【基于51单片机的步进电机控制系统设计6600字（论文）】

第1章绪论1.1步进电机的发展历程及应用步进电机作为一种执行元件，是工业时代进步发展的产物，被大量应用于现在的生产生活中，小到家用电器，大到工厂设备、航天科技等领域。随着计算机科技的飞速发展，对于步进电机的需求也呈几何指数增长。步进电机最早是在上世纪初由英国人开发，它是一种依靠电磁气隙变化来产生磁矩的磁铁装置。由于西方资本主义对造船业的竞争，致使电机的集约化迅速发展。到目前为止，在全世界范围内当属日本生产的步进电机性价比最高，也是步进电机最大的生产—制造—出口国之一REF_Ref2429\r\h[1]。步进电机被广泛应用在日常生活中，最常见应用于数控车床和机器人，可以直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移REF_Ref9597\r\h[2]。输出转矩较小是早期步进电机的不足之处，不够满足工业生产标准。随着工业的发展，先进的步进电机技术不断更新，已成为控制系统中不可替代的单一驱动力REF_Ref2478\r\h[3]。除了在数控机床的应用，在其他领域内也有涉及，例如打印机、绘图仪，自动化生产线的传动马达等等。1.2电机控制方式的发展历程20世纪80年代末，随着多功能低成本微型计算机REF_Ref2520\r\h[3]的问世，步进电机的控制方式发生了质的变化。早期电机的控制方式较为繁琐、复杂，需要大量的电气元件搭建，而且设计出的控制系统具有唯一性，即一套控制系统只能有一种或两种的控制方式。更不利的是后期调试过程中，容易造成大量电气元件的损坏，增加设计成本。另一方面，后期要想满足其他的控制要求就需要改变原有的控制电路，重新设计控制系统，然后再次进行大量的调试，最终得到满足控制要求的系统。随着计算机计算能力的不断提升，对于实现自动化或半自动化控制系统有了巨大的革新变化。利用软件编程就可以实现多种控制步进电机的控制方式，后期可根据控制要求来更改计算机的编程，利用电脑进行仿真模拟、运行调试从而实现控制需求。这不仅提高了设计师的工作效率，而且节约了相当大的成本。1.3课题主要研究内容在本研究设计中使用四相步进电机。通过电源模块给予系统动能，利用红外装置远距离遥控，使得微处理器接收到控制信号，再通过内部编程处理产生电信号，控制驱动电路产生控制电机的驱动信号，以达到精准控制电机。本研究设计内容如下：设置五个独立按钮控制电路，使步进电机实现相应功能为复位、正转、反转、加减速。设置单片机连接五个发光二极管，显示当前实现的功能（便于识别程序运行状态）。（3）数码管指示电机的运行状态（正反转及转速档位）。（4）安装红外一体式遥控装置可以在不接触的情况下实现上述功能。另通过编程实现对步进电机的旋转圈数的远程遥控。第2章控制系统设计2.1系统框架的制定本研究设计采用单片机作为核心硬件，通过软硬件协调获得步进电机的正反转、复位、以及加减速度控制，再通过5个发光二极管按键显示当前的电机运行状态，使用一体式红外遥控装置作为远端控制。通过程序编程实现上述功能的同时还可以精确控制电机的旋转圈数以及正转直接到反转的切换，该设计的总体框图如图1所示。图1系统总体设计框图2.2主控核心芯片的选择单片机自20世纪70年代问世以来，已被广泛的应用于航空航天、伺服控制系统、智能家居、机电一体化设备、自动化流水线、智能精密仪表等各个方面REF_Ref2572\r\h[4]。从系统的硬件结构来考虑，需要按装便携，拆卸更换方便，并且体积不易过大，因此，直插式封装形式最为理想，不仅可以和插座分离，也方便程序烧录以及后期检修保养。从设计成本考虑，经济适宜，耐受性好。从工作可靠性的方面来考虑，使用的芯片要适宜一定的特殊工作环境，通常要具备良好的化工污染防范和高温高压承受能力。