2016年毕业设计

江西科技师范大学 毕业设计（论文） 题目（中文）： 基于 51单片机的步进电机控制系统的设计 （外文）： 1 院（系）： 通信与电子 专 业 ： 12级电子信息工程（职本） 学生姓名： 占贤银 学 号 ： 20122594 指导教师： 詹华群 年 月 日 目录 摘要 . 1 关键词 . 1 . 2 . 2 第一章 绪论 . 3 进电机控制系统研究背景 . 3 内外研究概况 . 4 究的目的与意义 . 4 究的目的 . 4 究的意义 . 4 题的目的任务与要求 . 5 第二章 步进电机概述 . 5 进电机的概念 . 5 进电机的工作原理 . 6 进电机的主要性能指标 . 7 进电机的优缺点对比 . 7 进电机的优点 . 7 进电机的缺点 . 8 进电机的分类 . 8 进电机的应用 . 8 进电机的发展趋势 . 8 第三章 方案论证 . 9 选择 . 9 . 9 方案一 . 9 方案二 . 10 . 10 片机 . 10 位电路 . 13 振电路 . 13 4存芯片 . 14 阴极数码管 . 15 动芯片 . 15 真软件介绍 . 16 件 . 16 . 16 第四章 硬件系统设计 . 16 片机最小系统 . 16 键部分 . 17 示部分 . 18 机驱动部分 . 18 件的焊接 . 19 第五章 软件系统设计 . 20 程序 . 20 盘扫描子程序 . 21 码管显示子程序 . 22 第六章 基于 片机步进电机控制系统的实现 . 23 . 23 件部分 . 23 件部分 . 23 计结果及相应仿真图 . 23 第七章 总结 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 27 附录 . 28 1 摘要： 步进电机是 将电脉冲信号转换为角位移或者线位移的执行器件，在其本身所承载的前提下，步进电机的转动速度、停止位置仅仅取决于所给信号的脉冲个数和脉冲频率，而与负载变化以及 电网 电压 波动 变化等因素无关，因而广泛应用于各种 工业 自动化控制领域中。本设计主要基于 系统主要分为 晶振电路、复位电路、控制电路、键盘电路、存储电路、 中主要采用以 片机为主控制器，利用单片机与软件编程相结合的方 式 ，通过输出高低电平去控制步进电机的正 /反转、快 /慢、停止 /启动等功能的基本控制。 晶振电路部分主要由两个 33振组成，帮助单片机起振；复位电路部分由一个 10个按键开关和一个 1要帮助单片机复位；键盘电路部分主要由 按对于的键实现对应的功能；存储电路部分由两块 74片组成；显示电路部分由四个七段机驱动部分由通过驱动芯片去控制步进电机工作。通过 践结果表明：该电路基本完成了本设计的要求，该系统具有结构简单 、价格低廉、 可靠性高、抗干扰强以及运行稳定等特点。 关键词： 74进电动机 or of on in so it is in of is of is is to of of to is/as is of 3 of pf a of is a 10 UF a a 1 k by to is of 4 2 by ED by to is 743 第一章 绪论 随着微电子技术与计算机技术的发展，步进电机已经成为 除直流电机与交流电机之外的第三类电动机，对人类的生活与生产快速进入电气化时代起着不可取代的作用，与传统电动机相比，步进电动机更能满足工业自动化与办公设备的需求，所以步进电动机在自动化与数控号转换为角位移或线位移的 电磁机械装置 ，是实现机电一体化的主要执行元件，在其所承载的前提下，步进电机的转速、停止位置仅仅取决于所给信号的脉冲个数和脉冲频率，而与负载变化、 电网 电压 波动 变化等因素无关，即给电机一个脉冲 机床等领域得到越来越广泛 的应用。 步进电机的工作原理是将电脉冲信 信号，电机就转动一个 固定角。由于这一线性关系的存在，加上步进电机有周期误差而没累积误差等特点，使得步进电机在速度、位置等控制领域使用的非常简单。 步进电机有以下 几点优点： 1、 无累积误差； 2、 无需 D/够直接接收数字信号； 3、 易于操作； 4、 可以快速启 /停； 步进电机的种类非常多，我们常将步进电机分为永磁式电机、反应式电机和混合式电机等三大类，步进电机不需要位置传感器就可以直接进行精确定位，所以广泛应用在 精确定位系统之中。