基于單片機的步進電機控制_開題報告

1、湖北師范學院學上學位論文（設計）開題報告學生 姓名方健所在 院系機電與控制工程 學院所在 班級0801指導 教師萬里光學生學號2008118010141專業(yè) 方向電氣工程及其自動 化邪題 時間2011. 12.1導師職稱講師論文 題目基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計文獻綜述:前言部分在現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟生活中，隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，電機的應用也越來越廣泛，日益 成為我們日常生活中不可缺少的一部分，無論是交通工具，還是家用電器都離不開電機的 運轉。步進電機作為電機的一種，可以靠開路控制做精確的定位，在一些重要的領域有著 普通電機不可替代的作用。普遍應用于電腦的外設及工業(yè)生產(chǎn)的自動化機具設備中，如NC

2、車床、切割機，此外機器人的各個關節(jié)控制也大量的使用步進電機。近些年來，由于步進電機的控制精度不斷提高，越來越多有較高控制精度要求的系統(tǒng) 也開始采用步進電機，步進電機的應用范圍進一步擴大。對于小功率步進電機，一般采用單片機與專用步進電機驅動器聯(lián)合工作的方式，單片機產(chǎn)生脈沖，控制停啟、正反轉，變速等,專用步進電機驅動器則進行脈沖環(huán)形分配及功率驅動，這種控制方式降低成本，縮小體積，簡單方便，易于實現(xiàn)。本論文的目的是設計出基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)硬件和軟件的設 計，程序的編寫和調試以及實物的焊接。以單片機作為控制系統(tǒng)的核心，設計一個控制系 統(tǒng)，通過單片機輸出不同的脈沖信號，實現(xiàn)電機的不同

3、運行。在實際中，能夠通過鍵盤設 置步進電機的轉向和轉速，并在 LED顯示器上顯示步進電機轉速或工作狀態(tài)。通過介紹系 統(tǒng)的軟硬件構成及其特點，詳細論述了怎樣通過單片機控制其輸出來控制步進電機的運 轉，并對應地在數(shù)碼管上顯示出來。還系統(tǒng)地介紹了步進電機的組成、工作原理和控制方 法。同時也對單片機進行了簡單的介紹。單片微型計算機簡稱單片機，又稱為微控制器（MCU,就是在一塊芯片上集成了 CPU RAM ROM定時器/計數(shù)器、輸入輸出（I/O）接口電路、中斷、串行通信接口等主要計算 機部件集成在一塊芯片上，組成單片微型計算機。它的出現(xiàn)是計算機發(fā)展史上的一個重要 里程碑，它以體積小、功能全、性價比高等諸

4、多優(yōu)點而獨具特色，在工業(yè)控制、尖端武器、 通信設備、信息處理、家用電器等嵌入式應用領域中獨占鰲頭。51系列單片機是國內目前 應用最廣泛的一種8位單片機之一。經(jīng)過20多年的推廣與發(fā)展，51系列單片機形成了以 個規(guī)模龐大、功能齊全、資源豐富的產(chǎn)品群。隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和 普遍接受及應用，51單片機的發(fā)展又進入了以個新的階段。 許多專用功能芯片的內核集成了 51單片機，與51系列單片機兼容的微控制器以IP核的方式不斷地出現(xiàn)在FPGA勺片上 系統(tǒng)中。近年來，基于51單片機的嵌入式實時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)與推廣，表明了 51系列單 片機在今后的許多年中依然會活躍如故， 而且在很長一段時間中將

5、占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的 低端市場。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。 導彈的導航裝置，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理， 廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機、全自動洗 衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。因此，單片機的學習、 開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應用于家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域。單片機有兩種基本結構形式：一種是在通用微型計算機中廣泛采用的將程序存儲器和 數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲空間的

6、結構，稱為普林斯頓結構或稱為馮諾依曼結構。另一種是 將程序和數(shù)據(jù)存儲器截然分開而分別尋址的結構，稱為哈佛（ Har-vard ）結構。目前的單 片機采用哈佛結構的較多。按數(shù)據(jù)總線的寬度，單片機分為4位、8位、16位以及32位等。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收 到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）o您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制 脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機是將電脈沖信 號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電

7、機的轉速、停止的位置 只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號， 電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積 誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進 電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它 必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非 易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機分三種：永磁式（PM,反應式（VR）和混合式（HB永磁式步進一般為兩 相，轉矩和體積較小，步進角一般為 7.5度或1

8、5度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大 轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家 80年代已被 淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角 一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛?？偨Y部分將功能強大而應用簡單的單片機與應用廣泛而運行精確的步進電機結合起來，實行單片機對步進電機的有效控制具有很深遠的意義，可以通過簡單的程序進行復雜的操作，按 照我們的要求控制電機的運行。在日常生活中，將兩者結合設計的系統(tǒng)應用在有一定要求 的實物中，不僅可以節(jié)約成本，而且功能完善，安全可靠。雖然步進電機的研究已經(jīng)很成 熟了

