基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中文摘要步進(jìn)電機(jī)是一種可以接收和改變相應(yīng)的或的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍電路、自動(dòng)控制裝置和其他數(shù)字控制裝置，如打印機(jī)、鐘表、數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備等。因?yàn)樗哂胁环e累步進(jìn)誤差、運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣性小和成本低的優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的控制系統(tǒng)也越來(lái)越多，步進(jìn)電機(jī)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。其中，以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)因其電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。本設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)的輸入輸出端口，輸出定時(shí)方波作為控制信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照不同的指令工作

2、。根據(jù)不同的需要，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止、正反轉(zhuǎn)、加速和減速功能由按鍵電路控制，步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在數(shù)碼管上。文中給出了各模塊的電路圖，并用Proteus的ISIS軟件對(duì)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了仿真，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；步進(jìn)電機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)。操縱系統(tǒng)摘要步進(jìn)電機(jī)由脈沖信號(hào)控制，而脈沖信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字電機(jī)的相應(yīng)角位移或線位移。由于步進(jìn)電機(jī)具有步進(jìn)誤差不積累、可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣性小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍電路、自動(dòng)控制裝置和其他數(shù)字控制裝置，如打印機(jī)、鐘表、數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備等設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的控制系統(tǒng)也產(chǎn)生了多種類(lèi)型的步進(jìn)電機(jī)，在很多領(lǐng)域

3、都能看到身影。其中采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制器，由于其電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。為了滿(mǎn)足許多領(lǐng)域的需要，我們得到了大量的利用。因此，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本設(shè)計(jì)研究的是51單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。作為控制信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)單片機(jī)ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，通過(guò)單片機(jī)I/O口輸出定時(shí)方波。根據(jù)需要，通過(guò)按鍵電路來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止、反轉(zhuǎn)和斜坡等功能，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)字工作狀態(tài)。本文給出了各模塊的電路圖，并用ISIS Proteus軟件對(duì)控制系統(tǒng)的各功能進(jìn)行了仿真，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果圖。關(guān)鍵詞：微控制器；步進(jìn)電機(jī)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；操縱系統(tǒng)目錄中文

4、摘要一抽象二1導(dǎo)言11.1步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展過(guò)程11.2步進(jìn)電機(jī)在中國(guó)的應(yīng)用及前景21.3本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容31.4步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)和工作原理31.4.1步進(jìn)電機(jī)的特性31.4.2步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型41.4.3步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)51.4.4步進(jìn)電機(jī)的工作原理61.5步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理82總體方案設(shè)計(jì)102.1設(shè)計(jì)理念的選擇102.2單片機(jī)芯片的選擇122.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片12的選擇2.4顯示電路的選擇132.5步進(jìn)電機(jī)的選擇133控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)153.1鍵盤(pán)控制電路153.2微控制器最小系統(tǒng)電路163.3數(shù)碼管顯示電路183.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路203.5步進(jìn)電機(jī)的其他電路214控制系統(tǒng)軟

5、件設(shè)計(jì)234.1主要程序流程圖234.2閱讀關(guān)鍵子程序24的流程圖4.3關(guān)鍵處理子程序流程圖254.4電機(jī)控制中斷程序流程圖265模擬和測(cè)試285.1模擬軟件簡(jiǎn)介285.2模擬的操作步驟285.3電路板的焊接295.4電路板30的測(cè)試6結(jié)論和展望32謝謝你參考文獻(xiàn)35附錄：系統(tǒng)總電路圖36系統(tǒng)模擬示意圖37印刷電路板印刷圖38原件清單39序列401導(dǎo)言1.1步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展過(guò)程步進(jìn)電機(jī)是一種可以接收和改變相應(yīng)的或的電機(jī)。每次電源給電機(jī)輸入電脈沖，電機(jī)就會(huì)前進(jìn)一小步，旋轉(zhuǎn)方式是步進(jìn)，所以稱(chēng)之為步進(jìn)電機(jī)。因?yàn)殡娫摧斎朊}沖電壓，所以它有時(shí)被稱(chēng)為脈沖電機(jī)。在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力范圍內(nèi)，其輸出的角位移或線