在打印机、工业自动化、数控机床、传真机都使用到了 步进电机。在进入电气化的今天，步进电机必将得到越来越广泛的应用，而受到广大消费者的青睐。 我们步进电机的研究与制造是在本世纪 50 年代末期萌生的， 步进电机的细分技术本质上是一种电子阻尼技术，主要功能是使步进电机的低频振懂得到消减甚至消除，以致电机的运转精度进一步提高，它只作为细分技术的 功能之一。比如对于步距角为 的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲 ，电机的精度能否达到或接近 度。不同 厂家的细分驱动器的精度差别很大，细分 数越大，精度越难控制。由于步进电机精确模型做了很多的研究，各种混合式电机作为产品得到非常广泛的利用。 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机，因为驱动电路在成本、加速度、绝对速度、效率、系统惯量等性能指标与最大扭矩相比较，较不划算 ，国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如工业生产设备，打印机，传真机，银行自动柜员机，国内过去是用大力距步进电机来实现数控机床，在驱动设备的主要差别差距，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。 的与意义 通过以前所学过的单片机原理与应用及 理论知识，本设计是对以前所学过知识综合利用的一种体现， 使我更加深入的理解单片机技术，对单片机系统的应用的设计能力得到进一步的提高。 本设计是以单片机为核心结合外围电路的步进电机控制系统的设计， 要求能够通过按键能控制步进电机的转动方向与转动速度，并能在 设计的过程中，需要对单片机的结构和使用方法非常的熟悉并掌握，理解步进电机的内部结构与工作原理， 将两者有机地结合起来，达 到本设计要求的结果，进一步锻炼自已的软件编程、软件仿真与硬件焊接、调试的能力。 通过电脉冲信号来控制步进电机的转向与转速，是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机械装置 。它可以在宽广的频率范围通过改变脉冲频率来达到调速的目的，这是步进电机的显著特点之一。通过软件编程或者其他控制方式可以实现步进电机的启 /停、 正反转控制、快 /慢等，并且与其组成的控制系统即结构简单、价格低廉、可靠性高、运行稳定以及性价比高等特点，因此在数控机床等工业装置控制以及办公设备等众多领域方面得到了非常广泛的利用，换 句话就是在工业装置控制领域已经离不开步进电机了，随着工业技术与计算机技术的不断发 5 展，步进电机 的需求量将会越来越多，所以对步进电机的驱动器与控制系统的研究与制造具有十分的价值。 熟悉并掌握单片机的接口技术，了解单片机的内部结构 ；然后通过 动电路、数码管显示电路等 。 熟悉并掌握步进电机的工作 原理和控制技术，通过 给出设计思路 。 熟练运用 据本设计要求进行编写程序。完成键盘 键入、数码管以及步进电机转动。 熟悉并运用 过运行调试在仿真图上看到的效果是否与本设计要求的结果一致。 第二章 步进电机 概述 步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的一种机械装置，换一句话说就是步进电机每接收一个脉冲，步进电机就转动一个固定的角度。我可以通过控制步进电机的脉冲个数来控制转动的位置，从而 实现 准确定位的目的，我也可以通过控制步进电机的脉冲频率来控制转动的速度， 实现调速的目的。步进电机是将电脉冲转换成角位移或线位移的开环控制 元件，在其所能承载的前提下，步进电机的转速、转动的位置仅仅决定于所给脉冲信号的脉冲数和脉冲频率，即给电机一个脉冲信号，电机就转动一个固定的角度，由于这一线性关系的存在，还加上步进电机本身所具有的周期性误差而没有累积误差等特点， 促使步进电机在速度、位置等控制领域使用的非常简单了。即使现在步进电机运用的非常广泛了，但它并不像直流电机和交流电机能在常规状态下使用，它必须要在双环形脉冲信号、功率驱动电路与其所组成的控制系统下才能使用。由此可见，要想能彻底的用好步进电机并不是那么简单的，它所涉及的专业知识非常多，比如 机械、电机、电子及计算机等。 