9、，然而為了滿足工業(yè)發(fā)展的需要，擁有不同功能的步進電機被不斷地創(chuàng)造出來，這就 決定了我們要熟練地對電機進行控制。因此，本課題的研究具有十分重要的意義。參考文獻1李蒙，毛建東.單片機原理及應用M.中國輕工業(yè)出版社,2010.22周向紅.51系列單片機應用與實踐教程M.北京：北京航天航空大學出版社,2008.53郭天祥.51單片機C語言教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2009.124楊素行.模擬電子技術簡明教程M.高等教育出版社，2009.75譚浩強.C語言設計M.北京：清華大學出版社，2005.76劉金華.數(shù)字電子技術M.北京：北京大學出版社，20107趙建領.51單片機開發(fā)寶典M.電子工業(yè)出版社，

10、20088徐益民.步進電機的單片機控制系統(tǒng)的設計D.哈爾濱：黑龍江科技學院，2005開題報告(正文)：一、論文題目基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計二、研究的目的和意義2.1、 研究目的綜合運用所學的單片機原理與應用理論知識，通過實踐加強對所學知識的理解， 具備設計單片機應用系統(tǒng)的能力，以單片機為核心設計一個步進電機控制系統(tǒng)，要求能夠 通過鍵盤設置步進電機的轉向和轉速，并在 LED顯示器上顯示步進電機轉速或工作狀態(tài)。2.2、 研究意義(1)、了解單片機的內部結構、組成，學習單片機的工作原理以及以及內部工作狀態(tài)， 并熟悉在不同時刻，單片機的輸入輸出情況。(2)、了解步進電機的分類和用途，掌握步進電

11、機的內部結構以及工作原理，并學習 使用單片機簡單控制步進電機的正傳、反轉、加速、減速，以及簡單了解國內外步進電機 的發(fā)展狀況。(3)、使用keil和proteus等軟件進行系統(tǒng)的仿真，鍛煉自己的編程能力，并通過 軟件的調試糾正自己編程的缺點。三、國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向3.1、 國內外現(xiàn)狀步進電機最早是在1920年由英國人所開發(fā)，1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在 步進電機上，這對于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過不斷改良，使得今日步進電機 已經(jīng)廣泛運用在需要高定位精度、高分解性能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械 系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，

12、我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機 的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進 電機用得做多。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種 自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各 個國名經(jīng)濟領域都有應用。步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅動，使用非常方便。一般電動機都是連續(xù)轉動的，而步進電機則有定位和運轉 兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就 轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入

13、 脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組通電的相序，便可獲得所 需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子 保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機控制，步進電機還具有快速啟動、精 確步進和定位等特點，因而在數(shù)控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。步進電機已經(jīng)成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機。傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用，步進電機可以作 為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差（精度為100%的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應

14、式步進電機（ VR、永磁式步進電機（PM、混合式 步進電機（HBB和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步 進角一般為7.5度或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一 股為1.5度，單噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上 有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應式 的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度，而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。3.2、 發(fā)展趨勢與主攻方向步進電動機的發(fā)展與計算機工業(yè)密切相關。自從步進

15、電機在計算機外圍設備中取代小 型直流電動機以后，使其設備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。另一方面， 微型計算機和數(shù)字控制技術的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進電動機推廣應用到 其他領域，如電加工機床、小功率機械加工機床、測量儀器、光學和醫(yī)療儀器以及包裝機 械等。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程?，F(xiàn)在， 步進電動機的發(fā)展已歸結為單段式結構的磁阻式、混合式和爪極結構的永磁式三類。爪極 電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步 進電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動

16、機，步距角1.8° /0.9° （全步/半步）； 還有五相10極50齒和一些轉子100齒的二相和五相步進電動 機，五相電動機主要用于運行性能較高的場合。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動 機已極少見。步進電機最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公司、東方公司、SANYO DENKI和MINEBEAt NPM司，日本山社等，特別是日本東方公司，無論是電動機性能和外觀質量， 還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進電動機年產(chǎn)量（含國外獨資公司） 近2億臺。另外的結論是HB型電動機更適合于低速大轉矩用途；RM型適用于平穩(wěn)運行以及轉 速大于1000r/min的用途；而PM

