基于单片机的步进电机控制系统设计【字数：11916】
摘 要步进电机与单片机两者可以说是与我们的生活非常贴切的应用技术。步进电机是一种基于脉冲信号的执行元件，是数字控制系统中非常重要的组成部分，它能够按照脉冲信号的占空比大小转变转速与方向。单片机是一种集成电路芯片，其具有高效的运算能力，中断系统，计数器等多种功能，是一种小型计算机系统。本文将以单片机作为脉冲信号的发生器，外围的控制电路来控制单片机产生的脉冲波形占空比大小以控制步进电机的加减速、正反转以及停转。单片机方面我们选择了STC89C52单片机芯片，该芯片价格便宜易于控制且功能强大适合该设计的需求，但是由于其本身并不具有脉宽调制模块，所以其需要使用计数器定时来产生所需要需要的脉宽波形。外围的电路还包括了步进电机电机的驱动，在这里我选择了L293D电机驱动芯片用以驱动步进电机的运动。LCD屏幕方面我使用了LCD1602液晶屏，该液晶屏在本次设计中主要被用于显示电机的转速。按钮模块我选择了矩阵键盘，作为用户输入电机转速的输入窗口用以实现人机交互的功能。软件方面我们使用了Keilc51作为开发软件的工具，这是一种专为51系列单片机制作的开发工具，具有51系列的所有芯片的头文件是一种适合51系列单片机开发的专用软件。
目 录
第一章 引言1
1.1单片机控制步进电机系统概述1
1.2课题的主要研究内容1
1.3本章小结1
第二章 步进电机控制系统的设计方案2
2.1系统组成2
2.2步进电机2
2.3单片机5
2.4控制的过程7
2.5本章小结7
第三章 系统硬件设计8
3.1硬件电路图8
3.2STC89C52RC芯片介绍9
3.3晶振10
3.4 28BYJ48步进电机12
3.5 L293D电机驱动芯片13
3.6矩阵键盘14
3.7 LCD1602液晶屏16
3.8本章小结17
第四章 系统软件设计18
4.1系统软件功能分析18
4.2软件功能设计19
4.3本章小结22
第五章 实物结果与分析23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
/> 5.1实物图23
5.2测试23
结束语26
致谢27
参考文献28
附录A29
附录B30
引言
1.1单片机控制步进电机系统概述
步进电机是一种简单易于使用的数字电机，其最早由英国于上世纪20年代发明，而由于晶体管的出现其使得数字化控制变得更加的易于实现，步进电机于上世纪50年代获得了飞速的发展，而随着时代的变迁步进电机也变得具备了更高的定位精度、更快的响应速度等性能，使得步进电机在当代生产过程中被广泛的应用在自动化、高效率、低成本的自动化生产设备中。而且步进电机还是一种不用速度传感器或位置传感器就可以实现定位功能的优秀电机，即使在开环工作状态下其也可以实现控制要求，这使得其在小型化、低成本的生产中得到了广泛的应用如：计算机外围电路、自动化生产车间、数控机床等领域。
步进电机是将电脉冲转换成角位移或线位移的一种数字电路执行元件。也就是说当步进电机接收到一个电脉冲信号，它就会按照设定的方向去位移一个角度或一段距离。
对于步进电机的控制系统来说，我们总是希望其可以在最短的时间之内完成工作需求，这就需要步进电机运行在高速状态下，但是步进电机工作速度太快就容易产生失步。不仅如此，步进电机的启动频率对比于其最大空载频率相对较低。根据步进电机的矩频特性可知启动频率越高，转矩就越小，这就导致带负载能力的下降。而步进电机的工作频率又远远大于其启动频率，这就导致了如果直接进入工作频率，步进电机的升速过高容易产生失步、堵转以及超调。所以步进电机不能直接进入工作状态，需要一个启动加速阶段，同理减速也需要一个停转减速阶段。
1.2课题主要的研究内容
以了解并完成基于单片机的步进电机控制为本设计的主要目标，其主要内容有：
单片机、步进电机的工作原理。
单片机、步进电机的连接方式与控制方法。
根据连接方式与控制方法选择驱动电路、交互界面；本文主要的开发电路为STC89C52RC芯片为核心开发的LY5AL3A开发版，主要的驱动电路为其内置的L293D电机驱动芯片，主要的交互由LCD1602、按钮矩阵完成。
编写实现步进电机控制软件。