步进电机如下图所示 6 步进电机是脉冲信号电流来驱动其转动，其转动角度与脉冲信号个数成正比。步进电机的正反转由励磁脉冲产生的顺序来进行控制。六线式四相步进电机是比 较常见的，它有 4条励磁 信号引线分别用字母 A、 B、 C、 别代表橙、黄、粉、蓝这四种引线颜色，通过控制这 4条引线脉冲产生的顺序就可控制步进电机的转动，即每产生一个脉冲信号，步进电机就只走一步。只有按顺序不断地出现脉冲信号，步进电机才会不断地连续转动。 它驱动时各线圈通电顺序如下 1 2 3 4 5 6 7 8 ) （橙） （黄） C（粉） D（蓝） 步进电机定子通电顺序为 A B C D 电顺序为 A D C B 步进电机传送高低电平，则可实现上述操作 ，通过延时来控制步进电机的转速。 7 进电机的主要性能指标 步距角： 控制系统每产生一个脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时就给了一个固定的步距角的值，不同厂家出产的电机，步距角也会有所差异 ，它不是实际工作时的步距角，真正 的步距角与驱动器有关。 拍数： 完成一次磁场周期性所需要的脉冲数，或电机转过一个步距角所需脉冲数。 定位转距：电机在不通电的情况下，转子自身的锁定力距（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成）。 失步： 电机实际运转的步数与理论上的步数的差异，称为失步。 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，用百分比来表示，误差 /步距角 *100%拍运行应在 5%之内，八拍运行时应在 15%以内。 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，电机空载时的情况下能直接起动的最大频率 。 最大空载运行频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机空载的最高转速频率。 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曲线成为 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。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却没有确定，电机的动态力矩决定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 。 电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，它的共振区一般在 50r/80r/机驱 动电压越高，电机 流过的电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏，反之，电机输出的电矩大，不失步且整个控制系统的噪声减小，一般以共作点均应偏移共振区较为常见。 进电机的 优缺点对比 1、长期运行无累积误差； 2、抗干扰性强，如电压，电流的大小、负载变化、温度环境变化等； 3、控制性能好，在宽广的频率范围内运动，不会丢失任意一小步； 8 1、 当负载超载的情况下会破坏其同步运行； 2、很难获得很高的转速； 3、在重要和体积方面不显得优势，能量利用率 较低； 进电机的分类 步进电机可分为永磁式、反应式以及混合式等三大类步进电机，下面就对其分别加以简单介绍 ： （ 1）永磁式步进电机： 一般为两相，转矩和体积较小，步矩角一般为 5度，价格便宜但误差更大一些，动态性能较好，力矩较大，步矩角较大；在消费性产品中广泛利用。 （ 2）反应时步进电机： 一般为三相 ，可实现大转矩输出，步矩角一般为 构简单，成本较低，但噪声和振动很大（在欧美国家已经被淘汰）。 （ 3）混合式步进电机： 它结合了反应式电机与永磁式电机的优点，又可以将它分为二相或五相，力矩大 ，动态性能好，步距角小，噪声和振动较小，因此这种步进电机得到最为广泛的使用。 