自身的功耗要低且在一定的电磁干扰环境中具备良好的抗干扰能力。根据其适用的工作温度范围，常见的单片机芯片可分为普通型、工用型、军用型。出于实用性以及抗干扰性等方面，本研究设计选用入门级的普通型单片机芯片即可。根据上述不同方面的分析，本次设计的控制系统采用AT89S52单片机作为核心控制器，并且考虑了成本和软件编程的难易程度。2.3外部执行机构的选择步进电机作为一款理想的开环控制元件，可以将数字信号直接转换成角位移或是线位移REF_Ref4065\r\h[5]。系统负载在额定范围内变化时，电机的转速仅受控于脉冲信号。这是一种良好的线性关系，况且步进电机只有周期性误差，没有累计误差的显著特点，在对速度、位置等因素要求严格的控制系统内很容易通过控制电机实现。该设计的控制系统基本电压设定为5V，选用的是四相五线减速步进电机28BYJ-48作为受控对象REF_Ref5261\r\h[6]。这是一种四相八拍的步进电机，额定运行工作电压为5V~12V，步进电机连续工作的前提是连续的脉冲信号。电机每接收到一次或一段脉冲信号时都改变一次的一个或两个及以上的运动状态。内部绕组通电后，电机转子按固有的机械特性旋转，循环一周后完成一个齿距REF_Ref5551\r\h[7]。2.4驱动器的选择优质的控制系统，通常都有一个“大脑核心”，而驱动就相当于“心脏”。强有力的驱动装置，可以给系统提供稳定、精准的脉冲信号。考虑到控制系统精度需求，使用ULN2003REF_Ref3353\r\h作为“心脏”，为步进电机提供所需的电脉冲信号。选用直插式芯片有利于后期实物的焊接。

第3章硬件电路设计3.1硬件电路构成 构成系统硬件的电路为1个52单片机作为系统的核心控制器，1个5V-DC四相八拍的步进电机作为系统输出，1个以ULN2003为核心的驱动电路，5个发光二极管作为电源指示灯，5个独立按键控制系统输入，1组数码管显示当前电机的运行状态（正反转），同时显示电机的速度档位。3.2步进电机系统模块步进电机系统构成有多种形式，一般可分为逻辑控制电路系统和软件控制电路系统。本设计利用微处理器进行控制系统的执行机构，即步进电机。一般来说，步进电动机的总转角与输入脉冲电流数成正比REF_Ref11041\r\h[8]。当累计输入足够的脉冲电流信号时，电动机的转速和脉冲电流工作频率保持稳定严格的对应关系，不受工作电压振荡和负载的影响。由于步进电机能直接执行数字输入，尤其适用于单片机系统控制。3.2.1步进电机的分类在实践应用中运用最多的步进电机是永磁式步进电机（PM）和混合式步进电机（HB）REF_Ref11325\r\h[9]REF_Ref3733\r\h。本研究设计选用的是28BYJ-48四相八拍步进电机，这是一款永磁式的，其额定电压为DC5V-12V，减速比为1:64REF_Ref11518\r\h[10]。每接受到4096个电脉冲信号，外部的轴体正好转动一周。3.2.2工作原理使用四相八拍的电动机，其运作机制是利用专用的驱动电源在四个绕组上按设定的顺序依次施加脉冲信号电压。本次设计中的步进电机的脉冲相序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。3.3AT89S52单片机系统 本研究设计的控制系统是以AT89S52单片机为核心处理器建立。该系统简单，编程烧录便携。AT89S52的DIP封装如图2所示。图2DIP封装引脚图3.4键盘控制模块 键盘在应用单片系统中可作为输入数据和传送指令的另一种方式，他的基本组成单元是按键。每个独立按键单独使用，利用机械触点连通和关断控制电路。本次设计按键状态采用高低电平来辨识，高电平为按键断开状态，低电平为按键闭合状态。为了保证微控制器在按键时只判定一次按键动作，必须消除抖动电压的不良影响。