单片机的步进电机控制系统的设计(附件)
本文主要完成了一个基于单片机的步进电机控制系统的设计方案。整个系统由电源电路、时钟电路、复位电路、控制电路、驱动电路以及显示电路组成。控制系统采用AT89C51作为控制器，编写相应的软件程序，通过按键开关人工干预单片机，使单片机输出驱动步进电机所需要的脉冲信号，并由ULN2003A驱动芯片放大，可实现启动停止、正反转、加减速的功能。同时，通过四位共阳数码管可以显示转速，实现人机交互功能。控制系统采用Proteus进行仿真，仿真结果显示整个系统是比较稳定可靠的，有一定的实用性。关键词 步进电机，单片机，驱动控制，Proteus目 录
1 绪论 1
1．1 发展应用与前景1
1．2 国内外研究概况1
1．3 课题研究的目的和内容2
2 步进电机概述 2
2．1 结构与工作原理2
2.1.1 步进电动机的分类与结构2
2.1.2 步进电动机的工作原理3
2．2 通电方式4
2．3 步进电机的控制4
2.3.1 硬件环形分配器4
2.3.2 软件环形分配器5
3 单片机AT89C51概述 6
3．1 基本结构及原理6
3．2 引脚功能7
4 系统硬件电路设计 8
4．1 系统组成8
4．2 电源电路设计9
4．3 时钟电路设计9
4．4 控制电路设计10
4．5 复位电路设计10
4．6 显示电路设计11
4．7 驱动电路设计12
4．8 硬件总体实现12
5 系统软件程序设计13
5.1 按键处理程序14
5.2 脉冲控制程序15
5.3 数码管显示程序16
6 仿真及调试17
6.1 Keil μVision3编程软件使用方法17
6.2 Proteus仿真软件使用方法19
6.3 仿真过程 19
7 实物制作22
7．1 元件
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 5.1 按键处理程序14
5.2 脉冲控制程序15
5.3 数码管显示程序16
6 仿真及调试17
6.1 Keil μVision3编程软件使用方法17
6.2 Proteus仿真软件使用方法19
6.3 仿真过程 19
7 实物制作22
7．1 元件清单 22
7．2 电子元器件使用说明 23
7.2.1 ULN2003A驱动芯片23
7.2.2 四位一体共阳数码管 23
7.2.3 直插三极管9012 24
7.2.4 六脚自锁开关 25
7.2.5 四脚按键开关 25
7.2.6 其他注意事项 25
7．3 程序烧录 26
7．4 制作结果 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
1．1 发展应用与前景
目前，随着机械制造技术的发展以及控制技术的进步，交流电动机和直流电动机应用技术已经发展得较为成熟，在各个领域都有非常广泛的应用。但是，在科技迅速发展的今天，各种新兴技术的出现改变了传统的模式，步进电动机在某些领域内已经能够实现传统电机无法满足的控制要求，实现了替代和超越。因此，步进电动机作为第三类电机得到了非常广泛的应用，同时一系列具有各自特点的步进电动机控制系统应运而生，对电机技术的研究和发展有深刻的意义。
步进电动机的控制一般由两个因素决定：步进脉冲信号频率和脉冲数量，而不受其他因素（例如负载）的影响。同时,步进电动机的速度可以在较宽的范围内平滑调节，低速下仍能够获得大转矩，动态响应快，易于起停、正反转以及加减速，可以不用减速器而直接驱动负载等,这是步进电动机最突出的优点[1]。正是由于这些优点,步进电动机在某些方面的性能优于传统电机，并且价格相对较低，所以使用愈加广泛。随着工业技术的快速发展,步进电机的市场需求也稳步提升，在各个领域都有很好的发展前景[2]。
1．2 国内外研究概况
在步进电机的发展过程中，出现了具有代表性的三种控制方案：
（1）基于电子电路控制
