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1、中国地质大学（北京）机电工程现代设计方法结课论文基于单片机的步进电机控制系统院（系）： 工程技术学院 专 业： 机械工程 姓 名： 王程 学 号： 2102130007 基于单片机的步进电机控制系统王程（工程技术学院 2102130007）摘要：随着科学技术的快速发展，社会对产品的要求也越来越高。各种精密器件需求增加，这就使得我们对制造产品的机器要求越高。而步进电机恰好有运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩和控制误差小的特点。步进电机必将会在国民生产起到越来越大的作用。根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进
2、电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。 关键词：单片机；控制系统；步进电机1. 步进电机原理及控制技术 步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机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
3、反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。 正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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中。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。近年来由于微型计算机技术的快速发展，使步进电机的控制系统发生变革。由于步进电机的优点突出，它被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统
4、中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。2 设计原理2.1总体设计方框图总体设计方框图如图所示2.2 元器件介绍（1）步进电机 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。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。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位
5、移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。 四相步进电机的工作原理 该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径
6、的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。 步进电机的静态指标及术语 相数：产生不同队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ABBCCDDAAB,四相八拍运行方式即AABBBCCCDDDAA。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（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。四相运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度。
7、定位转矩：电机在不通电的状态下，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）。静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 四相步进电机的脉冲分配规律 目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，
8、双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序 与波形分别如图1 a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。（2）89C51单片机 Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flas
9、h ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。2.3方案论证从该系统的设计 要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线盒一根启动信号线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选步进电机，该电机共有四相绕组，工作电压为+5V，可以个单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组用P1口的P1.0P1.
10、3控制，由于P1口驱动能力不够，因而用一片2803增加驱动能力。用P0口控制第一数码管用于显示正反转，用P2口控制第二个数码管用于显示转速等级。数码管采用共阳的。3 硬件设计本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。（1）控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图4所示
11、。通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P1.0和P1.1的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。图4 控制电路原理图
12、（2）最小系统 单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。复位电路：使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。该设计要求只需4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了6路独立式键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用30PF的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。如图5示。晶振电路：8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚XTAL1和XTAL2外
13、部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图5示。其电容值一般在530pf,晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。图5 复位及时钟振荡电路（3）驱动电路通过ULN2803构成比较多的驱动电路，电路图如图6所示。通过单片机的P1.0P1.3输出脉冲到ULN2803的1B4B口，经信号放大后从1C4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。图6 步进电机驱动电路（4）显示电路在该步进电机的控制器中
14、，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。第一个数码管接的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P0.0P0.7口，用于显示电机正反转状态，正转时显示“1”，反转时显示“一”，不转时显示“0”。第二个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P2.0P2.7口，用于显示电机的转速级别，共七级，即从17转速依次递增，“0”表示转速为零。电路如图7所示。图7 显示电路（5）总体电路图 把各个部分的电路图组合成总电路图，如图8所示。图8 总体电路图4 软件设计通过分析可以看出，实现系统功能
15、可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0和外部中断1部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。（1）主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需
16、要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均设为0，就意味着步进电机按四相单四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0”，速度值显示“0”，主程序流程图如图9所示。开 始初 始 化速度值为0？启动开关为0？停止计时器显 示启动计时器延 时停止计时器图9 主程序流程图YNYN（2）定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调
17、节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图10所示。中断返回T0中断入口发速度脉冲读方向指示重送相关状态恢复现场保护现场中断次数-1=0？NY图10 定时中断程序流程图（3）外部中断设计 外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为原数据，当值等于7时，不改变原数值返回，小于7时，数据加1后返回；速度减少按钮S3，当原数据不为0，减1保存数
18、据，原数据为0则保持不变。程序流程图如图11所示。外部中断入口保护现场延时去抖中断返回速度值1恢复现场速度=上或限值？按钮是否弹起？NNNYY图11 外部中断程序流程图5.总结本设计通过分析步进电机结构、工作原理，查阅步进电机控制系统的相关科技文献，遵循实用、简单、可靠和低成本的原则，设计了一种既可用于精度要求不高，但控制需完备的场合。对本次设计，有以下结论：（1）采用单片机为控制核心，利用其强大的功能，把键盘和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便、交互性强的控制系统。而且整个系统所包含的技术几乎包括了现本科学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效果。（2）键盘电路和显示电路采用
19、了动态扫描技术，节约了单片机资源。（3）系统软件采用结构化设计，具有易维护性，根据用户新的要求，对软件系统进行少量的修改，使系统功能得到一定程度的提高。6.结束语由于我理论与经验不足，难免有许多考虑不周全的地方，系统的应用讨论不够，精度还有待于进一步提高。由于时间的原因，设备的原因，实验做的不好不够，相关验证性的数据、信息不够丰富。可以肯定，随着技术的不断发展，步进电机的控制应用前景将越来越宽阔，而其控制系统也将向着智能化和网络化的方向发展。本论文的研究和探讨还远远不够，我们要在现在的基础上，不断吸取新的技术和方法，并将它们应用于本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取有更多的收获。7.参考文献1何利民.单片机高级教程-应用与设计（第2版）M.北京航空航天大学出版社，2007.2吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用M.人民邮电出版社，2003.3李晓菲，胡泓，王炜，程云涛.步进电机加减速控制规律J.机电产品开发与创新，2006 01(12):15-18. 4周明安，朱光忠，宋晓华，肖建军.步进电机驱动技术及发展现状J.机电工程技术2005 02（5）：19-21.5王晓明，电动机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社，2002.