一般而言，消除抖动有两种方式：软件系统和硬件资源REF_Ref13114\r\h[11]。因为硬件消除抖动电路太过复杂，故不在此使用。现阶段利用软件系统来消除抖动。软件系统去抖动的基本原理是利用时间延迟来消除抖动的不良影响。如图3所示，四个独立按键按顺序联接构成键盘控制电路。图3键盘控制模块原理图3.5数码管显示模块一般来讲，按组数分有1位、2位和4位的LED数码管REF_Ref13327\r\h[12]，常用联接方法有两种：共阴极和共阳极。共阴极联接就是用导线将数码管的负极串联起来，形成共阴极的com端。当其正极是高电平时，数码管导通发光；反之。正极是低电平时，数码管不导通发光。同理，共阳极数码管是将正极端串联，负极是低电平时，数码管导通发光。如图4所示，本研究设计的数码管选用共阳极联接，以晶体管开关特性为驱动。图4数码管显示模块原理图3.6驱动电源模块本设计的驱动电路，采用ULN2003芯片REF_Ref13539\r\h[13]为步进电机提供脉冲信号。现今不管是工业生产还是家用电器内部都含有微处理器来集中控制，但控制器不能直接控制设备输出，一般采用适合的驱动模块作为中介，上端受微处理器控制，下端控制输出设备进行工作。ULN2系列产品是由可流过大电流，承受大电压的达林顿管阵列REF_Ref13728\r\h[14]，是一种可控型大功率器件，因其功能强大而得到广泛应用。其管脚图如下图5所示。图5ULN2003管脚图3.7红外遥控模块红外遥控模块其基本组成比较简单，一般为红外信号发射器和红外接收器两部份组成。红外遥控的最大距离为15m，接受载波的频率为38KHz。红外信号发射器直接使用一体式红外遥控器，其集成度现已十分完善，且体积小、容易方便携带；可以直接使用按键发射控制信号。红外信号接收器这里选用的是HX1838。一方面，考虑到器件成熟度：这是一款使用较多的红外接收装置，内部集成化程度高，由红外二极管，信号增益电路、滤波器和解调器等组成REF_Ref117\r\h[15]REF_Ref117\r\h。另一方面，考虑到实际可能会在特殊环境工作，其硬件特性符合设计目的。简单介绍一下红外接收器的使用方法。如图6所示，三根引脚，两根输入输出，一根使能端。输入输出端分别连接电路的V和GND，使能端联接单片机的外部中断P3.2（EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(————),INT0)）口即可。微处理器接受到脉冲信号后，信号下降沿激活内部中断0开始解码，接着内部中断0控制步进电机的动作REF_Ref13960\r\h[16]。图6红外遥控模块原理图

第4章控制系统软件分析与设计 控制系统软件部分主要完成远程红外信号的接收、解码、处理、生成控制电机的驱动信号控制步进电机动作、使得数码管指示当前运动状态以及通过读取按键信息控制电机来达到任务要求。因此，合理实现这些功能就需要单片机内部中断和软件编程相结合。在本研究设计编程中，程序采取循环扫描的模式检测程序运行状态。当按键动作产生时，程序应立即根据按键定义的参数进行赋值，达到控制系统要求，实现设计目的。4.1主程序流程图 如图7所示，该设计的控制系统是由初始化、控制信号类型、判断信号、处理信号几部分组成。图7控制系统主程序流程图4.2红外信号子程序流程图 如图8所示，红外信号子程序采用循环扫描的方式，每当有按键按下时，微处理器接收红外信号并做相应处理与设定值进行对照完成相应状态变化。图8红外信号子程序流程图4.3按键信号子程序流程图 如图9所示，先初始化变量，接着循环检测程序，当按键按下后触发中断子程序运行，然后进行相应的操作，软件延时消除抖动电压。控制定时器T0运行，由于电机只受脉冲控制，而T0实现脉冲的输出，所以T0中断后，电机立即停止运动。图9按键信号子程序流程图4.4控制系统中断程序流程图 电机运行速度确定中断服务程序的动作时限。中断程序输入后，要锁存当前值，依照当前锁存参数设定上限TH0和下限TL0。判断当前值，然后执行操作，最后退出返回主程序。定时器中断0服务程序流程，如图10所示。