进电机的应用 1、 工业自动化控制 在自动化技术中，步进电机被广泛利用在工业装置控制、数控机床、单片机控制等领域，机电一体化的发展离不开步进电机 2、办公设备 目前大多数办公设备都采用步进电机进行控制，比如打印机、传真机等 进电机的发展趋势 步进电机已经成为第三类电动机（除直流电机和交流电机外）步进电机在人类进入电气化时代的今天起着越来越重要的作用，传统的步进电机已经不能满足工业自动化控制和办公自动化控制的发展需求， 为了满足这些需求，产生了很多新的具有控制功能的电动机系统，运用最为广泛的一类电机就是步进电机。 步电机的发展与计算机工业技术发展密切相关 ，步进电机在今后的工业自动化等领域往以下四个方向发展： 9 一、继续沿着小型化方向发展，随着电动机本身所运用的领域的括展和装置不断小型化，要求与之相配置的电动机越来越小。 二、 将该圆形电动机为方形电动机，使得转子设计的也许比圆形大，从而其力矩体积可大大提高。 三、对电动机要进行综合设计，把转子位置传感器和加 /减速齿轮等与电动机本身综合的设计在一起，使其构成一个闭环系统，从而 使其 控制性能变得更加优越。 第三章 方案 论证 方案一：采用 晶作为本设计的显示屏，体积小，功耗低，使用操作简单，同时还具备简洁、画面感好、显示数据信息量大等特点，但成本较高。 方案二： 采用数码管作为本设计的显示屏，体积小，功耗低，在硬件焊接方面较为复杂，显示数据信息量较小等，但其价格很便宜。 综合以上两种方案比较，由于本设计所需要显示的信息完全可以用数码管显示出来，又因为数码管比 以我选择方案二。 方案一： 本 方案 是以 用单片机与其相关的一些外围电路，比如 复位电路、晶振电路、按键电路、数码管显示电路以及电机驱动电路等部分，构造成一个比较简单而实用的步进电机控制系统，其系统结构框图如下： 位电路 晶振电路 按键电路 电源电路 驱动电路 电机电路 数码管显示电路 10 本方案是以 核心的主控制器通过软件与硬件相结合的方式对步进电机控制系统的设计，使硬件电路大大简化，其中电源电路、复位电路、晶振电路是单片机必不可少的外围电路，分别给单片机提供工作电压或工作电流、帮助单片机进行系统复位以及帮助单片机起振 ； 按键电路一旦有键动作时就会发出信号，促使单片机产生相应的信号控制与其相连接的外部硬件电路做出相应的处理，比如数码管显示电路主要复杂显示步进电机的级数以及步进电机当前所处的状态 ； 按不同的键可以控制步进电机的启动 /停止、快 /慢以及正 /反等基本操作，步进电机的相线通过驱动芯片与单片机的 I/O 端口相连接，即可控制单片机输出的高低电平的变化可以直接控制步进电机做出与其相应的动作，各子模块通过软件编程就可以实现，具有结构简单、成本低、性能好、可靠性高等特点。 方案二： 系统结构框图如下： 本方 案主要由电子电路的脉冲控制器所产生的脉冲信号，传送到环形分配器进 行信号的分配再经过驱动电路进行功率放大处理，以便有足够大的动力驱动步进电路做出相应的动作。 由于本方案都是用模拟电路、数字电路以及集成芯片搭建而成的步进电机控制系统，所以电路结构复杂，稳定性差、可靠性低、成本高等。 对以上两种方案进行比较，由于方案一电路结构简单、性能好、可靠性高、成本低等特点，所以我选择方案一使得本设计较简单。 论知识 介 单片机是指在一块集成电路芯片集成了中央处理（ 存储器、 I/可以叫单芯片微型计算机。 与 容， 近些年推出的 要产品脉 冲 控 制 器 环 形 分 配 器 驱 动 电 路 电 机 电 路 11 有：（ 1） 司的 8989列；（ 2） 司的 8080 3）华邦公司的 4） 7低压高速系列；（ 5）宏晶公司的 片机内部带有一种 8K 字节 储器低电压，高性能 位单片机， 单片机的可擦除存储器至少可反复擦除 1000 次，它工作时先由用户编制好 程序和表格，把它放在程序存储器然后在控制器的控制下依次从程序存储器中取出指令送到 而实现相应的功能。 主要特点： （ 1） 8位 2）片内带振荡器 ； （ 3） 128个用户位寻址空间；（ 4）三个 16位定时 /计数器；（ 5） 4个 8位的并行 I/ 6）两个优先级别的 5 个中断源；（ 7） 111 条指令；（ 8）片外数据存储器的寻仙空间为 64（ 9） 1 个全双工的串行 I/O 接口，可多机通信；（ 10）片内采用单总线结构；（ 11） 128 个用户位寻址空间；（ 12）可支持两种软件可选的节电工作模式。