通过电子元器件的动作来产生步进电动机转动所需要的脉冲信号，并完成分配以及放大整个过程。整个控制系统包含三个部分：脉冲信号产生、脉冲信号分配以及脉冲信号放大。系统框图如1-1所示。
图1-1 基于电子电路控制系统
此方案可应用于开环或者闭环控制系统，可靠稳定，但是功能相对单一，电路不能随意改动，因此不能满足不同的控制要求。
（2）基于PLC控制
可编程逻辑控制器，在工业自动化领域属于控制层，相当于一台没有I/O设备的计算机，工作环境要求较低，具有可靠的稳定性能但是价格较高。各类PLC一般都有各自的脉冲指令，根据手册发送自己需要的脉冲个数和频率就可以完成控制。此控制方案可以采用硬件或者软件环形脉冲分配器进行驱动。
但是，此方案并不适合控制步进电机在高转速下运行，存在着控制精度比较低的缺点[3]。
（3）基于单片机控制
单片机是芯片级计算机的表达，把一个计算机系统集成到一个芯片上，与计算机相比只是缺少了I/O设备，在系统中主要起到测量和控制的作用，其功能基本上能够满足控制系统的需要。
采用单片机驱动步进电机，可以直接利用单片机引脚去控制步进电动机的各相绕组，并且采用软件编程的方法以软件环形分配器代替硬件环形分配器，降低成本。采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,设计外围电路，自动实现复杂的控制要求,避免了失步、振荡对控制系统精度的影响,适用于多种相数步进电机,大大提高了接口电路的交互性、灵活性和通用性[4]。
1．3 课题研究的目的和内容
步进电动机作为第三类电机，在各个领域的应用越来越多，相应的控制技术也愈加成熟。单片机控制与电子电路控制相比较具有使用灵活性较高的特点，与PLC控制相比具有低成本、体积小的特点，因此基于单片机控制的设计具有一定的实际意义。本次设计中，采用AT89C51单片机驱动步进电动机, 实现其启动停止、正反转、加减速等各项功能。整个系统采还采用了人性化设计，具有显示功能，操作方便，工作可靠。
2 步进电机概述
2．1 结构与工作原理
2.1.1 步进电动机的分类与结构
步进电动机可以分为3大类：
（1）反应式步进电动机。转子中无绕组，由软磁材料制成。它的结构简单，成本低，步距角小但是动态性能较差。图2-1所示为三相反应式步进电动机。
1 绪论 1
1．1 发展应用与前景1
1．2 国内外研究概况1
1．3 课题研究的目的和内容2
2 步进电机概述 2
2．1 结构与工作原理2
2.1.1 步进电动机的分类与结构2
2.1.2 步进电动机的工作原理3
2．2 通电方式4
2．3 步进电机的控制4
2.3.1 硬件环形分配器4
2.3.2 软件环形分配器5
3 单片机AT89C51概述 6
3．1 基本结构及原理6
3．2 引脚功能7
4 系统硬件电路设计 8
4．1 系统组成8
4．2 电源电路设计9
4．3 时钟电路设计9
4．4 控制电路设计10
4．5 复位电路设计10
4．6 显示电路设计11
4．7 驱动电路设计12
4．8 硬件总体实现12
5 系统软件程序设计13
5.1 按键处理程序14
5.2 脉冲控制程序15
5.3 数码管显示程序16
6 仿真及调试17
6.1 Keil μVision3编程软件使用方法17
6.2 Proteus仿真软件使用方法19
6.3 仿真过程 19
7 实物制作22
7．1 元件
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 5.1 按键处理程序14
5.2 脉冲控制程序15
5.3 数码管显示程序16
6 仿真及调试17
6.1 Keil μVision3编程软件使用方法17
6.2 Proteus仿真软件使用方法19
6.3 仿真过程 19
7 实物制作22
7．1 元件清单 22
7．2 电子元器件使用说明 23
7.2.1 ULN2003A驱动芯片23
7.2.2 四位一体共阳数码管 23
7.2.3 直插三极管9012 24