图10定时器中断0服务程序流程图第5章控制系统的调试与改进 5.1调试与改进 整体系统搭建完成后，进行初步测试。检查硬件电路是否由断连，虚焊的地方。对于软件部分，先进行仿真，看是否达到设计要求，如果有差异或者不理想的情况，再次进行修改，直至程序满足设计要求为止。此次系统设计的主要思路为：先搭建整体的框架，将流程图设计出来，根据流程图，去设计合适的硬件电路。具体的细节在后期调试时通过多次实验来确定。软件部分，利用专用的编程软件，来编译所需程序。首先通过仿真，测试程序的可行性，在下载到单片机里进行具体验证，最后完成设计。在本研究系统设计硬件调试中出现有以下主要问题：（1）在搭建系统框架时，确认电机的控制模式和使用方法。作为系统的输出很重要，也是后期确定控制方式的主要思路。（2）电源模块，加了两个电容，一个47µF的电解电容和一个0.1µF的陶瓷电容，构成一个去耦滤波电路，以获得较为稳定的直流电。软件部分后期仿真时也出现些许问题，主要有：（1）编程时有些逻辑错误，查阅相关资料后经过修改，编译时达到无语法错误。（2）软件去除抖动的方式选择及延迟时间的设置。软件部分完成编译后进行模拟仿真，仿真结果能达到设计的要求后，再进行实物的检验。5.2运行结果 将仿真无误，没有语法错误的程序下载烧入单片机内，开始进行测试。刚开始按下正转按键电机没有动作，假定是硬件电路出现虚焊或者部分断路，关闭电源开关用万用表检测，没有发现故障点。又查阅资料后发现电机的相序连接有误，经过一系列的调整，最终确认电机的相序。连接通电后，电机正常转动，又测试其他几个运动状态以及红外遥控控制，电机也顺利的实现设计要求。第6章总结本控制系统经过前后多次修改，不管是硬件电路的搭建或是软件的编程，终于达到满意的设计要求。在系统硬件设计部分，将微处理器模块、红外遥控模块、电机驱动模块、数码管显示模块、键盘控制模块等合理的和其他电气元件进行组合连接，搭建出适合软件运行的硬件平台。在系统软件设计部分，利用程序设计系统软件完成了步进电机的控制系统。在控制系统中，程序开机上电复位后自动运行。利用按键控制功能模块的外部硬件电路系统，可以更改控制系统的主要参数，控制步进电机的起动和停止，转速和旋转方向；利用微处理器中的定时器T0，按照系统主要参数实时控制步进电机的旋转；数码管动态显示。总体来说这次设计基本能达到预期的设计要求，能够实现对步进电机的手动和远端遥控控制。不管是设计经验还是对设计全局的统筹规划都存在明显的不足，所设计的控制系统还有许多不理想的地方，如利用红外动态设置转速的上限和下限等。从理论到实践这一过程，不管是硬件电路平台的搭建亦或是软件控制的编程，从系统框架、确认硬件电路、分析计算、原理图的绘制、实物焊接以及后期的检查调试等等，直到最后完成控制系统的设计。科技一直在不断革新，相应的控制系统也在逐步得到优化和完善，将会使生产生活变得更加高效便利。参考文献谢辉，唐勇．步进电机发展回顾与前景展望[J]．重庆三峡学院学报，2010，26(03)：110~113．田聪，苏畅．基于51单片机的步进电机控制系统设计与实现[J]．电子测试，2017(22)：5~6+19．范月圆，刘华勇，李玉兰．基于单片机的步进电机控制电路设计[J]．数字技术与应用，2016(10)：19~20+22．巩自卫．马铃薯勺链式排种器漏播检测与自动补偿系统的设计[D]．甘肃农业大学，2015．22~31．杨小岗，张小青，