基于单片机小型步进电机控制系统的设计与实现(附件)【字数：10946】
摘 要步进电机作为机械执行中的重要组成部分，被广泛应用，随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求与日俱增。步进电机控制系统主要由控制器、功率放大器组成。本课题主要以单片机芯片为核心，设计并完成了步进电机的控制系统，采用STC89C51单片机控制小步进电机的转速与正反转，即步进电机的脉冲由I/O口的时间序列方波控制。通过软件编程和硬件的设计，完成了电路图的制作和Proteus仿真，并且实物可以正常演示。整个设计基本达到了任务书的要求，所有的外围硬件都有相应完善的软件控制程序，基本实现了步进电机的控制。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.1.1小型步进电机发展趋势 1
1.2课题研究意义 1
1.3课题研究内容 1
第二章 小型电机控制总系统设计 3
2.1系统概述 3
2.2系统设计要求 3
2.3系统方案论证 3
2.3.1主控芯片 4
2.3.2步进电机 5
2.3.3步进电机工作原理 6
2.3.4步进电机驱动 7
第三章 小型步进电机控制电路设计 9
3.1硬件总电路构成 9
3.2 C51芯片最小系统 9
3.3键盘控制模块 10
3.4数码管驱动显示模块 11
3.5步进电机驱动模块 11
第四章 小型步进电机控制程序分析与设计 13
4.1程序设计思路 13
4.2主程序流程图 13
4.3程序流程图 13
4.3.1按键扫描和处理 13
4.3.2速度显示 14
4.3.3电机控制 13
第五章 系统调试与改进 15
5.1硬件电路制作与调试 15
5.2软件调试 16
5.3仿真设计结果 17
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
附录A 电路原理图 24
附录B 仿真原理图 25
附录C 硬件电路焊接图 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
26
附录D 源程序 26
绪论
1.1 课题背景
步进电机又称脉冲电机或步进电动机，是现代数字控制技术中的鼻祖。在今天的制造大数据时代，步进电机越来越趋向于小型化发展，同时内部功能也在不断完善，并未因变小而功能相对减少。而且小型步进电机的应用领域也越来越广阔，工业自动控制、机器人、数控机床甚至定位系统中都有被它征服的趋势。因此小型步进电机的控制方式也随之被提出了更高的要求。
小型步进电机发展趋势
虽然小型步进电机的种类繁多,但按照日常使用的频率，可将其主要划分为反应式电机、混合式电机、永磁式电机三种主要品种。如果线圈内部的线圈数量将分为两个阶段，四个阶段和五个相等的部分。因步进电机的精度不会产生累积差，是以在精确度较高的装置中，不需位移传感器的存在就可使用。步进电机最有发展前途的是混合型。融合永磁式和反应式两者最佳性能的混合式，在实现动态大力矩输出的同时，步距角也处于较小的范围，为了将精度控制发挥的淋漓尽致，混合式又被以二相和五相区分。电路如其名，五相的驱动电路比二相步进电机在控制精度方面更为稳定精准，是以五相步进电机的价格也较贵些；鉴于步进电机也在趋于小型化系统发展，且性价比也在不断优化，因此本课题在基于单片机的基础上，跟随经济市场的脚步，步进电机的控制系统也向小型化转变。小型步进电机在普通状态下不能直接运行，虽然它很受青睐，但是它必须由脉冲信号、功率驱动电路、控制电路等结合在一起才能发挥作用。是以用好小型步进电机并不容易，它在将电子技术、驱动技术融为一体的同时，还广泛的涉及了计算机、机械等领域的相关应用知识。
1.2 课题研究意义
小型步进电机是基于数字输入脉冲信号进行控制，将脉冲信号转换成一定数值的角位移或线位移的开环电磁驱动元件。通过改变输入脉冲信号来控制步进电机在宽的频率范围内的速度和位置，其位置开环控制和速度开闭环控制是一种较为廉价、可靠的特性。同时，可以通过了解相关技术知识，使小电机控制和单片机知识应用得到了很好的应用。
