基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計

1、基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計中文摘要步進電機是一種可以接收和改變相應的或的電機。步進電機廣泛應用于計算機外圍電路、自動控制裝置和其他數(shù)字控制裝置，如打印機、鐘表、數(shù)模轉(zhuǎn)換設備等。因為它具有不積累步進誤差、運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、慣性小和成本低的優(yōu)點。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，相應的控制系統(tǒng)也越來越多，步進電機在很多領(lǐng)域都有應用。其中，以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)因其電路簡單、成本低、可靠性強等優(yōu)點得到了廣泛的應用。因此，對基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)進行了研究。本設計基于51單片機。通過單片機的輸入輸出端口，輸出定時方波作為控制信號，該信號通過芯片ULN2003驅(qū)動步進電機按照不同的指令工作

2、。根據(jù)不同的需要，步進電機的啟動和停止、正反轉(zhuǎn)、加速和減速功能由按鍵電路控制，步進電機的工作狀態(tài)實時顯示在數(shù)碼管上。文中給出了各模塊的電路圖，并用Proteus的ISIS軟件對控制系統(tǒng)的各項功能進行了仿真，并給出了相應的仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：單片機；步進電機；電機驅(qū)動。操縱系統(tǒng)摘要步進電機由脈沖信號控制，而脈沖信號可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字電機的相應角位移或線位移。由于步進電機具有步進誤差不積累、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、慣性小、成本低等優(yōu)點，因此，被廣泛應用于計算機外圍電路、自動控制裝置和其他數(shù)字控制裝置，如打印機、鐘表、數(shù)模轉(zhuǎn)換設備等設備。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，相應的控制系統(tǒng)也產(chǎn)生了多種類型的步進電機，在很多領(lǐng)域

3、都能看到身影。其中采用單片機作為控制系統(tǒng)的控制器，由于其電路簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點。為了滿足許多領(lǐng)域的需要，我們得到了大量的利用。因此，基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。本設計研究的是51單片機步進電機控制系統(tǒng)。作為控制信號，該信號通過單片機ULN2003驅(qū)動步進電機工作，通過單片機I/O口輸出定時方波。根據(jù)需要，通過按鍵電路來控制步進電機的啟動和停止、反轉(zhuǎn)和斜坡等功能，實現(xiàn)步進電機的實時顯示和數(shù)字工作狀態(tài)。本文給出了各模塊的電路圖，并用ISIS Proteus軟件對控制系統(tǒng)的各功能進行了仿真，并給出了相應的仿真結(jié)果圖。關(guān)鍵詞：微控制器；步進電機；電機驅(qū)動；操縱系統(tǒng)目錄中文

4、摘要一抽象二1導言11.1步進電機及其發(fā)展過程11.2步進電機在中國的應用及前景21.3本設計的研究內(nèi)容31.4步進電機的性能指標和工作原理31.4.1步進電機的特性31.4.2步進電機的類型41.4.3步進電機的主要性能指標51.4.4步進電機的工作原理61.5步進電機控制系統(tǒng)的原理82總體方案設計102.1設計理念的選擇102.2單片機芯片的選擇122.3驅(qū)動電機芯片12的選擇2.4顯示電路的選擇132.5步進電機的選擇133控制系統(tǒng)硬件電路設計153.1鍵盤控制電路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步進電機驅(qū)動電路203.5步進電機的其他電路214控制系統(tǒng)軟

5、件設計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電機控制中斷程序流程圖265模擬和測試285.1模擬軟件簡介285.2模擬的操作步驟285.3電路板的焊接295.4電路板30的測試6結(jié)論和展望32謝謝你參考文獻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導言1.1步進電機及其發(fā)展過程步進電機是一種可以接收和改變相應的或的電機。每次電源給電機輸入電脈沖，電機就會前進一小步，旋轉(zhuǎn)方式是步進，所以稱之為步進電機。因為電源輸入脈沖電壓，所以它有時被稱為脈沖電機。在步進電機的驅(qū)動能力范圍內(nèi)，其輸出的角位移或線

6、位移與輸入脈沖數(shù)成正比，不會因電源電壓、負載和環(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。通過改變輸入脈沖頻率，可以調(diào)節(jié)步進電機的速度，控制步進電機的快速啟動、暫停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速。步進電機廣泛應用于計算機外圍電路、自動控制裝置和其他數(shù)字控制裝置，如打印機、鐘表、數(shù)模轉(zhuǎn)換設備等。因為它具有不積累步進誤差、運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、慣性小和成本低的優(yōu)點。雖然步進電機近年來才得到廣泛應用，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。當時，激勵相位的切換是通過機械凸輪的接觸點來實現(xiàn)的，這是步進電機的初始原理模型。

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

8、的一種。國內(nèi)外圍繞步進電機系統(tǒng)的研究已經(jīng)做了大量的工作。圖1-1步進電機1.2步進電機在中國的應用及前景我國對步進電機的研究和制造始于20世紀50年代。當時，一些大學和科研機構(gòu)主要使用或開發(fā)與步進電機相關(guān)的產(chǎn)品。自20世紀70年代以來，大量產(chǎn)品在中國各地生產(chǎn)和使用，如北京、南京、江蘇和浙江等省，其中驅(qū)動電路的半導體器件已經(jīng)完全國產(chǎn)化。進入改革開放時代后，隨著國外步進電機先進技術(shù)的進入，我國對其進行了大量的研究，開發(fā)了多種混合式步進電機及相應的驅(qū)動元件，并廣泛應用于各個領(lǐng)域。到目前為止，我國在這一領(lǐng)域的理論研究相對成熟，逐漸形成了比較完善的基礎(chǔ)理論和設計方法，產(chǎn)品類型也逐漸多樣化，性能和參數(shù)也逐

