精度高，无累积误差，控制简单等特点。实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反转。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制“步进电机作为控制执行元件,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和精密机械等领域。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。随着数字技术和计算机的发展，研究步进电机驱动电路，使步进电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。步进电动机的发展方向主要有如下三点:(1)进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用 SVPWM 技术，采用电子齿轮比技术，扩展通讯网络功能等。(2)高功率密度的步进电动机系统。(3)闭环控制步进电动机系统。为了彻底克服步进电动机系统一些根本性的弱点，如振荡的倾向及失步等，可改为闭环系统，但这种改变的步进电动机系统已起了质的变化，不再是本来意义上的步进电动机，而成为无刷直流电动机(BLDCM) ，或交流伺服电机(AC servo） 。1.2 主要研究工作硬件设计方面：通过单片机实验加深对步进电机的驱动电源和电机工作情况了解。观察转子振荡状态，并且掌握步进电机的基本特性和指标。根据功能需要选择电路元器件和型号，设计电路并能解决现实抗干扰问题。画出电路原理图，进行电子自动化设计。软件设计方面：通过使用很广泛的 C 语言编写核心模块对步进电机进行控制的程序。最终设计出一个单片机控制步进电机电路，能够调节步进电机的转向和速度。由于转速是通过调节脉冲频率实现的，该设计脉冲分配采用完全软件方式，既按照给定的通电换向顺序，通过单片机 I/O 口向驱动电路发出控制脉冲，避免采用复杂脉冲分配器芯片，实现单片机直接控制步进电机。在现实操作中解决堵转和启动失步等问武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）5题。第二章 单片机基础知识及选择2.1 单片机应用发展简介单片微型计算机（Single Chip Microcomputer)简称单片机，是在一块芯片体上集成了中央处理器 CPU、随机存储器 RAM 或 EPROM、定时器/ 计数器、中断控制器以及串行和并行 I/O 接口等部件，构成的一个完整的微型计算机。自 1971 年 Intel 公司制造出第一块 4 位微处理器以来，发展十分迅猛，经历了 4位机、低档 8 位机、高档 8 位机、16 位机及最新一代的单片机。最新一代单片机在结构上采用双 CPU 或内部流水线，CPU 有 8 位、16 位、32 位，时钟频率高达 20Hz，片内有 PWM 输出、监视定时器 WDT、可编程计数器阵列 PCA、DMA 传输、调制解调器等。芯片向高集成化，低功耗方向发展，使得单片机在大量数据的及时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故在国民经济建设、军事及家用电器等领域有广泛的应用。按照单片机特点，单片机可分为单机应用和多机应用。单机应用主要领域有（1）测控系统。用单片机构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。如温室人工气候控制、水阀自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。 （2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度的测量、显示及仪表控制。通过单片机软件编程，是测量仪表中长期存在的误差修正、线形化处理等难题迎刃而解。 （3）机电一体化产品。如简易数控机床、医疗器械等。 （4）智能接口。在大型工控系统中，普遍采用单片机进行接口的控制与管理，这个因为单片机与主机是并行工作的，可大大提高系统运行速度。如大型数据采集系统中，用单片机对 ADC 接口进行控制不仅可提高采集速度还可对数据进行预处理。如数字滤波、线形化、误差修正等。多机应用主要在功能集散系统、并行多控制系统、局部网络系统。 （1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。如一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标系统、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。 （2）并行多控制系统。并行多控制系统主要解决工程应用系统武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）6的加速问题，以便构成大型实时工程应用系统。典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图象处理系统等。 （3）局部网络系统。单片机网络系统的出现，使单片机的应用进入了一个新的水平。目前该网络系统主要是分布式测控系统，单片机主要用语系统中的通信控制，以及构成各种测控子级系统。2.2 单片机选择2.2.1 单片机选择依据第一，价格因素。考虑到该控制器设计的适用性，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。第二，性能因素。AT89S51 单片机机内部资源丰富、具有在线编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便，通过对该系统分析，8 位单片机可以满足系统控制精度的要求。第三，安全因素。电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心，单片机的安全性必须达到系统要求。2.2.2 AT89S51 单片机的优点（1）内部含 Flash 存储器： 在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，大大缩短了系统的开发周期。（2）和 80S51 插座兼容： 该机型通用性好，能够利用现成的 51 系列的开发系统，不需另外重新建立新的开发系统，这样可节约开发成本。（3）静态时钟方式：AT89S51 单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低成品的功耗十分有用。（4）错误编程亦无废品产生： 一般的 OTP 产品一旦错误编程就成了废品，而AT89S51 单片机内部采用了 Flash 存储器，所以错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。（5）可进行反复系统试验： 用 AT89S51 单片机设计的系统可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优，而且随用户的需要和发展还可以进行修改，使系统能不断追随用户的最新要求。由于该机型具有上述优点，并且有现成的开发系统，不需购置新的开发系统，可节约开发成本，所以选择 AT89S51 单片机。武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）7第三章 步进电机基础知识及选择3.1 步进电机工作原理步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中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。现阶段,感应子式步进电机获得较多的应用。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、低频振动小。 各种步进电机工作原理都大同小异，因为反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。(1)结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3 、2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示） ，即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3 ，C 与齿 3 向右错开 2/3 ，A与齿 5 相对齐， （A就是A，齿 5 就是齿 1）下面是定转子的展开图：图 3.1 定转子展开图(1)旋转：如 A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐， （转子不受任何力以下均同） 。如 B 相通电，A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（-1/3 ） =2/3 。武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）8如 C 相通电，A，B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 ，此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 对齐。如 A 相通电，B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 。这样经过 A、B、C 、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A，B，C，A 通电，电机就每步（每脉冲）1/3 ,向右旋转。如按 A，C， B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步 1/3 改变为 1/6 。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3 变为 1/12 ，1/24 ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。(3)力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错开一定角度产生力 F 与（ d/d）成正比。其磁通量 =BrS。 Br 为磁密，S 为导磁面积，F 与LDBr 成正比， L 为铁芯有效长度，D 为转子直径。Br=NI/R，NI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R 为磁阻。力矩 =力 半径。力矩与电机有效体积 安匝数 磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。图 3.2 磁通量与受力图武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文）93.2 步进电机的选择步进电机有步距角（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（几何尺寸）。（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）。综上所述本系统设计采用 57BYG350A 型号的步进电机。因一般的步进电机都配有固定型号的驱动器，57BYG350A 型号的步进电机与其配套的驱动器型号为 MS-3H057M 系列驱动器，所以本系统驱动器的选择不再另作选择。3.3 步进电机各指标和参数步进电机的指标和参数通常分为静态指标术语和动态指标术语。（1）步进电机的静态指标术语。相数：产生不同对极 N S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 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.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。=360 度（转子齿数 J 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 =360 度/（504）=1.8 度（俗称整步） ，八拍运行时步距角为 =360 度