6、位移與輸入脈沖數(shù)成正比，不會(huì)因電源電壓、負(fù)載和環(huán)境條件的變化而改變。因此，其輸出角速度或線速度也與輸入脈沖頻率成正比。通過(guò)改變輸入脈沖頻率，可以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度，控制步進(jìn)電機(jī)的快速啟動(dòng)、暫停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速。步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍電路、自動(dòng)控制裝置和其他數(shù)字控制裝置，如打印機(jī)、鐘表、數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備等。因?yàn)樗哂胁环e累步進(jìn)誤差、運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣性小和成本低的優(yōu)點(diǎn)。雖然步進(jìn)電機(jī)近年來(lái)才得到廣泛應(yīng)用，但其工作原理早已被人們所研究。其中，最早可以追溯到法國(guó)的弗羅曼，他提出了將電磁鐵的吸引力轉(zhuǎn)化為力矩的方法。當(dāng)時(shí)，激勵(lì)相位的切換是通過(guò)機(jī)械凸輪的接觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是步進(jìn)電機(jī)的初始原理模型。

7、后來(lái)，旋轉(zhuǎn)線圈的應(yīng)用方法逐漸出現(xiàn)。20世紀(jì)30年代以后，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用逐漸開(kāi)始，被稱(chēng)為步進(jìn)電機(jī)。隨著晶體管元件的快速發(fā)展，與之結(jié)合使用的步進(jìn)電機(jī)也得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。二極管半導(dǎo)體發(fā)展于1950年，金屬氧化物半導(dǎo)體發(fā)展于1964年。特別是在1950年至1965年半導(dǎo)體材料迅速發(fā)展之后，由于低成本和高可靠性邏輯和數(shù)字電路的廣泛應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)的使用急劇增加。多年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，尤其是其驅(qū)動(dòng)電路的不斷發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于單片機(jī)控制、數(shù)控機(jī)床、繪圖儀、打印機(jī)和光學(xué)儀器等領(lǐng)域。如今，繼電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)被廣泛使用之后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為生活中最常用

8、的一種。國(guó)內(nèi)外圍繞步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的研究已經(jīng)做了大量的工作。圖1-1步進(jìn)電機(jī)1.2步進(jìn)電機(jī)在中國(guó)的應(yīng)用及前景我國(guó)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的研究和制造始于20世紀(jì)50年代。當(dāng)時(shí)，一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)主要使用或開(kāi)發(fā)與步進(jìn)電機(jī)相關(guān)的產(chǎn)品。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，大量產(chǎn)品在中國(guó)各地生產(chǎn)和使用，如北京、南京、江蘇和浙江等省，其中驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體器件已經(jīng)完全國(guó)產(chǎn)化。進(jìn)入改革開(kāi)放時(shí)代后，隨著國(guó)外步進(jìn)電機(jī)先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)入，我國(guó)對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，開(kāi)發(fā)了多種混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)元件，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。到目前為止，我國(guó)在這一領(lǐng)域的理論研究相對(duì)成熟，逐漸形成了比較完善的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)品類(lèi)型也逐漸多樣化，性能和參數(shù)也逐

9、漸達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平。但是，在國(guó)外大功率驅(qū)動(dòng)工業(yè)設(shè)備中，只有少數(shù)要求高的設(shè)備會(huì)使用空心轉(zhuǎn)子電機(jī)和交流電機(jī)；目前，大部分場(chǎng)合都使用DC電機(jī)代替大轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)。原因是通過(guò)比較驅(qū)動(dòng)電路的成本、效率、系統(tǒng)慣性和最大轉(zhuǎn)矩比，DC電機(jī)更合適。此外，還有一些已被廣泛使用的低功率工業(yè)設(shè)備，如工業(yè)自動(dòng)控制、數(shù)控機(jī)床、模塊化機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、照相機(jī)和大型望遠(yuǎn)鏡等。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，功能越來(lái)越強(qiáng)大，種類(lèi)越來(lái)越多，相應(yīng)的產(chǎn)品也越來(lái)越完善。步進(jìn)電機(jī)以其顯著的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)化控制中占有不可動(dòng)搖的地位。我相信在不久的將來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)將被廣泛應(yīng)用于