9、漸達到甚至超過了國外同類產(chǎn)品的水平。但是，在國外大功率驅(qū)動工業(yè)設備中，只有少數(shù)要求高的設備會使用空心轉(zhuǎn)子電機和交流電機；目前，大部分場合都使用DC電機代替大轉(zhuǎn)矩步進電機。原因是通過比較驅(qū)動電路的成本、效率、系統(tǒng)慣性和最大轉(zhuǎn)矩比，DC電機更合適。此外，還有一些已被廣泛使用的低功率工業(yè)設備，如工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、模塊化機床、機器人、計算機外圍設備、照相機和大型望遠鏡等。經(jīng)過多年的發(fā)展，步進電機的應用越來越廣泛，功能越來越強大，種類越來越多，相應的產(chǎn)品也越來越完善。步進電機以其顯著的優(yōu)勢在工業(yè)生產(chǎn)和自動化控制中占有不可動搖的地位。我相信在不久的將來，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，步進電機將被廣泛應用于

10、更多的領(lǐng)域。1.3本設計的研究內(nèi)容本設計研究了基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)。以單片機STC89C51為控制核心，通過啟停、轉(zhuǎn)向、加減速等四個按鍵控制步進電機的運行狀態(tài)。四位數(shù)碼管用于顯示步進電機的轉(zhuǎn)向和速度等級。本設計的硬件部分主要由、模塊、模塊、模塊和模塊組成。該產(chǎn)品的主要功能是：(1)5個按鍵控制整個電路，相應的功能有：啟動/暫停、前進/后退、加速、減速和復位；(2)數(shù)碼管顯示正反轉(zhuǎn)指示和電機轉(zhuǎn)速水平；(3)有五個發(fā)光二極管燈，其中一個是電源指示燈，另外四個指示電機的速度水平。本設計的控制核心是利用軟件控制單片機輸出不同的脈沖信號，從而驅(qū)動步進電機進行相應的動作，顯示不同的運行結(jié)果。同

11、時，為了使步進電機的運行狀態(tài)更加直觀，采用數(shù)碼管顯示電路進行實時顯示。1.4步進電機的性能指標和工作原理本設計以STC89C51為控制單元，ULN2003為電機驅(qū)動芯片，以DC-5V步進電機為控制對象。通過五個按鍵的控制，改變輸入脈沖的頻率和數(shù)量，調(diào)節(jié)步進電機的正反轉(zhuǎn)、加速、減速、暫停和復位功能，LED數(shù)碼管的第一位和第二位顯示速度等級，第四位顯示步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。有五個發(fā)光二極管，其中一個是電源指示燈，另外四個指示電機的轉(zhuǎn)速。1.4.1步進電機的特性從應用的角度來看，步進電機的基本要求如下：(1)步進電機在一系列脈沖信號的控制下，能夠快速、平穩(wěn)、穩(wěn)定地實現(xiàn)啟動、暫停、正反轉(zhuǎn)、加速/減速等運

12、行模式；(2)為了提高精度，要求脈沖對應的位移小、準確、均勻。這就要求步進電機具有小的步距和高的步距精度，并且不能失步。要求步進電機具有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，并能直接驅(qū)動負載工作(3)快速響應。也就是說，步進電機不僅需要快速啟動、暫停和反轉(zhuǎn)，還需要高速連續(xù)運行，以提高勞動生產(chǎn)率。.1.4.2步進電機的類型常用的步進電機有三種：(1)永磁步進電機永磁步進電機內(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)生的磁場和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場，通過吸引或排斥的相互作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使其旋轉(zhuǎn)。該電機具有勵磁功率低、效率高、成本低、起動頻率和

13、運行頻率低、永磁體需求量大的特點。缺點是，由于永磁體之間的磁化距離不便于測量和控制，并且有許多因素受到影響，為了保持良好的效果，通常將步距角設置得更大無功步進電機，又稱變磁阻步進電機，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磁繞組線圈組成。其工作原理是磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過定子產(chǎn)生的脈沖磁場形成的吸引或排斥作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使其旋轉(zhuǎn)。這種電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應。這種電機具有效率低、起動和運行頻率高、轉(zhuǎn)子阻尼差、噪聲高等缺點。它的優(yōu)點是材料成本低，結(jié)構(gòu)簡單，階梯角小。(3)混合式步進電機因為永磁體嵌入在電機的轉(zhuǎn)子磁化器中，所以可以說它是永磁體型和可變磁阻型的組合。因此，它被稱為混合式步進電機。混合式步進電機分為兩相、三相和五相。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，它具有永磁型和電抗型的優(yōu)點，并具有輸出轉(zhuǎn)矩大、響應速度快、效率高和振動噪聲低的優(yōu)點。1.4.3步進