机电类毕业设计论文基于单片机步进电机智能控制（led显示）

1、XXXX大 学毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：教学点:专 业:机电一体化工程题 目:基于单片机步进电机智能控制（LED显示）指导者： 评阅者： 2011年 5 月XXXX 大 学毕业设计（论文）评语学生姓名： 班级、学号： 题 目：基于单片机步进电机智能控制（LED显示） 综合成绩： 指导者评语：该生在毕业设计期间能够严格完成设计要求，平时能够通过查阅资料和积极提问解决设计中遇到的问题，具有一定的编程能力，熟悉硬件的一些性能，最后能够做出设计的实物来，写作规范、详细，完成设计要求，该设计思路清晰、详细、完整。同意提交答辩，建议成绩评定为良。 指导者(签字)： 年 月 日毕业设计（论文）评

2、语评阅者评语：该生按设计任务书的要求，完成了基于单片机步进电机智能控制的设计设计和开发。论文选题贴合工程实践，具有较大的应用价值及一定的理论意义，所得成果对生产实际有一定的参考价值，有一定创新性，工作量适中，论文结构较合理。但软件设计还可以改进，论文格式还需进一步规范。论文达到本科毕业设计（论文）的要求。可以提交答辩，建议成绩评定为良好。 评阅者(签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语：该生答辩思路清晰，知识掌握较全面，口头表达能力较好，回答问题正确率高，经答辩委员会评议，一致通过，该生成绩为良。 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日毕业设计说明书（论文）中文摘要步进电动机在机电

3、一体化系统中常用做开环运动控制系统的驱动电动机，是一种能将电脉冲输入转换为模拟输出轴运动的理想数字控制元件。它具有结构简单，价格低廉，工作可靠，维修容易等一系列优点。因此，在简易数控系统，办公自动化设备等领域得到广泛的应用。步进电动机是用脉冲信号控制的，步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，也不受各种环境条件诸如温度、压力、振动、冲击等影响，而仅仅与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低可以大范围地调节电机的转速，并能实现快速起动、制动、反转，而且有自锁的能力，不需要机械制动装置，不经减速器也可获得低速运行。它每转过一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用

4、于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。本设计采用AT89C51 MCU作为控制芯片改进了传统时序方法,软体通汇编语言编写,硬件方面规划由单片机应用电路、三按键电路、步进电机驱动电路以及数码管显示电路组成，通过设定电机转速并在数码管中显示其转速大小，从而实现步进电机的智能化控制。关键词 单片机控制 步进电机 脉冲信号 LED显示毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Based on SCM step-motor intelligent control (LED display) AbstractStepping motors often used i

5、n mechatronics system of open loop motion control system, is a kind of driving motor can be input into analog output electrical pulses axis motion ideal digital control components. It is simple in structure, low prices, reliable work, maintenance easy and so on a series of advantages. So, in summary

6、 CNC system, office automation equipment etc widely application.Stepping motors is by using a pulse signal control, step distance Angle and speed size from voltage fluctuation and load change effects and also not affected by various environmental conditions such as temperature, pressure, vibration a

7、nd impact etc effects which only and pulse frequency is proportional to the discretion of by changing the pulse frequency can be big range adjusting motor speed, and can realize the fast starting, braking, inversion, and has the ability of the lock, dont need mechanical braking device, not through r

8、educer can also get low speed operation. It turned a week each step is fixed, as long as it doesnt throw step, angular displacement error does not exist long-term accumulated situation, mainly used in digital control system, high precision, reliable operation. If use position detection and speed clo

9、sed-loop control feedback, can also be achieved.The design USES AT89C51 MCU as control chip overlooked traditional time-series method, software through the assembly language, hardware planning MCU application circuit, by three buttons circuit, stepping motor drive circuit and digital tube display ci

10、rcuit composition, the motor speed through setting in digital tube display its speed size, so as to realize intelligent control of stepping motor.Keywords single-chip microcomputer control step motor the pulse signal the LED display目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc293572773 1 引言 PAGEREF _Toc293572

