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1、摘要本文应用单片机、步进电机驱动芯片和键盘阵列，构建了步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。在此期间还要用到Proteus软件进行程序的仿真和功能的理论验证。并且阐述了步进电动机转速、角度、转矩的控制原理，并通过实验实现了对其的控制。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。关键字: 步进电机控制系统；单片机；步进电动机；控制器目录摘 要I第1章 步进电机原理1
2、1.1 步进电机原理及控制技术1 1.2 步进电机总体设计方案2第2章 设计原理与分析4 2.1 步进电机的介绍4 2.2 AT89C51单片机简介5第3章 电路设计6 3.1 控制电路设计6 3.2 最小系统电路设计6 3.3 驱动电路设计7第4章 程序设计8 4.1 系统主程序设计8 4.2 中断程序设计9第5章 系统仿真10 5.1 绘制电路原理图10 5.2 系统仿真10第6章 总结13参考文献15致谢16附录17第章 步进电机原理1.1 步进电机原理及控制技术 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper ser
3、vo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电
4、机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。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。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系
5、统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机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
6、工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应
7、一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现PC机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就
8、是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实
9、现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。1.2 步进电机总体设计方案单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺序有关。同时单片机系统还负责
10、处理来自电机驱动电流检测模块检测到的电流值。与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向，以及电流检测模块检测到的电机驱动的电流通过数码管显示出来。电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里面编写好的程序下载到单片机芯片当中。数码管显示模块就主要是显示电机转速，电机转向，和通过电机的电流等系统的实时信息。电机驱动电流检测模块主要是检测通过电机驱动芯片的电流，然后通过运放将检测到的信号放大，最后将放大后的信号通过模数转换芯片处理后送给单片机。独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机
11、的正转，反转，加速，减速，显示电机电流等功能。采用了中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成了对步进电机的最佳的及时的控制。89C51单片机步进电机驱动电路复位电路按键控制电路图1.0 整体设计方案第2章 设计原理与分析2.1 步进电机的介绍步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最
12、佳控制。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每
13、来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。通过电磁感应定律我们很容易知道激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图2.0所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。图2.0 激励线圈产生电磁场2.2 AT89C51单片机介绍Atmel公司生产的89C51单
14、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Flash 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。其芯片引脚分布图如图2.1所示。 图2.1 89C51单片机引脚分布图第3章 电路设计本设计的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路三大部分。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应
15、的工作需要进行操作。最小系统主要是为了使单片机正常工作。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。3.1 控制电路设计根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制按钮，分别是S1、S2、S3，控制电路如图3-1所示。该电路控制电机正转和反转主要是通过S1、S2的断开和闭合，从而控制步进电机进行转动。 图3-1 控制电路 3.2 最小系统电路设计单片机最小系统是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。最小系统电路如图3-2所示。复位电路：复位电路采用上电复位，使单片机进入复位状态，晶振电路用
16、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。晶振电路：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。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。3.3 驱动电路设计驱动电路图如图3-3所示。通过单片机的P0.0P0.3输出脉冲到L298的IN1IN4口，经信号放大后从2、3、13