1.3本章小结
本章节主要讲述了单片机控制步进电机的背景，本文的研究内容。
步进电机控制系统的设计方案
2.1系统组成
本系统的核心为单片机芯片，其主要用来实现控制系统的脉冲控制信号的产生（用以控制步进电机的动作）、按钮输入的交互、LCD屏幕显示的功能。系统框架如图22所示：
图21 系统框架图
2.2步进电机
2.2.1步进电机的控制原理
步进电机的转子通常为磁性材料，当电流经过电机的定子绕组时，定子绕组会产生一个矢量磁场，从而带动电机的转子使其旋转与磁场相对应的步距角度，而这时转子与定子缠身的磁场方向相同。当定子所产生的磁场旋转一个角度时，受到磁场的作用电机的转子也会跟着磁场转动一个角度。所以每当步进电机接受到一个电脉冲，电机就会根据定子的方向前进一个角度。步进电机前进角度的多少与电机接收到的脉冲数、步距脚成正比，步进电机的转速与它接受到的脉冲频率成正比。并且我们可以通过修改PWM的相位关系从而更改步进电机绕组通电的顺序来控制步进电机的正反转。
2.2.2步进电机的结构
步进电机也被叫做步进器，是一种能将电信号转换成角位移的执行元件。其按照结构来划分主要可以分为三种：
永磁式步进电机：这种电动机的定转子的轴向被均分为两段，其中间由磁屏蔽材料隔开，轴向两段交汇处叉开一个步距角，均由定子和转子以及套在定子外的一个绕柱共同组成。定子内孔的上的极片为爪形用以完成对称排列，在外部并绕串联两组反向的环形绕组，定子的两段环形磁钢同向同轴联结径向充磁。
反应式步进电机：这种电动机的转子为软磁材料着很多均匀分布着的小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其的轴线与转子齿的轴线被依次错开。电机的速度与位置由电脉冲的数量和其频率成对应关系。而方向则由导电的顺序决定。
混合式步进电机：混合式步进电具有了以上两个步进电机的各自的结构优势。其定子和转子有着均匀分布着的小齿，用以提高步矩的精确性。定子的构造为铜制绕组，转子的结构为永磁体。其优点为输出的力矩大、步距角小、动态性能好等，但由于其设计成本较高，一般来说只适用于需要高精度的场合。
2.2.3步进电机的特性
一般来说步进电机的精度为步进角的35%。
步进电机的外壳允许最高温度。
由于步进电机温度过高时会使得电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降甚至于产生失步，因此电机外壳允许的最高温度取决于电机磁性材料的退磁点。一般情况来讲，电机使用的磁性材料退磁点都处于130摄氏度以上，有的甚至达到200摄氏度以上，所以说步进电机外壳的温度在摄氏在在100度以下都是正常的。
目 录
第一章 引言1
1.1单片机控制步进电机系统概述1
1.2课题的主要研究内容1
1.3本章小结1
第二章 步进电机控制系统的设计方案2
2.1系统组成2
2.2步进电机2
2.3单片机5
2.4控制的过程7
2.5本章小结7
第三章 系统硬件设计8
3.1硬件电路图8
3.2STC89C52RC芯片介绍9
3.3晶振10
3.4 28BYJ48步进电机12
3.5 L293D电机驱动芯片13
3.6矩阵键盘14
3.7 LCD1602液晶屏16
3.8本章小结17
第四章 系统软件设计18
4.1系统软件功能分析18
4.2软件功能设计19
4.3本章小结22
第五章 实物结果与分析23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
/> 5.1实物图23
5.2测试23
结束语26
致谢27
参考文献28
附录A29
附录B30
引言
1.1单片机控制步进电机系统概述
步进电机是一种简单易于使用的数字电机，其最早由英国于上世纪20年代发明，而由于晶体管的出现其使得数字化控制变得更加的易于实现，步进电机于上世纪50年代获得了飞速的发展，而随着时代的变迁步进电机也变得具备了更高的定位精度、更快的响应速度等性能，使得步进电机在当代生产过程中被广泛的应用在自动化、高效率、低成本的自动化生产设备中。而且步进电机还是一种不用速度传感器或位置传感器就可以实现定位功能的优秀电机，即使在开环工作状态下其也可以实现控制要求，这使得其在小型化、低成本的生产中得到了广泛的应用如：计算机外围电路、自动化生产车间、数控机床等领域。
