微机控制系统
步进电机运行控制
———实习报告
学院：机械与控制工程学院
班级：自动化081班
姓名：XXXXXXX
学号：XXXXXXX
日期：2012年01月07日
1.引言
目前，随着数字电子技术、计算机技术和和永磁材料的迅速发展推动了步进电机的快速发展。在当今的社会中，步进电机运用于各个行业，应用领域涉及机器人、工业电子自动化设备、医疗器械、广告器材、舞台灯光设备、印刷设备、计算机外部应用设备等等。
虽然步进电机已经被广泛地应用了，但步进电机并不能像普通直流电机、交流电机那样在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统才可以使用。因此，设计步进电机具有重要的现实意义和实用价值。
2. 步进电机的概况及其工作原理
2.1步进电机的概况
传统的电机作为机电转换能量装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电机的功能已经不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为了适应这种要求，发展了一系列具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点且应用十分广泛的是步进电机。现在步进电机已经成为除直流电机和交流电机之外的第三类电动机。
步进电机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备中取代了小型直流电机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。
步进电机最大的生产国是日本，比如日本的伺服公司、东方公司、SANYO DENKI等公司。
2.2 步进电机的分类
步进电机分为三种：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般分为两相，转矩和体积小，步进角度一般为7.5度或者15度；
反应式步进一般为三相，可以实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但是噪声和振动都很大；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度，这种步进电机应用最为广泛。
2.3 步进电机的基本原理
通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢
量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。可以用控制脉冲数量、频率及电机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
2.4 28BYJ-48步进电机
28BYJ-48型步进电机是四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度，即是一个步距角。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍A-AB-B-BC-C-CD-D -DA-A。
红线接电源5V，橙色电线接P2.0口，黄色电线接P2.1口，粉色电线接P2.2口，蓝色接P2.3口。
由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口，如下：
其中JP1的1、2、3、4引脚分别用于连接步进电机的橙色、黄色、粉色、蓝色四根线。其中步进电机的驱动信号如下表所示：
橙黄粉蓝十六制（P1口）
1 0 0 0 0x08
1 1 0 0 0x0c
0 1 0 0 0x04
0 1 1 0 0x06
0 0 1 0 0x02
0 0 1 1 0x03
0 0 0 1 0x01
1 0 0 1 0x09
由上表可以看出正反转驱动信号的顺序正好相反，所以可以可以定义旋转相序如下：
unsigned char code zhengzhuan[]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//电机正转表
unsigned char code fanzhuan[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};//电机反转表
主要技术参数如下表所示：
2.5 28BYJ-48步进电机的主要特点
28BYJ-48步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲信号的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度转动。28BYJ-48是驱动的4和5线的步进电机而且是减速步进电机，减速比为1:64，步进角为5.625/64度。如果需要转动一圈，那么需要（360°/5.625）*64=4096个脉冲信号。28BYJ-48步进电机还具有瞬时启动和急速停止的优越特性。改变脉冲的顺序，可以方便地改变转动方向。
3.单片机的概况及其工作原理
3.1 单片机概况
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
常用的单片机种类有：STC单片机、PIC单片机、EMC单片机、ATMEL单片机、PHLIPIS 51LPC单片机等。STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8~12倍，带ADC、4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性能好，抗干扰强。
3.2 单片机的工作原理
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；
单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要
知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC （包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
4.LCD1602显示屏的概况及其工作原理
4.1 LCD1602显示屏的概况
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，液晶显示模块已经作为很多电子产品的通用器件，比如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交换界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，而液晶显示器稍微复杂一点。
4.2 LCD1602的特点
1、由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，