7.2.4 六脚自锁开关 25
7.2.5 四脚按键开关 25
7.2.6 其他注意事项 25
7．3 程序烧录 26
7．4 制作结果 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
1．1 发展应用与前景
目前，随着机械制造技术的发展以及控制技术的进步，交流电动机和直流电动机应用技术已经发展得较为成熟，在各个领域都有非常广泛的应用。但是，在科技迅速发展的今天，各种新兴技术的出现改变了传统的模式，步进电动机在某些领域内已经能够实现传统电机无法满足的控制要求，实现了替代和超越。因此，步进电动机作为第三类电机得到了非常广泛的应用，同时一系列具有各自特点的步进电动机控制系统应运而生，对电机技术的研究和发展有深刻的意义。
步进电动机的控制一般由两个因素决定：步进脉冲信号频率和脉冲数量，而不受其他因素（例如负载）的影响。同时,步进电动机的速度可以在较宽的范围内平滑调节，低速下仍能够获得大转矩，动态响应快，易于起停、正反转以及加减速，可以不用减速器而直接驱动负载等,这是步进电动机最突出的优点[1]。正是由于这些优点,步进电动机在某些方面的性能优于传统电机，并且价格相对较低，所以使用愈加广泛。随着工业技术的快速发展,步进电机的市场需求也稳步提升，在各个领域都有很好的发展前景[2]。
1．2 国内外研究概况
在步进电机的发展过程中，出现了具有代表性的三种控制方案：
（1）基于电子电路控制
通过电子元器件的动作来产生步进电动机转动所需要的脉冲信号，并完成分配以及放大整个过程。整个控制系统包含三个部分：脉冲信号产生、脉冲信号分配以及脉冲信号放大。系统框图如1-1所示。
图1-1 基于电子电路控制系统
此方案可应用于开环或者闭环控制系统，可靠稳定，但是功能相对单一，电路不能随意改动，因此不能满足不同的控制要求。
（2）基于PLC控制
可编程逻辑控制器，在工业自动化领域属于控制层，相当于一台没有I/O设备的计算机，工作环境要求较低，具有可靠的稳定性能但是价格较高。各类PLC一般都有各自的脉冲指令，根据手册发送自己需要的脉冲个数和频率就可以完成控制。此控制方案可以采用硬件或者软件环形脉冲分配器进行驱动。
但是，此方案并不适合控制步进电机在高转速下运行，存在着控制精度比较低的缺点[3]。
（3）基于单片机控制
单片机是芯片级计算机的表达，把一个计算机系统集成到一个芯片上，与计算机相比只是缺少了I/O设备，在系统中主要起到测量和控制的作用，其功能基本上能够满足控制系统的需要。
采用单片机驱动步进电机，可以直接利用单片机引脚去控制步进电动机的各相绕组，并且采用软件编程的方法以软件环形分配器代替硬件环形分配器，降低成本。采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序,设计外围电路，自动实现复杂的控制要求,避免了失步、振荡对控制系统精度的影响,适用于多种相数步进电机,大大提高了接口电路的交互性、灵活性和通用性[4]。
1．3 课题研究的目的和内容
步进电动机作为第三类电机，在各个领域的应用越来越多，相应的控制技术也愈加成熟。单片机控制与电子电路控制相比较具有使用灵活性较高的特点，与PLC控制相比具有低成本、体积小的特点，因此基于单片机控制的设计具有一定的实际意义。本次设计中，采用AT89C51单片机驱动步进电动机, 实现其启动停止、正反转、加减速等各项功能。整个系统采还采用了人性化设计，具有显示功能，操作方便，工作可靠。
2 步进电机概述
2．1 结构与工作原理
2.1.1 步进电动机的分类与结构
步进电动机可以分为3大类：
（1）反应式步进电动机。转子中无绕组，由软磁材料制成。它的结构简单，成本低，步距角小但是动态性能较差。图2-1所示为三相反应式步进电动机。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/1588.html