步进电机是将电脉冲转换成角位移或线位移的一种数字电路执行元件。也就是说当步进电机接收到一个电脉冲信号，它就会按照设定的方向去位移一个角度或一段距离。
对于步进电机的控制系统来说，我们总是希望其可以在最短的时间之内完成工作需求，这就需要步进电机运行在高速状态下，但是步进电机工作速度太快就容易产生失步。不仅如此，步进电机的启动频率对比于其最大空载频率相对较低。根据步进电机的矩频特性可知启动频率越高，转矩就越小，这就导致带负载能力的下降。而步进电机的工作频率又远远大于其启动频率，这就导致了如果直接进入工作频率，步进电机的升速过高容易产生失步、堵转以及超调。所以步进电机不能直接进入工作状态，需要一个启动加速阶段，同理减速也需要一个停转减速阶段。
1.2课题主要的研究内容
以了解并完成基于单片机的步进电机控制为本设计的主要目标，其主要内容有：
单片机、步进电机的工作原理。
单片机、步进电机的连接方式与控制方法。
根据连接方式与控制方法选择驱动电路、交互界面；本文主要的开发电路为STC89C52RC芯片为核心开发的LY5AL3A开发版，主要的驱动电路为其内置的L293D电机驱动芯片，主要的交互由LCD1602、按钮矩阵完成。
编写实现步进电机控制软件。
1.3本章小结
本章节主要讲述了单片机控制步进电机的背景，本文的研究内容。
步进电机控制系统的设计方案
2.1系统组成
本系统的核心为单片机芯片，其主要用来实现控制系统的脉冲控制信号的产生（用以控制步进电机的动作）、按钮输入的交互、LCD屏幕显示的功能。系统框架如图22所示：
图21 系统框架图
2.2步进电机
2.2.1步进电机的控制原理
步进电机的转子通常为磁性材料，当电流经过电机的定子绕组时，定子绕组会产生一个矢量磁场，从而带动电机的转子使其旋转与磁场相对应的步距角度，而这时转子与定子缠身的磁场方向相同。当定子所产生的磁场旋转一个角度时，受到磁场的作用电机的转子也会跟着磁场转动一个角度。所以每当步进电机接受到一个电脉冲，电机就会根据定子的方向前进一个角度。步进电机前进角度的多少与电机接收到的脉冲数、步距脚成正比，步进电机的转速与它接受到的脉冲频率成正比。并且我们可以通过修改PWM的相位关系从而更改步进电机绕组通电的顺序来控制步进电机的正反转。
2.2.2步进电机的结构
步进电机也被叫做步进器，是一种能将电信号转换成角位移的执行元件。其按照结构来划分主要可以分为三种：
永磁式步进电机：这种电动机的定转子的轴向被均分为两段，其中间由磁屏蔽材料隔开，轴向两段交汇处叉开一个步距角，均由定子和转子以及套在定子外的一个绕柱共同组成。定子内孔的上的极片为爪形用以完成对称排列，在外部并绕串联两组反向的环形绕组，定子的两段环形磁钢同向同轴联结径向充磁。
反应式步进电机：这种电动机的转子为软磁材料着很多均匀分布着的小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其的轴线与转子齿的轴线被依次错开。电机的速度与位置由电脉冲的数量和其频率成对应关系。而方向则由导电的顺序决定。
混合式步进电机：混合式步进电具有了以上两个步进电机的各自的结构优势。其定子和转子有着均匀分布着的小齿，用以提高步矩的精确性。定子的构造为铜制绕组，转子的结构为永磁体。其优点为输出的力矩大、步距角小、动态性能好等，但由于其设计成本较高，一般来说只适用于需要高精度的场合。
2.2.3步进电机的特性
一般来说步进电机的精度为步进角的35%。
步进电机的外壳允许最高温度。
由于步进电机温度过高时会使得电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降甚至于产生失步，因此电机外壳允许的最高温度取决于电机磁性材料的退磁点。一般情况来讲，电机使用的磁性材料退磁点都处于130摄氏度以上，有的甚至达到200摄氏度以上，所以说步进电机外壳的温度在摄氏在在100度以下都是正常的。
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