1.3 课题研究内容
本文所选用的步进电机为四相步进电机。其主要控制装置是利用单片机实现步进电机。作为将数字脉冲转换成角位移的电磁驱动器。在实际应用中可通过单片机将多个编码还有脉冲发送给步进电机，接着通过切换每相线圈中流经的电流来实现步进电机的位置或速度的变化。驱动电路将单片机的输出脉冲加大，实现反相的同时，调节脉冲信号的输出功率即可实现小型步进电机的运行。本次课题要完成对小型步进电机的选型及相关信号电路的设计，包括电机驱动电路、速度检测等电路进行连接。即以单片机为核心的控制，利用其强大的功能，设计了一个小型步进电机控制系统。
本系统采用STC89C51作为控制核心，利用接口芯片连接单片机端口，完成小型步进电机对象转速的开闭环控制，以及位置的开环控制。通过按钮实现对小电机的旋转方向和转速的控制，并在数字管上动态显示电机的工作状态。具体研究内容包括：
1.设计电路模拟小型步进电机的运行；
2.小型步进电机系统硬件电路组成及其原理；
3.单片机与小型步进电机扩展电路的接口的设计实现；
4.小型步进电机的主控核心及构成电路系统软件设计（C语言程序的编写）；
5.整体系统的调试与分析，即硬件实物功能的具体实现。
第二章 小型电机控制总系统设计
2.1 系统概述
本次设计是以 STC89C51单片机为核心，利用其灵活的I/O 接口结合外围电路以及与之配套的C语言程序进行配合控制模拟小型步进电机的运行。通过单片机输出信号控制四相电机，软件和硬件的联合实现电机的启停、正转、反转、加速、减速功能的同时，控制电机转速的开闭环和位置的开环状态。系统必须有驱动器和控制器才能工作。
2.2 系统设计要求
小型步进电机速度方面开闭环控制、位置方面开环控制，开环控制就是给一个设定值，实际是什么情况在硬件设计中不需管制。例如，让它变成50度，不管它是否变成50度。步进电机要转90°，发多少个编码、脉冲给它，它应该转到90°，接着通过实际测量，有没有转到90°，如果没有的话，要根据偏差的正负值给一个修正的脉冲数。比如说原先给100个脉冲，应该能转90°，但现在没有转到，那可能要120个脉冲才转90°，是以就需要做好修正，这就是开环控制；闭环控制就是要把它转的脉冲数拿下来以后跟之前的设定值进行比较，接着根据误差进行调整，把这个频率调快还是调慢，这是速度的开闭环控制。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.1.1小型步进电机发展趋势 1
1.2课题研究意义 1
1.3课题研究内容 1
第二章 小型电机控制总系统设计 3
2.1系统概述 3
2.2系统设计要求 3
2.3系统方案论证 3
2.3.1主控芯片 4
2.3.2步进电机 5
2.3.3步进电机工作原理 6
2.3.4步进电机驱动 7
第三章 小型步进电机控制电路设计 9
3.1硬件总电路构成 9
3.2 C51芯片最小系统 9
3.3键盘控制模块 10
3.4数码管驱动显示模块 11
3.5步进电机驱动模块 11
第四章 小型步进电机控制程序分析与设计 13
4.1程序设计思路 13
4.2主程序流程图 13
4.3程序流程图 13
4.3.1按键扫描和处理 13
4.3.2速度显示 14
4.3.3电机控制 13
第五章 系统调试与改进 15
5.1硬件电路制作与调试 15
5.2软件调试 16
5.3仿真设计结果 17
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
附录A 电路原理图 24
附录B 仿真原理图 25
附录C 硬件电路焊接图 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
26
附录D 源程序 26
绪论
1.1 课题背景
步进电机又称脉冲电机或步进电动机，是现代数字控制技术中的鼻祖。在今天的制造大数据时代，步进电机越来越趋向于小型化发展，同时内部功能也在不断完善，并未因变小而功能相对减少。而且小型步进电机的应用领域也越来越广阔，工业自动控制、机器人、数控机床甚至定位系统中都有被它征服的趋势。因此小型步进电机的控制方式也随之被提出了更高的要求。
