单片机控制步进电机系统的设计

本科毕业设计说明书

单片机控制步进电机系统的设计

学院：机电工程学院

专业：电气工程及其自动化

姓名：学号：*********

指导教师：

职称：教授

设计完成日期：二Ο一四年六月

目录

第1章绪论 (4)

1.1 引言 (4)

1.2 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 (5)

1.2.1 常见的步进电机控制方案 (5)

1、基于电子电路的控制 (5)

2、基于PLC的控制 (6)

3、基于单片机的控制 (7)

1.2.2 步进电动机的功率驱动电路 (7)

1.3 本文研究的内容 (8)

第2章步进电机概述 (9)

2.1 步进电机的分类 (9)

2.2 步进电机的工作原理 (9)

2.2.1 结构及基本原理 (9)

第3章系统的硬件设计 (10)

3.1 系统设计方案 (10)

3.1.1 系统的方案简述与设计要求 (10)

3.1.2 单片机最小系统设计 (10)

3.1.3 系统的组成及其对应功能简述 (10)

3.2 单片机最小系统 (11)

3.2.1 单片机最小系统设计 (11)

3.2.2 单片机端口分配及功能 (12)

3.3 数码管显示电路设计 (13)

3.4 独立按键电路设计 (13)

第4章系统的软件实现 (13)

4.1 系统软件主流程图 (14)

第5章总结 (15)

源程序 (16)

参考文献 (22)

致谢 (22)

附录 (23)

摘要：本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。

Abstract

In this paper, microcontroller, stepper motor driver chips, character LCD and keypad array, build a set of stepper motor controller and driver as one of the stepping motor control system. Stepper motor control system has been developed using the software and hardware co-simulation method, can effectively reduce the system development cycle and cost. Finally, the stepper motor control system application examples.

关键词:单片机，Protues仿真，步进电机

第1章绪论

1.1引言

步进电动机(Stepping Motor,或Step Motor,或Stepper Motor)是一种由电脉冲

控制的特殊同步电动机，起作用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。因此，步进电动机又称为脉冲电动机（Pulse Motor）。步进电动机可以实现信号变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。如在数控机床、打印机石英钟表等场合都有应用。

步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。

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。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。

但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。

1.2步进电机常见的控制方案与驱动技术简介

1.2.1常见的步进电机控制方案

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。系统组成如图1.1所示。