11、773 h 1 HYPERLINK l _Toc293572774 2 系统的整体设计方案 PAGEREF _Toc293572774 h 2 HYPERLINK l _Toc293572775 2.1 方案概述 PAGEREF _Toc293572775 h 2 HYPERLINK l _Toc293572776 2.2 系统的功能 PAGEREF _Toc293572776 h 2 HYPERLINK l _Toc293572777 3 步进电机智能控制的硬件设计 PAGEREF _Toc293572777 h 4 HYPERLINK l _Toc293572778 3.1 单片机的概述

12、PAGEREF _Toc293572778 h 4 HYPERLINK l _Toc293572779 3.1.1 单片机的内部结构 PAGEREF _Toc293572779 h 5 HYPERLINK l _Toc293572780 单片机的选择 PAGEREF _Toc293572780 h 6 HYPERLINK l _Toc293572781 3.1.3 AT89C51芯片介绍 PAGEREF _Toc293572781 h 6 HYPERLINK l _Toc293572782 3.1.4 单片机复位 PAGEREF _Toc293572782 h 10 HYPERLINK l _

13、Toc293572783 3.2 单片机最小应用系统图示 PAGEREF _Toc293572783 h 11 HYPERLINK l _Toc293572784 3.3 单片机电源部分的设计 PAGEREF _Toc293572784 h 11 HYPERLINK l _Toc293572785 3.4 步进电机应用 PAGEREF _Toc293572785 h 12 HYPERLINK l _Toc293572786 3.4.1 步进电机概述 PAGEREF _Toc293572786 h 12 HYPERLINK l _Toc293572787 3.4.2 步进电机工作原理 PAGER

14、EF _Toc293572787 h 13 HYPERLINK l _Toc293572788 3.4.3 步进电机细分驱动系统 PAGEREF _Toc293572788 h 14 HYPERLINK l _Toc293572789 3.4.4 步进电机的指标概述 PAGEREF _Toc293572789 h 14 HYPERLINK l _Toc293572790 3.5 步进电机的软件控制 PAGEREF _Toc293572790 h 16 HYPERLINK l _Toc293572791 3.5.1 步进电机正反转的实现 PAGEREF _Toc293572791 h 16 HY

15、PERLINK l _Toc293572792 3.5.2 步进电机的加减速控制 PAGEREF _Toc293572792 h 16 HYPERLINK l _Toc293572793 3.5.3 应用注意事项 PAGEREF _Toc293572793 h 16 HYPERLINK l _Toc293572794 3.6 步进电机驱动电路设计 PAGEREF _Toc293572794 h 17 HYPERLINK l _Toc293572795 3.7 按键电路设计 PAGEREF _Toc293572795 h 18 HYPERLINK l _Toc293572796 3.8 步进电机

16、工作波形 PAGEREF _Toc293572796 h 18 HYPERLINK l _Toc293572797 3.9 数码显示电路设计 PAGEREF _Toc293572797 h 19 HYPERLINK l _Toc293572798 3.9.1 LED之内部结构及特性 PAGEREF _Toc293572798 h 19 HYPERLINK l _Toc293572799 3.9.2 LED显示器原理 PAGEREF _Toc293572799 h 20 HYPERLINK l _Toc293572800 3.9.3 LED不良显示分析 PAGEREF _Toc293572800

17、 h 20 HYPERLINK l _Toc293572801 3.9.4 LED显示电路 PAGEREF _Toc293572801 h 21 HYPERLINK l _Toc293572802 4 步进电机智能控制的软件设计 PAGEREF _Toc293572802 h 23 HYPERLINK l _Toc293572803 4.1 程序框图 PAGEREF _Toc293572803 h 23 HYPERLINK l _Toc293572804 4.1.1 主程序流程图 PAGEREF _Toc293572804 h 23 HYPERLINK l _Toc293572805 中断服务

18、程序流程图 PAGEREF _Toc293572805 h 24 HYPERLINK l _Toc293572806 4.1.3 计算程序流程 PAGEREF _Toc293572806 h 24 HYPERLINK l _Toc293572807 4.2 程序源代码 PAGEREF _Toc293572807 h 25 HYPERLINK l _Toc293572808 5 调试 PAGEREF _Toc293572808 h 33 HYPERLINK l _Toc293572809 5.1 软件调试 PAGEREF _Toc293572809 h 33 HYPERLINK l _Toc29