小型步进电机发展趋势
虽然小型步进电机的种类繁多,但按照日常使用的频率，可将其主要划分为反应式电机、混合式电机、永磁式电机三种主要品种。如果线圈内部的线圈数量将分为两个阶段，四个阶段和五个相等的部分。因步进电机的精度不会产生累积差，是以在精确度较高的装置中，不需位移传感器的存在就可使用。步进电机最有发展前途的是混合型。融合永磁式和反应式两者最佳性能的混合式，在实现动态大力矩输出的同时，步距角也处于较小的范围，为了将精度控制发挥的淋漓尽致，混合式又被以二相和五相区分。电路如其名，五相的驱动电路比二相步进电机在控制精度方面更为稳定精准，是以五相步进电机的价格也较贵些；鉴于步进电机也在趋于小型化系统发展，且性价比也在不断优化，因此本课题在基于单片机的基础上，跟随经济市场的脚步，步进电机的控制系统也向小型化转变。小型步进电机在普通状态下不能直接运行，虽然它很受青睐，但是它必须由脉冲信号、功率驱动电路、控制电路等结合在一起才能发挥作用。是以用好小型步进电机并不容易，它在将电子技术、驱动技术融为一体的同时，还广泛的涉及了计算机、机械等领域的相关应用知识。
1.2 课题研究意义
小型步进电机是基于数字输入脉冲信号进行控制，将脉冲信号转换成一定数值的角位移或线位移的开环电磁驱动元件。通过改变输入脉冲信号来控制步进电机在宽的频率范围内的速度和位置，其位置开环控制和速度开闭环控制是一种较为廉价、可靠的特性。同时，可以通过了解相关技术知识，使小电机控制和单片机知识应用得到了很好的应用。
1.3 课题研究内容
本文所选用的步进电机为四相步进电机。其主要控制装置是利用单片机实现步进电机。作为将数字脉冲转换成角位移的电磁驱动器。在实际应用中可通过单片机将多个编码还有脉冲发送给步进电机，接着通过切换每相线圈中流经的电流来实现步进电机的位置或速度的变化。驱动电路将单片机的输出脉冲加大，实现反相的同时，调节脉冲信号的输出功率即可实现小型步进电机的运行。本次课题要完成对小型步进电机的选型及相关信号电路的设计，包括电机驱动电路、速度检测等电路进行连接。即以单片机为核心的控制，利用其强大的功能，设计了一个小型步进电机控制系统。
本系统采用STC89C51作为控制核心，利用接口芯片连接单片机端口，完成小型步进电机对象转速的开闭环控制，以及位置的开环控制。通过按钮实现对小电机的旋转方向和转速的控制，并在数字管上动态显示电机的工作状态。具体研究内容包括：
1.设计电路模拟小型步进电机的运行；
2.小型步进电机系统硬件电路组成及其原理；
3.单片机与小型步进电机扩展电路的接口的设计实现；
4.小型步进电机的主控核心及构成电路系统软件设计（C语言程序的编写）；
5.整体系统的调试与分析，即硬件实物功能的具体实现。
第二章 小型电机控制总系统设计
2.1 系统概述
本次设计是以 STC89C51单片机为核心，利用其灵活的I/O 接口结合外围电路以及与之配套的C语言程序进行配合控制模拟小型步进电机的运行。通过单片机输出信号控制四相电机，软件和硬件的联合实现电机的启停、正转、反转、加速、减速功能的同时，控制电机转速的开闭环和位置的开环状态。系统必须有驱动器和控制器才能工作。
2.2 系统设计要求
小型步进电机速度方面开闭环控制、位置方面开环控制，开环控制就是给一个设定值，实际是什么情况在硬件设计中不需管制。例如，让它变成50度，不管它是否变成50度。步进电机要转90°，发多少个编码、脉冲给它，它应该转到90°，接着通过实际测量，有没有转到90°，如果没有的话，要根据偏差的正负值给一个修正的脉冲数。比如说原先给100个脉冲，应该能转90°，但现在没有转到，那可能要120个脉冲才转90°，是以就需要做好修正，这就是开环控制；闭环控制就是要把它转的脉冲数拿下来以后跟之前的设定值进行比较，接着根据误差进行调整，把这个频率调快还是调慢，这是速度的开闭环控制。
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