17、、14口分别输出到电机。 图3-2 最小系统 图3-3 驱动电路第4章 程序设计4.1 系统主程序设计 此次程序根据寄存器R1中的值进行判断，当R1=1时，调用正转子程序，步进电机正转；当R1=2时，调用反转子程序，步进电机反转；当R1=3时，调用停止子程序，步进电机停止转动。主流程图如图4-1所示。开始系统初始化R1=1？调用正转子程序 Y N 调用反转子程序R1=2？ Y N调用停止子程序R1=3？ Y N 图4-1 主程序图4.2 中断程序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
18、用定时器重复中断一定次数产生的，即调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、发下一个脉冲的频率，以及保存当前的各种状态。程序流程图如图4-2所示。中断入口保护现场是否开始转动？ N Y 读取方向指示 发送中断重置相关状态恢复现场中断返回图4-2 中断程序流程图第5章 系统仿真5.1 绘制电路原理图步进电机电路原理图如图5-1所示。 图5-1 步进电机电路原理图5.2 系统仿真二相四拍步进电机的系统仿真图如图5-2、5-3、5-4所示。其中图5-2为步进电机未启动时的仿真图形，图5-3为步进电机正转时的仿真图形，图5-4为步进电机反转时的仿
19、真图形。 图5-2 步进电机未启动仿真图 图5-3 步进电机正转仿真图图5-4 步进电机反转仿真图 第6章 总结通过此次课程设计，我感觉到了和同伴相互合作的重要性，在此过程中也加强了我和同学间的相互交流与合作，我也学到了很多在课堂上学不到的知识，大大的增加了我的王知识面。在此过程中我不仅学会了怎样设计步进电机控制器，而且还深深的体会到编好一个程序是一件非常有意义的事。此次的单片机课程设计是采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和数码管显示电路，电机驱动电路，电机电流检测电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的简单系统。我觉得编程不仅需要信心，还需要耐心，更需要团队合作之心
20、，有了这些还不够，我们应该从实践出发，并从实践得到检验，不懂就要问，虚心请教才是解决问题的好方法。最后我要感谢老师给了我这次设计的机会，让我知道了团队合作原来如此重要，并且感受到单片机原来也很奇妙，编程之路有点苦，但有我们团队一起走过的痕迹，我最后发现这是甜的味道！课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事
21、职业工作前一个必不少的过程“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高。提高了编程能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体现出自己综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。通过系统的设计实现了预期的设计目标，完成了全部的设计任务，具体功能如下：完成了整个系统的硬件设计和软件编程，能
22、通过键盘电路控制步进电机的转速控制，能实现启动、正转、反转、加速、减速控制，整个的成果形式是最终以步进电机控制电路板的形式展示出来了。在本次设计中更多的是注重整体功能的实现，注重的是操作简单，所以本系统采用了开环控制的方式，电机也是选用的最常用的反应式步进电机。通过在本设计中的学习和查阅资料，想要得到更高性能的控制，可以选用混合式步进电机，采用闭环的细分驱动电路。虽然课程设计的时间不长，但在此过程中我学到了很多，在以后的学习以及课程设计中我会更有经验，通过在这方面的练习，我相信对我的未来一定会有很大的帮助，我很享受设计的过程，感谢老师给我这次机会！参考文献1 赵晶.Protel99高级应用M.
23、人民邮电出版社, 2006.2 谷树忠.Protel DXP实用教程M.电子工业出版社，2003.3 刘湘涛、江世民.单片机原理与应用M.电子工业出版社, 2006.4 孙育才. ATMEL新型AT89S51系列单片机及其应用M.清华大学出版社,2005.5 李华MCU-51系列单片机实用接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，19936 张迎新、雷道振.单片机初级教程M.北京航天航空大学出版社, 2006.致谢通过这个课程设计的完成，我要衷心感谢我的指导老师刘伟春和我的同伴韩琪，在论文成稿期间，无论在选题上，还是资料的应用上，我的同伴都给了我很大的帮助，刘老师也给予我耐心细致的教导，在论文研
24、究及撰写过程中，刘老师都提出了许多宝贵意见，我学到了更多除了单片机以外的丰富知识，使我的综合能力得到了提升。老师严谨的治学态度，一丝不苟的敬业精神，诲人不倦的高尚师德，为我树立了做人、做事的楷模，对我以后的学习、工作以及今后的人生之旅都将产生深远的影响。在此，向在各方面给予我帮助的教师、同学表示衷心的感谢。论文中的很多材料取于相关书籍和互联网，也向相关资料的作者表示衷心的感谢。由于我的能力有限，所以会有一些错误，请各位老师批评指正，感谢各位老师。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题
25、。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。附 件程序如下： ORG 0000H AJMP START ORG 000BH LJMP ZD ORG 0030H START: SETB EX0 SETB IT0 SETB EA MOV R1,#00H MOV R2,#1 MOV P0,#00H LP0:CJNE R1,#1,LP1 LCALL ZHENG LP1:CJNE R1,#2,LP2 LCALL FAN LP2:CJNE R1,#3,LP0 LCALL TING LJMP LP0 ZD:MOV R1,#1 JNB P3.5,LP
26、3 INC R1 JNB P3.6,LP3 INC R1 LP3:RETI TING: MOV P0,#00H RET ZHENG:MOV A,R2 RL A CJNE A,#10,LP4 MOV A,#1 LP4: MOV P0,A MOV R2,A LCALL DELAY RET FAN: MOV A,R2 RR A CJNE R2,#80H,LP5 MOV A,#8 LP5: MOV P0,A MOV R2,A LCALL DELAY RET DELAY: MOV R5,#0FFH D1: MOV R6,#0FFH D2: MOV R7,#010H D3: DJNZ R7,D3 D4: DJNZ R6,D4 DJNZ R5,D1 RET