19、3572810 5.2 硬件调试 PAGEREF _Toc293572810 h 34 HYPERLINK l _Toc293572811 结束语 PAGEREF _Toc293572811 h 35 HYPERLINK l _Toc293572812 致谢 PAGEREF _Toc293572812 h 36 HYPERLINK l _Toc293572813 参考文献 PAGEREF _Toc293572813 h 37 HYPERLINK l _Toc293572814 附录A protues设计仿真图 PAGEREF _Toc293572814 h 38 HYPERLINK l _To

20、c293572815 附录B protel设计原理图 PAGEREF _Toc293572815 h 39 HYPERLINK l _Toc293572816 附录C 元器件清单 PAGEREF _Toc293572816 h 40 HYPERLINK l _Toc293572817 附录D 实物图 PAGEREF _Toc293572817 h 411 引言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。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

21、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。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。传统步进电机的控制由时序逻辑门电路来控制，用此工作方式会使得工作的硬件电路变得异常的复杂，而且硬件电路一旦成形，就使得硬件电路更改变更非常复杂，给工作人员带来很大的不变，形成时序逻辑电路的硬

22、件成本相对单片机的硬件成本来说是较高的，无论从哪一方面来说，时序逻辑电路都没有优势.随着大规模集成电路以及微处理技术的发展，单片机成为大部人群所要选的首选对象微处理器对步进电机的控制是借助于软件程序实现的，其人机界面简单易于控制,具有很好的灵活性和通用性。本设计涉及到单片机技术，软件设计知识，Keil uVision3、protues7.5、protel等软件应用能力，对于学生的硬件系统设计能力、编程能力、软件使用能力的培养具有重要意义。2 系统的整体设计方案 方案概述步进电机的控制可以由时序逻辑门电路来控制，但用此工作方式会使得工作的硬件电路变得异常的复杂，而且硬件电路一旦成形，就使得硬件电

23、路更改变更非常复杂，给工作人员带来很大的不变，形成时序逻辑电路的硬件成本相对单片机的硬件成本来说是较高的，无论从哪一方面来说，时序逻辑电路都没有优势。传统方法上是采用时序电路的方法来对步进电机进行控制的,其工作的硬件电路异常的复杂，而且硬件电路一旦成形，就使得硬件电路更改变更非常难。随着大规模集成电路的发展，单片机无论是从价格还是从工作的可靠信方面来说，单片机都成为大部人群所要选的首选对象。随着单片机的功能也在日益的壮大。单片机的应用也越来越广泛，单片机正在逐渐走进人们的生活，并让人们的生活逐渐走向智能化。本设计采用AT89C51 MCU作为控制芯片改进了传统时序方法,软体通过汇编语言编写,硬

24、件方面规划由单片机应用电路、三按键电路、步进电机驱动电路以及数码管显示电路组成，通过设定电机转速并在数码管中显示其转速大小，从而实现步进电机的智能化控制。本设计采用protel绘制原理图，将基于单片机步进电机智能控制（LED显示）工作的原理图画出来，通过protues进行仿真，protues能够很好反应步进电机的工作情况，通过Keil uVision3对程序进行编译，看程序是否正确。 系统的功能 2.21 预计达到的要求 （1）实现数据的串行输入/并行输出； （2）系统能够实现正、反转，个位速度的加速，十位速度的加速； （3）能够通过LED显示各种功能； 预计关键的技术 （1）单片机的选择与扩

25、展； （2）步进电机在系统中的接法； （3）数据组织的传入并出的程序和硬件电路实现；3 步进电机智能控制的硬件设计3.1 单片机的概述单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称单片机。它把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、并行及串行输入输出I/O接口电路、定时器/计数器、中断控制器、等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。随着大规模集成电路的发展，组成微型机算计的各功能部件：中央处理器、储存器、串/并输入输出接口、定是器/计数器、中断控制器，以及许多特殊功能单元，如：A/D

26、、D/A转换器、高速输入输出部件、DMA、浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上，构成一个完整的微型机算计单片机。由于它具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、所以方便等特点，因此特别适合于工业控制有关的数据处理系统，愈来愈广泛地应用于自动控制、智能化仪器、仪表、数据采集、军工产品以及家用电器等各个领域。由于其结构及应用特点，不同于通用的微型计算机，因此，了解单片机的原理及应用是非常必要的。随着大规模集成电路的发展，组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、存储器、串/并行输入/输出接口，定时器/计数器/中断控制器，以及计多特殊功能单元，如A/D、D/A转换器、高速输入输出部件、DMA、

