基于单片机的步进电机控制系统设计

摘要摘要步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移（或线性位移）的电磁装置，是一种特殊的电动机。步进电动机由于精确性以及其良好的性能，其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机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。本文介绍了以51系列单片机AT89C51为控制核心所设计的步进电机的控制系统，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2004以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。关键词：步进电机；AT89C51；控制ABSTRACTABSTRACTSteppingmotorsisapulsesignaltransformationintoacorrespondingangulardisplacement(orlineardisplacement)electromagneticdevice,isaspecialkindofmotor.Steppermotorduetoitsgoodperformanceandaccuracy,theopenloopsystemcomposedofissimple,cheap,andveryfeasible,thereforeintheprinterandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldeviceandsoonvariesdomainhasextremelyextensiveapplication.Thispaperintroducesto51seriesmicrocontrollerAT89C51ascontrolcoredesignedbysteppingmotorcontrolsystem,writteninCoutmotorareturning,inversion,accelerate,slowingdown,stopprocedures,throughtheMCU,motordrivechipULN2004andcorrespondingbuttonabovefunctions,andrealizetheworkingstateofthesteppermotorwithcorrespondingleddisplayed.Thispaperintroducesthecontentsofsteppingmotorandsingle-chipmicrocomputerprinciple,thesystemofthehardwarecircuitandprogramofsoftwareandhardware,andthedebugging,andintroducesthedebuggingprocessproblemsandmethodstosolvetheproblems.Thisdesignhasideasclearly,highreliability,strongstabilitybycommissioningetc,realizedthefunction.Keyword：Steppingmotor；AT89C51；Control目录II目录第一章绪论...............................................................11.1课题研究的目的和意义........................................11.2国内外的研究概括............................................11.3步进电机的发展..............................................1第二章步进电机和单片机简介.............................................52.1步进电机概述................................................52.1.1步进电机的概念.........................................52.1.2步进电机工作原理.......................................82.1.3步进电机的分类........................................102.2步进电机的驱动介绍..........................................102.3单片机的原理介绍...........................................112.3.1单片机的种类及主要组成................................112.3.2AT89C51简介..........................................13第三章系统整体硬件结构及设计........................................183.1系统原理图.................................................183.2电源设计...................................................193.3按键设计...................................................203.4驱动设计...................................................213.5状态指示设计...............................................223.6时钟设计...................................................22第四章系统软件设计.....................................................234.1系统主程序..................................................234.2按键程序设计...............................................244.3正、反转程序设计...........................................244.4加、减程序设计..............................................26第五章系统的调试记录..................................................285.1软件调试记录................................................285.2硬件调试记录................................................28第六章总结..............................................................306.1论文工作总结................................................306.2对后续工作的展望............................................30参考文献.........................................................31致谢.....................................................................33第一章绪论1第一章绪论1.1课题研究的目的和意义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（及步进角）。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它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，因此在打印机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。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，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。一般步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。（可以删除）1.2国内外的研究概括步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。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动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高2基于单片机步进电机控制系统一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，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。总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。1.3步进电机的发展步进电机最早在1920年由英国人开发，1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上．步进电动机的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关，产品按结构划分有磁阻式、永磁式和混合型等多种形式．近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）；还有五相10极50齿和一些转子10齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较的场合．驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透．步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYODENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的．我国对步进电动机的研究从