17、74;成本低，在低轉速時的振動和高轉速時的大轉矩方面， 三相PM型電動機比兩相電動機的性能要好。因此，當前最有發(fā)展前景的當屬混合式步進電動機，而混合式步進電動機又向以下四個方向發(fā)展：發(fā)展趨勢之一：繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領域的拓寬以 及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在 57、42機座號的 電動機應用了多年后，現(xiàn)在其機座號向 39、35、30、25方向向下延伸。瑞士 ESCAPE司 最近還研制出外徑僅10mm勺步進電動機。發(fā)展趨勢之二：改圓形電動機為方形電動機。由于電動機采用方型結構，使得轉 子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣

18、機座號的電動機，方形的 力矩比圓形的將提高 30percent40percent。發(fā)展趨勢之三：對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電 動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控 制性能。發(fā)展趨勢之四：向五相和三相電動機方向發(fā)展。目前廣泛應用的二相和四相電動 機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機而言，五相 電動機的驅動電路比三相電動機精密且復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的價格比要比五相電動機更低一些。四、注意研究內容、需重點研究的關鍵問題及解決思路參考文獻五、完成畢業(yè)設計(論文)所必須具備的工作條件(如工具書、計算

19、機輔助設計、實驗設 備和實驗環(huán)境條件等)，解決的辦法和預期達到的目標。本次畢業(yè)設計需要介紹單片機的書籍， 如單片機原理及應用、51單片機C語言教 程，以及C語言編程書籍，進行仿真時需要 keil、proteus軟件，進行硬件焊接時需要 電路板、單片機、步進電機、排插、錫絲、數(shù)碼管、按鈕開關、電烙鐵等。在進行方案的設計過程中，還要注意方案的選擇，本設計能實現(xiàn)的功能模塊分別為： 單片機部分、時鐘部分、控制驅動部分、顯示部分：(1)、單片機的選擇方案一：采用凌陽單片機。他具有以下特點：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴 展，采用COM制造工藝，功耗低，工作電壓范圍大，并且能在較低的電壓下工作，且能

20、用電池供電，內置2K SRAM,32KLASH豐富的中斷源，具有較強的中斷處理能力，強大的 語音功能，可以語音讀出測得的電壓，以及當電壓超過測量范圍時，可以語音提示，具有 人性化，但是他的價格昂貴，不利于提高作品的性價比。方案二、采用51系列的單片機。51系列單片機應用很廣泛，集成度高，可靠性強， 系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，易于使用等等優(yōu)點，STC89C5保列的單片機是宏晶科技推出的 新一代超強抗干擾、高速低功耗的單片機，他的功能已完全能夠實現(xiàn)本設計的要求，因此 從各方面進行綜合考慮，最終選用 STC89C51片機。(2)時鐘選擇方案一、直接利用單片機的定時器，通過編寫程序完成定時功能。優(yōu)點是不

21、適用外圍 芯片，成本低，缺點是軟件復雜點，可靠性不高，斷電后無法記錄時間。方案二、使用實時時鐘芯片如 DS1302 DS1307 PCF8485優(yōu)點是時間精確，耗電少， 但是無主電源的情況下耍有備用電池，確保時鐘不停止，一般應用在較為精確且高檔的設 備上。從性價比上考慮，本設計直接利用單片機的定時時鐘，通過編程實現(xiàn)定時的功能。(3)驅動電路的選擇方案一、使用達林頓驅動芯片 ULN2003 2003為極電極開路驅動芯片，能驅動 4相步 進電機，他的每一對達林頓都用匕個 2.7K的基極電阻，在5V的工作電H它能與 TTL 和CMOSfe路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。ULN2003

22、是高壓大電流 達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強 等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統(tǒng)。缺點是如果用于驅動直流電機的話只能 個方向轉動。換向要改變電機的接法。方案二、使用驅動芯片L298, L298為H橋驅動芯片，可以為負裁提供雙向的電流。 適合驅動2相或4相的步進電機，也可以驅動2臺普通的有刷直流電機。驅動電流為 2A, 只用用298需要自己編寫控制脈沖時序，而與 297聯(lián)合起來用只需單純輸入脈沖就可以， 簡單方便，但是相應的成本增加了。綜合本設計的需求，在滿足本設計的要求下，選用方 案一較為經(jīng)濟。(4)顯示電路的選擇力泵一、米用LCD液晶顯小，LCD液晶顯小具啟力使，美觀、顯/、，信息量人的特點， 現(xiàn)在市場上集成度高的顯示屏在編程方面也較為簡潔,缺點是成本較高。方案二、采用LED數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示在、硬件連接方面顯得較為復雜，在不同 的應用場合下配合使用的芯片業(yè)不同，但是對于 LCD液晶顯示來說，在成本方面占較大優(yōu) 勢。根據(jù)本設計的要求，最終選擇了方案二。選擇了合適的方案后，再電腦上進行仿真設計，可以看到步進電機能按照