27、浮点运算等已集成在一块半导体晶体芯片上，构成一完整的微型计算机单片机。单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段：第1阶段(19711976)：单片机发展的初级阶段。第2阶段(19761980)：低性能单片机阶段。第3阶段(19801983)：高性能单片机阶段。第4阶段(19831990)：超高性能单片机阶段。第5阶段(90年代)： 单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。如：CPU的位数有8位、16位、32位，而结构上更进一步采用

28、双CPU结构或内部流水线结构，以及提高处理能力和运算速度；时钟频率高达20MHz，使指令执行速度相对加快；提供新型的串行总线结构，为系统的扩展与配置打下良好的基础；增加新的特殊功能部件(如：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、通信控制器、浮点运算单元等)；半导体制造工艺的不断改进，失芯片高集成化、低功耗发展等等。以上这些方面的发展，使单片机在大量数据的实时处理，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络方面得到大量应用。 单片机的内部结构分析MCS-51系列单片机内部结构（如图3.1）并按其功能部件划分可以看出，MCS-51系

29、列单片机时由8大部分组成的。这8大部分是：（1）一个8位中央处理器CPU。它由运算部件、控制部件组成，其中包括振荡电路和时钟电路，其主要完成单片机的运算和控制功能。它是单片机的核心部件，决定了单片机的主要功能特性。（2）128个字节(MCS-52子系列为256字节)的片内数据存储器RAM。其片外数据存储器的寻址范围为64KB，用于存放可读写的数据，如运算的中间结果或最终结果等等。（3）4KB(MCS-52子系列为8KB)的片内程序只读存储器ROM或EPROM(8031和8032无)。其片外可寻址范围为64KB，主要用于存放已编制的程序，也可用于存放一些原始数据和表格。（4）18个(MCS-52

30、子系列为21个)特殊功能寄存器SFR。它用于控制和管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/记数器、中断系统等功能模块工作。（5）4个8位并行输入输出接口I/O接口：P0口、P1口、P2口、P3口(共32线)，用于并行输入输出数据。（6）1个串行I/O接口。它可以时数据1位1位串行地在计算机与外设之间传送，可用软件设置为4种工作方式，用于多处理机通讯、I/O扩展或全双工通用异步接收器(UART)。（7）2个(MCS-52子系列为3个)16位定时器/计数器。它可以设置为记数方式对外部事件进行记数，也可以设置为定时方式进行计时。记数或定时的范围由软件来设定，一旦记数或定时范围到则向

31、CPU发出中断请求，CPU根据记数或定时的结果对计算机或外设进行控制。（8）1个具有5个(MCS-52子系列为6个或7个)中断源，可编程为2个优先级的中断系统。它可以接受外部中断请求、定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。常用于适时实时控制、故障自动处理、计算机与外设之间传送数据及人-机对话等。 图3.1 单片机的内部结构图 单片机的选择单片机采用89C51或其兼容系列的芯片进行控制，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、以及给屏体电路部分发送命令。在本设计中我们选择了内含4K字节Flash的AT89C51，因为我们只需要显示特定的图形和文字，无需庞大的字库，因此4K Flash已经可以满

32、足字库储存的需求，不需要扩展外存储器。3.1.3 AT89C51芯片介绍AT89C51是美国ATMEL公司生产的8位Flash ROM单片机。其最突出的优点是片内ROM为Flash ROM，可擦写1000次以上，应用并不复杂的通用ROM写入器就能方便的擦写，读取也很方便，价格低廉，具有在片程序ROM二级保密系统。因此可灵活应用于各种控制领域。AT89C51包含以下一些功能部件：（1）一个8位CPU ；（2）一个片内振荡器和时钟电路；（3）4KB Flash ROM ；（4）128B 内RAM；（5）可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；（6）两个16位定时/计数器；（7）21个特殊功能寄

33、存器 ；（8）4个8位并行I/O口；（9）一个可编程全双工串行口 ；（10）5个中断源，可设置成2个优先级。AT89C51单片机一般采用双列直插DIP封装，共40个引脚，图为其引脚排列图。40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制各I/O引脚。图3.2 AT89C51引脚排列图（一）电源Vcc芯片电源，接+5V；GND接地端。（二）时钟XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。（三）控制线控制线共有4根，其中3根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。（1）ALE/地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。1）ALE功能：用来锁存P0口送出