掉电方式 时 数据信息被保存在 ，由备用电源为 内振荡器及其他一切部件都停止工作 ，只有按复位键或由触发信号才能被唤腥。 空闲方式时只有 时 /计数器、中断系统等继续工作。 管脚功能介绍： 0 脚 )： 提供电压 20 脚） ： 接地。 19 脚）： 片内振荡器的输入端。 8 脚 )： 片内振荡器 的输出端。 12 9 脚）： 复位 端。当至少维持两个机器周期的高电平，才能实现单片机系统复位。 30脚）： 当访问片外存储器时， 地址锁存允许输出的信号用于控制地址的低八位字节，当不访问片外存储器时，就可用作定时或向外部输出的时钟脉冲信号来使用，但值得注意的是 ，当访问片外数据存储器时， 跳过一个脉冲，此时就不能用作时钟脉冲使用了。 9 脚 )： 片外程序存储器选通端。在从片外程序存储器取指时，每个机器周期将出现两次有效信号，在访问片外数据存储器时， 该信号不会出现。 1 脚 )： 片 内外程序存储器选用端，当该引脚为高电平时，访问片内程序存储器，当该引脚为低电平时，访问片外程序存储器，需要扩展片外程序存储芯片。 32 脚 39 脚） ： ，其内部没有上拉电阻，可作为地址 /数据复用接口 （数据 /地址低八位） ，当作为通用借用使用时，要使高电平正常输出，就必须要外接上拉电阻。 8 脚 1脚） ： 带有上拉电阻八位漏极开路的双向 I/当向该端口进行写 1操作时，被内部上拉电阻上上拉为高电平，当被外部下拉为低电平时，该端口将输出电流，这因为 内部有上拉电阻的原因，也可用作数据端使用。 52 单片机的 作为 外部输入， 作为 装触发。 28 脚 21 脚） ： 是一个漏极开路 8位准双向 I/内置有上拉电阻，当向该端口进行写“ 1”时， 就会被内部的上拉电阻拉为高电平，当被外部下拉为低电平时，将输出电流， 这是因为内部有上拉电阻的原因。 可作为数据 /地址的高八位使用。 17 脚 10 脚） ： 也是一个漏极开路 8位准双向 I/样内部也带有上拉电阻，可用作通用 I/O 口，当向该端口写入“ 1”时，就会被内部的上拉电阻拉为高电平，当被外部下拉为低电平时，便会输出电流。这是因为其内部上拉的原因。 介绍如下： 串行输入口 ) 行输出口） 13 部中断 0） 部中断 1） 定时器 /计数器 0输入端） 定时器 /计数器 1输入端 ） 外部数据存储器写选通端） 外部数据存储器 读选通端） 当单片机出现死机 、程序进入死循环以及程序执行出错等现象，我们就可以通过复位电路使程序从头开始执行，系统内部复位。这样做的目的是为了提高单片机系统的稳定性，不会因为一些原因是系统性能变差，单片机复位电路有两种复位方式：上电复位和按键复位，我主要简单的介绍一下按键复位方式。按键复位电路如下图所示： 该复位电路主要由 10容、 1复位电路的输出端与单片机的复位端相连接。 当按一下轻触开关时，电容就会立即充电，促使产生的信号就会是单片机的复位端（ ）保持两个 机器周期 以上的 高电平，这是单片机就会系统复位，程序就会从头开始执行。复位电路的原理就是这样的，上电复位也如此。 要想使单片机工作，晶振电路是必不可少的部分， 单片机内部有振荡器，而外部的晶振电路主要功能是帮助单片机起振。 而晶振的大小决定与单片机的工作运行速度，晶振电路如下图所示： 14 该晶振电路由两个 33 4存芯片 74码管相连不尽可以达到锁存数据的功能，还能驱动数码管， 其外 部结构 图及实物图 如下所示： 引脚功能： 2脚 9脚： 7为数据输入端。 12脚 19脚： 7 为数据输出端。 1脚：三态允许控制端，低电平有效。 10脚： 20脚： 11脚：使能控制端。 当三态允许控制端为高电平时，无论输入如何变化，输出始终为高阻态，即只有当允许控制端为低电平时，芯片才能工作；当使能控制端为 高电平时，输出端的 15 数据才能跟随输入端的数据变化而变化，具有跟随作用；当使能控制端为低电平时，输入端的数据被存住了，输出端的数据不变，即保持为上一次输出端输出的数据。 本设计采用 4 位共阴极数码管作为显示部分，四位数码管的 ag 端及 串联在一起，用信号控制其位选通端表示对哪个数码管进行操作，其结构及实物如下图所示： 路是是由美国两家公司开发而成的达林顿阵列电路，具有高耐压，稳定性好、大电流等优点，内部由 7个 以作为一些需要大