单片机步进电机控制器设计综述.doc

中北大学信息商务学院2015届毕业设计说明书目 录 摘 要 11 绪论 21.1 研究背景及意义 21.2 步进电机控制系统的研究现状 21.3 论文整体结构安排 32 系统方案分析与选择论证 52.1 系统方案设计 52.1.1 主控芯片选择方案 52.1.2 步进电机选择方案 52.1.3 显示模块选择方案 72.2 系统最终方案 73 主要芯片介绍和系统模块硬件设计 93.1 主控模块 93.2 步进电机模块 133.2.1 步进电机概述 133.2.2步进电机28BYJ-48工作原理 133.2.3 步进电机驱动电路 153.2.4 步进电机变速控制 173.3 键盘控制模块 193.4 显示模块 203.5 电源电路设计 214 系统软件设计 234.1 步进电机系统功能总设计 234.2 系统总程序流程 234.3 T0中断子程序 245 系统仿真 265.1 电源电路的仿真 265.2 电源电路的仿真 265.3 电机和驱动部分仿真 275.4 开关键盘控制仿真 27 第I页 共II页5.5 显示模块仿真 276 硬件电路板设计 286.1 系统硬件原理图 286.2 系统PCB图 28 6.3 系统硬件电路板 296.3.1 步进电机模块电路板 296.3.2 显示模块电路板 306.3.3 键盘控制模块电路板 307 总结与展望 32附 录 34参考文献 39致 谢 44 第II页 共II页摘 要步进电机是工业生产中常用的设备，其用途为将脉冲信号转化为角位移，也就是当步进电机的驱动器接收到一个脉冲信号时，就会驱动步进电机按预设的状态转动一定的角度（步进角）。

所以，通过控制脉冲个数就可以实现角位移量的控制，从而达到电机准确定位的目的；同时可以用脉冲控制电机转动的速度和加速度，达到加减速的目的  在步进电机的单片机控制系统中，本设计需要实现以下2个基本控制任务： 1) 通过设计实现步进电机三个轴向的控制，并通过输入指令控制哪个轴向的步进电机工作 2) 通过单片机和键盘命令实现步进电机的状态控制，主要有加减速、正反转本设计采用STC89C51单片机作为主控，采用ULN2003作为步进电机驱动，8位7段数码管作为显示模块，控制三个轴向的28BYJ-48步进电机运行关键词：步进电机 驱动器  单片机 脉冲 第页 共44页ABSTRACT Stepper motor is common equipment in the industrial production which is used for the pulse signal into angular displacement, that is, when the stepping motor driver receives a pulse signal, it will drive a stepper motor to rotate a certain preset angle state (stepping angle).Therefore, control of the angular displacement can be achieved by controlling the number of pulses, so as to achieve accurate positioning motor, meanwhile control the motor rotation speed and acceleration via pulse control to achieve the purpose of acceleration or deceleration.In the single-chip stepper motor control system, the design needs to achieve the following two basic control tasks:1) To design and achieve three axes stepper motor control and to control one axis through the input command of stepper motor.2) To achieve state control of stepper motor which contains acceleration and deceleration or forward and reverse through microcontroller and keyboard commands. This design uses STC89C51 microcontroller as master, uses ULN2003 as a stepper motor driver, uses eight 7-segment digital tube as display module to control function of the three axes 28BYJ-48 stepper motor.Keywords: stepper motor; driver; single-chip; pulse1 绪 论1.1 研究背景及意义 步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字执行元件，随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入，步进电机的需求量越练越大[1]。

随着工业技术的不断发展，以及同类产品的不断出现，步进电机面临着前所未有的挑战对于一个步进电机控制系统而言，通常总希望它能以最短的时间到达控制终点因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差[2]由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决定了步进电机控制系统的综合性能本设计旨在通过分析利用红外线传感器探测人体反射回来的红外线信号原理设计出来的红外线感应门铃，内容广泛，灵活应用课题利用E18-D80NK-N红外避障传感器，SYN6288语音芯片，STC89C51主控芯片，lm386放大器芯片等各部分模块设计而成的典型电路电路设计简单，能够应用到很多领域，有较高的实用价值，可以起到提醒的作用[3]。

1.2 步进电机控制系统的研究现状为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求[4]还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现ｐｃ机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法现在较为流行的步进电机控制技术主要有以下几种：1、基于电子电路的控制 步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。

由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路这种控制技术可为开环控制，也可闭环控制开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高[5]2、基于单片机的控制 采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。

环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配这种控制技术有以下优点：(1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性总之，未来几年步进电机控制技术的发展趋势是：产品技术将在数字化、无线化、集成化的前提下力求突破而在应用市场上，它将朝更细化的方向前进──针对不同市场，推出不同产品[6]1.3 论文整体结构安排本设计主要研究了基于低成本单片机的三轴步进电机，通过对电机控制系统的每个模块进行分析和设计，完成系统的整体设计，借助protues软件进行模块功能仿真，并通过制作电机实物加深对步进电机控制过程的认识和理解，为此所做具体工作如下：第1章为绪论，介绍了步进电机控制系统的国内外研究现状和发展趋势第2章对系统主要芯片进行了论证和选择，从而确定系统的整体研究方案第3章对三轴步进电机控制系统的每个模块部分进行介绍，主要介绍了主控、电机、数码显示、键盘控制和电源电路的电路设计。

第4章对系统总程序和各部分程序进行分部介绍，从而有助于对系统进行程序设。