34、的低八位地址。AT89C51在并行扩展外存储器时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是低8位地址信号。在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令，ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。2）功能：片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。（2） 外ROM读选通信号。89C51读外ROM时，每个机

35、器周期内两次有效输出。可作为外ROM芯片输出允许的选通信号。在读内ROM或读外RAM时，无效。（3）RST/VPD复位/备用电源。1）正常工作时，RST端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，AT89C51芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。2）VPD功能：在VCC掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由VPD向片内RAM供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。（4）/VPP内外ROM选择/片内EPROM编程电源。1）功能：正常工作时，为内外ROM选择端。AT89C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外。当保

36、持高电平时，先访问内ROM，但当PC值超过4KB时，将自动转向执行外ROM中的程序。当保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。2）VPP功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源。（四）I/O引脚AT89C51有P0、P1、P2、P3 4个8位并行I/O端口，共32个引脚。P0口是一组8位漏级开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在Fl

37、ash编程时，P0端口接收指令字节；而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1 口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部信号拉低的P1口会因为内部上拉而输出一个电流。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2 口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR指令)时，P2口送出高8位地址数据，当使用8位寻址方式(MOVXR

38、I)访问外部数据存储器时，P2口发送P2特殊功能寄存器的内容，在整个访问期间不改变。Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3 口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的是它的第二功能，如表31所示：表3.1 P3各端口第二功能3.1.4 单片机复位复位的实现通常用2种方式(如图3.3): (1) 开机上电复位(2) 外部手动复位图3.3 单片机复位图本设计采用的是外部手动复位（如图3.4）：图3.4 外部手动复位电路图 单片

39、机最小应用系统图示图3.5 单片机最小应用系统原理图说明: （如图3.5）该最小系统由按键复位RESET电路、晶体振荡电路以及I/O接口电路组成。 功能键由S2、S3、S4和三个上拉电阻组成。S2是开关键，控制电机的开、正转和反转。S3是上升键，按下以后电机的个位速度的加快。S4是上升键，按下以后电机的十位速度将加快。3.3 单片机电源部分的设计根据要求所确定的稳压电源的电路形式（如图所示）。图中变压器T将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的7.5V交流电压，再经整流电桥（4个二极管）D1将交流电压变换成脉动的直流电压，随后电解电容器C4将脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到

40、较为平滑的直流电压。为了得到改善的纹波电压，再将直流电压通过电容C5，然后经集成稳压器7805稳压，在输出端得到稳定的5V直流电压。这时，在输出端接上电容C7，用以滤除输出端的高频信号，改善负载的瞬态响应，最后即可得到所需的、稳定的直流电压。电路最后接入的发光二极管用做电源指示灯。图3.6 单片机电源原理图3.4 步进电机应用 步进电机概述目前步进电机已广泛运用在需高定位精度、高分解能以及高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。从生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，很容易发现步进电机的踪迹。尤其在重视速度和位置控制，需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合中，步进电机用得最多。步

41、进电机已经渗透入我们生活的方方面面，下面介绍了一些重要的步进电机相关技术，为开发人员基本了解步进电机的工作原理提供了足够的信息，同时也介绍了用微控制器或数字信号处理器控制步进电机的方法。 步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变

42、磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。 步进电机是由一组缠绕在电机固定部件-定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。步进电机具有力矩惯性比高，步进频率高，频率响应快，可以双向转动等特点，常被用作伺服系统的执行元件.由于步进电机的步距角较大，且存在低频共振、高速运行精度差、易失步等缺陷，往往满足不了某些高精密定位的要求，从而限制了

43、它的应用因此，下文提出了基于AT89C51单片机控制的步进电机恒转矩细分驱动方案，该方案不仅使步距角减小，且使低频振荡大幅减小，在很大程度上提高了控制精度。 步进电机工作原理步进电机的工作原理是建立在被励磁的定子电磁铁吸引可旋移的衔铁产生转矩而旋转，即靠磁铁引力作用把电磁能转变成机械角位移。脉冲的个数决定了转角的大小，而脉冲的频率决定了电机的转速。所以，步进电机相当于一个将电脉信号转换成角位移的机电式数模转换。它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的