10、更多的領(lǐng)域。1.3本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)研究了基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。以單片機(jī)STC89C51為控制核心，通過(guò)啟停、轉(zhuǎn)向、加減速等四個(gè)按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。四位數(shù)碼管用于顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度等級(jí)。本設(shè)計(jì)的硬件部分主要由、模塊、模塊、模塊和模塊組成。該產(chǎn)品的主要功能是：(1)5個(gè)按鍵控制整個(gè)電路，相應(yīng)的功能有：?jiǎn)?dòng)/暫停、前進(jìn)/后退、加速、減速和復(fù)位；(2)數(shù)碼管顯示正反轉(zhuǎn)指示和電機(jī)轉(zhuǎn)速水平；(3)有五個(gè)發(fā)光二極管燈，其中一個(gè)是電源指示燈，另外四個(gè)指示電機(jī)的速度水平。本設(shè)計(jì)的控制核心是利用軟件控制單片機(jī)輸出不同的脈沖信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，顯示不同的運(yùn)行結(jié)果。同

11、時(shí)，為了使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)更加直觀，采用數(shù)碼管顯示電路進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。1.4步進(jìn)電機(jī)的性能指標(biāo)和工作原理本設(shè)計(jì)以STC89C51為控制單元，ULN2003為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以DC-5V步進(jìn)電機(jī)為控制對(duì)象。通過(guò)五個(gè)按鍵的控制，改變輸入脈沖的頻率和數(shù)量，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加速、減速、暫停和復(fù)位功能，LED數(shù)碼管的第一位和第二位顯示速度等級(jí)，第四位顯示步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。有五個(gè)發(fā)光二極管，其中一個(gè)是電源指示燈，另外四個(gè)指示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。1.4.1步進(jìn)電機(jī)的特性從應(yīng)用的角度來(lái)看，步進(jìn)電機(jī)的基本要求如下：(1)步進(jìn)電機(jī)在一系列脈沖信號(hào)的控制下，能夠快速、平穩(wěn)、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、暫停、正反轉(zhuǎn)、加速/減速等運(yùn)

12、行模式；(2)為了提高精度，要求脈沖對(duì)應(yīng)的位移小、準(zhǔn)確、均勻。這就要求步進(jìn)電機(jī)具有小的步距和高的步距精度，并且不能失步。要求步進(jìn)電機(jī)具有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，并能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作(3)快速響應(yīng)。也就是說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)不僅需要快速啟動(dòng)、暫停和反轉(zhuǎn)，還需要高速連續(xù)運(yùn)行，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。.1.4.2步進(jìn)電機(jī)的類(lèi)型常用的步進(jìn)電機(jī)有三種：(1)永磁步進(jìn)電機(jī)永磁步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，也可以有兩種形式，即轉(zhuǎn)子采用永磁體，定子采用線圈；反之亦然。它的工作原理是由通電的定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)吸引或排斥的相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使其旋轉(zhuǎn)。該電機(jī)具有勵(lì)磁功率低、效率高、成本低、起動(dòng)頻率和

13、運(yùn)行頻率低、永磁體需求量大的特點(diǎn)。缺點(diǎn)是，由于永磁體之間的磁化距離不便于測(cè)量和控制，并且有許多因素受到影響，為了保持良好的效果，通常將步距角設(shè)置得更大無(wú)功步進(jìn)電機(jī)，又稱(chēng)變磁阻步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子磁路是由軟磁材料制成的鐵芯，而定子是由纏繞在鐵芯上的勵(lì)磁繞組線圈組成。其工作原理是磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過(guò)定子產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)形成的吸引或排斥作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使其旋轉(zhuǎn)。這種電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。這種電機(jī)具有效率低、起動(dòng)和運(yùn)行頻率高、轉(zhuǎn)子阻尼差、噪聲高等缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是材料成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，階梯角小。(3)混合式步進(jìn)電機(jī)因?yàn)橛来朋w嵌入在電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁化器中，所以可以說(shuō)它是永磁體型和可變磁阻型的組合。因此，它被稱(chēng)為混合式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)分為兩相、三相和五相。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它具有永磁型和電抗型的優(yōu)點(diǎn)，并具有輸出轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)速度快、效率高和振動(dòng)噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。1.4.3步進(jìn)