44、一对齿与被激励的一相对准。在图中A相是被激励,转子大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图(b)，转子向反时针转过15。若是D相被激励，如图(c)，则转子为顺时针转过15。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：ABCD或ADCB。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与下图所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有

45、八个独立的引线终端，或者接成两个三端形式每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。步进电机分三相，四相和六相，同一步进电机有多种控制方式，以三相步进电机为例，有以下几种基本的控制方式:(1)单三拍控制方式：即A，B，C三个绕组以A_B_C的顺序通电。(2)六拍控制方式：通电顺序为AABB一BCCCA。(3)双三拍通电方式：通电顺序为ABBC一CA。 步进电机细分驱动系统细分驱动技术主要是通过对步进电机的相电流进行阶梯化控制(图给出三相电机四细分时的各相电流状态)，使电机以足够小的单位步距角运行，从而减小步长和低频振动，提高电机的运行分辨率通过对相电流的均匀细分就能使步距角均匀n细分，这是在

46、相电流与步距角之间为线性关系的前提下才能成立的而实际上，由于步进电机磁化曲线本身的非线性和磁滞现象等因素的影响，等分相电流并不能等分步距角，而必须根据步距角和相电流的关系曲线，对各相电流加以控制和修正，才能实现步进电机步距角的均匀细分另一方面合成磁场的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小因此本文提出了一种恒流均匀细分控制的方法，它的基本思想是：维持步进电机内部合成磁场的幅值恒定，合成磁场的方向均匀变化对于那种完全用硬件来实现步进电机细分的驱动电路，要进行恒力矩均匀细分控制是相当困难的，但是对于单片机控制的步进电机细分驱动电路，实现这种控制就容易得

47、多了，它通过软件可以方便地计算出各相的电流值，并进行适当修正，以相应的数字量存储于E2PROM 的不同区域，采用软件查表法输出细分电流的控制信号。采用细分驱动后，解决了步进电机低频振荡、高频出力不足的问题，电机运行性能大大提高，是步进电机驱动的一种较好选择。3.4.4 步进电机的指标概述 (一)步进电机的静态指标:(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-D

48、A-A。 (3)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/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=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（几何尺寸）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，但过份采用减小气

49、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。(二)步进电机动态指标及术语：(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

50、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。(7)电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在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

51、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-CA-BC-AB为反转。3.5 步进电机的软件控制 步进电机正反转的实现实现步进电机的反转,只需将索引值的增量变为负值即可,这样实现的反转不但简单产生的电流冲击和机械振动也较小。 步进电机的加减速控制为提高控制系统的性能，即提高运行速度，并使步进电动机不失步和不过冲，步进电动机应采用变速控制,即启动频率低,中间频率高,控制到位再减速的方法。步进电机通常按照一定

52、的加减速曲线来运行，常见的加减速曲线有：梯形曲线、S形曲线和指数曲线等。由于步进电动机的电磁转矩与转速的关系接近指数规律，所以采用指数加减速曲线是最好的选择。但在编制程序时要用离散法将非线性加减速曲线离散化(见图3.7)。并将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列存储在程序存储器中。 图3.7 步进电机的加减速控制原理图3.5.3 应用注意事项（1）步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。 （2)步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。 （

53、3）由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。 （4）转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 （5）电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。 （6）高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产

54、厂家少，其被淘汰的说法是外行话。 （7）电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 （8）电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。（9）应遵循先选电机后选驱动的原则。 3.6 步进电机驱动电路设计图3.8 步进电机驱动电路原理图说明: （如图3.8）驱动电路由四个PNP型三极管(9012)Q1Q4，续流二极管D1D4组成。采用四个线圈ABCD表示步进电机的四相绕组，用续流二极管保护四个驱动三极管避免在三极管截止的瞬间，步进电机的绕组上会产生瞬间的高压反电势，此电势能将三极管击穿。四个 PNP的基极连接到单片机的P0口分别由软体控

55、制。3.7 按键电路设计图按键电路原理图说明: （如图3.9） 功能键由S2、S3、S4和三个上拉电阻组成。S2是开关键，控制电机的开启、正转和反转。S3是上升键，按下以后电机的个位速度的加快。S4是上升键，按下以后电机的十位速度加快。由原理图可知，只要不让“灌”到每个引脚电流不要超出单片机所能承受的范围就可以了，该电阻应尽量选的大一点（没有该电阻电路也能正常工作）本次设计忽略。3.8 步进电机工作波形由步进电机的工作原理可知，步进的工作只需单片机输出（如图3.10）所示波形，这就需要占用单片机的四个输出端口，由于单片机的输出电流有限并不能直接驱动步进电机，这就需要四个驱动来驱动步进电机，只要

56、按以上步骤所说接好电路就可以使步进电机工作。但一般我们都不用此工作方式，所以我在设计是并没有优先考虑使用此工作方式，步进电机除以上工作方式外还有第二工作方式，其工作方式使用的波形如图所示，但此两种工作方式都存在一定的缺陷，就是当步进电机完成一个角度动作以后，并没有给步进停止提供电源，而是给此相绕组继续供电，形成加电自锁，而我们所做的步进电机并步需要此功能，需要值得注意的是对步进电机这样供电容易使步进电机发热，所以我选择的工作方式如图所示。图3.9 数码显示电路设计 LED之内部结构及特性（1）LED显示器上一个数字称为一个字符(用D表示)，每一个字符由a,b,c,d,e,f,g七个字划组成(每

57、一个字划由一至二个发光二极管构成)。（2）LED显示器又分为共阴显示器(代号DC)和共阳显示器(代号DA)。若是共阴显示器，它每一个字符之七个发光二极管负值连在一起引出一个公共脚，几个字符之同一个字划的二极管阳极连在一起引出一个字划脚，则为共阴显示器，反之则为共阳：三个字符共引出10个脚，若有一个小数点(以P表示)则为11个脚，以此类推，一般地，P表示小数点，二极管之公共脚是在第二字符上。（3）调试方法：假设有一显示器脚位如图FIG 2，而妳不知道哪一个脚是a字划，也不知道是共阴还是共阳，妳可以这样来测(用指针式万用表测)：先用黑表笔(测试棒)对准第一脚不动，红表笔依次扫过其它脚，若其中有三个

58、脚可显示三个字符之a字划，说明第一脚为a字划脚，所对准的那三个脚即为字符脚，也可以说明此显示器是共阴显示器再将红表笔对准某个字符脚，黑表笔依次扫过其它脚即可找出其它字划脚反之，若第一步测试时都不亮，再将红表笔掉换过来对准第一脚，其它测试步骤同上(数字万用表极性相反)。 LED显示器原理LED分共阳和共阴两种共阳指将各发光二极管的阳极连在一起共阴反之即将发光二极管的阴极连在一起通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极和共阴极的段选码互为补码见表3.2。（本设计采用共阳极）表3.2 LED段码表 LED不良显示分析（1） 断字划：如果只断某一个字符的一个字划，很可能该字划的脚与其它字符

59、脚短路(显示器外)，否则就是显示器不良(如该字划之二极管烧坏，假焊或显示器内线路有短路等)若断几个字划且不是同一字划，则只有可能是显示器本身不良。如果几个字符同时断同一个字划，则有可能是和该字划间相连之线路断开(包括显示器之线路)，再者IC不良。（2）多字划：如多出资划，则有可能是该字划脚与其它字划脚短路(含显示器内短路)。如多字符，则有可能是不同字符之公共点短路(含显示器内短路)。（3）亮度不均：分为某一字划亮度不均或某几个字划(不同的)亮度不均，此现象不良判定同（1）。另一种是几个字符同一字划较亮或较暗，此有可能是该字划同电源正(负)极短路(分共阴或共阳而论)，否则为IC不良，或此字划(二

60、极管)之限流电阻误配。 LED显示电路图1 LED显示电路数码显示部分由七段数码显示器和七个限流电阻组成。由于单片机的输出电流不能直接驱动数码显示器，为了节约成本所以我们采用灌电流的方式，但需要注意的是，输出的七段码必须取反以后才能送入P1口。说明: （1）发光二极管的接法有两种基本形式:静态扫描和动态扫描。 （2）所谓静态扫描是指将数码管的字符引脚(SEGMENT),分别接单片机的I/O脚此接法适合LED较少的情况。（3）所谓动态扫描是指将多个数码管的SEGMENT连在一起,将各自对应的公共端接到单片机的口上,通过动态扫描的方法依次点亮各个LED。 （4）由于单片机的输出电流并不能直接驱动发