恒定发光，所以液晶显示器画质高而不会闪烁。
2、液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目
的，因此在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
3、相对而言，液晶显示屏的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，
因而耗电量比其它显示屏要少得多。
4、液晶显示屏都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作
更加的方便。
4.3 LCD1602的工作原理
液晶显示的工作原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就显示，这样就可以显示出图形。LCD1602可以显示线段图形、字符的显示、数字的显示、特殊符号的显示等等。用LCD显示一个字符比较的复杂，因为一个字符由6*8或8*8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还使每字节的不同位置为“1”，其它为
“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样就可以组成一个字符，但是由内带字符发生器的控制来说，显示字符就比较的简单，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的字符列号及每行的列数找出显示RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符的代码即可。
4. 4LCD1602的主要技术参数
STC 89C52单片机
5.ULN2003简介
ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA ，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 ULN2003 采用DIP —16 或SOP —16 塑料封装。多用于单片机、智能仪表、PLC 、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动步进电机、继电器等负载。 6.步进电机运行控制
本设计是运用STC89C52单片机作为中央处理器来控制步进电机的运行以及LCD1602的显示。可以用键盘设定步进电机的转速和转向、角位移量，并可以实现加减速的控制，LCD1602用于显示步进电机的运行状态。其功能模块如下图所示：
ULN2003 放大驱 动电路
28BYJ-48步进电机
键盘 阵列
LCD1602显示模块
时钟频率晶振电路
6.1 步进电机控制的原理图：
在本原理图中，JP1用于连接步进电机，其中第五引脚电源接红线，第一到第四根分别依次接步进电机上的橙黄粉蓝四根线。JP2用于接电源，可以用普通的手机充电器提供5V的电源。JP0是备用插针，当有步进电机和驱动模块时，可以直接接到JP0上即可工作。时钟电路上用的是22pF的电容，也可以使用30pF 的。接1602的滑动变阻器可以用来调节LCD1602显示屏的亮度，在调亮度时要特别注意，如果调得太亮了会看不到显示在屏幕上的字符的。
6.2 步进电机控制的PCB图：
在做PCB板时，因为考虑到所用的元器件比较少，而且布线也不是很复杂，因此我们采用了单面布线，在布线时，有三条线没有布上去，需要采用跳线。为了方便腐蚀和焊接，我们把线设计得比较粗，焊孔也画得比较大。在腐蚀之前，还经过用油性笔加粗线路以保证腐蚀完好。
7.实习总结：
经过两个星期的日夜奋战，终于把步进电机的运行控制系统给做完了。这次实习不但是考验了我的理论知识，更是考验了我的动手能力、实践能力、自学能力以及团队精神。在初选题时，本来想选一个简单的题目应付了事的，但是考虑到将要到社会上工作，自己的动手能力不是很强，此时如果不加紧锻炼，以后将很难有所提高。因此决定挑选一个以前没有做过的题目来做——步进电机的运行
控制。
刚开始选题目时，对步进电机不是很了解，因此我们几个人要从网上收集各种资料并实现有机组合起来，并把最后的方案确定下来。在做板子的时候大家都能够分工合作，所以我认为这一点很能体现我们的团队精神，我想最后我们能够成功地做出来，团队精神占很大的功劳。
通过键盘的操纵，这个板子基本上能够把所要求的功能实现出来。七个按键的功能分别为：复位、正转、反转、停止、减速、加速以及角偏移量。而LCD1602的显示还有一点点的小震动，但是显示的内容依然清晰可见。此次实习唯一不够完美的就是当时在设计电路板时，没有考虑到调试下载程序时的简洁性，每次下载程序时都要从板子上把单片机给翘出来，很不方便，而且很容易坏。我们应该加一个串口下载功能的模块以方便地下载。
最后在谈一下调试时的感受，在做调试之前，一定要检查好所有的线路是否都连通了，元器件有没有坏的。我在调试的时候就是因为没有检查单片机的好坏而直接把程序下载到我那个旧的AT89S52单片机中，导致调不出结果，而且还浪费了很多的时间。在修改程序时，一定要一个功能一个功能地检验并修改，想一步马上做成功是不可能的。在连接步进电机时，还要检查步进电机线的排列顺序是否正确，如果不正确，接上电时步进电机会一直抖动。
实验报告 实验名称：电动机点动和自锁控制电路 学生姓名：轻舞学号：XXXXXX 专业班级：XXXXXXX 实验类型：□验证□综合□设计□创新实验分组： XXXXXXXXXX 实验日期：实验成绩： 1. 实训目的 (1) 掌握点动和自锁运转控制的工作原理。 (2) 掌握点动和自锁运转控制的接线方法及工艺要求。 (3) 掌握点动和自锁运转控制线路的检查方法及通电运转过程。 (4) 掌握常用电工仪表、低压电器的选择和使用方法。 2. 实验器材 (1) 电工刀、尖嘴钳、钢丝钳、剥线钳、旋具各1把。 (2) 四种颜色(BV或BVV)、芯线截面为1.5mm2和2.5mm2的单股塑料绝缘铜线若干。 (3) 电动机控制实验台1台。 (4) 三极自动开关1个、熔断器4个、交流接触器1个、三元件热继电器1个、按钮2个。 (5)功率为4kW的三相异步电动机DM01台 3. 实验前的准备 (1) 了解三相异步电动机运转控制电路的应用; (2) 熟练分析三相异步电动机点动和自锁运转控制电路的工作原理及动作过程; (3) 明确低压电器的功能、使用范围及接线工艺要求。 4. 实验内容 1) 分析控制原理 电动机点动和自锁运转控制电路是利用按钮、接触器来控制电动机朝单一方向运转的,其控制简单、经济,维修方便, 广泛用于大于5.5kW以上电动机间接启动的控制。其控制线路如图1、2所示。
图1 电动机的点动控制线路 (1)启动停止控制: 合上电源断路器QF, 按下启动按钮SB1→KM线圈得电→KM主触头闭 合(辅助常开触头同时闭合)→电动机M启动并点动运行。当松开SB1时, 它虽然恢复到断开位置, 在松开SB1时, 电动机停止。 (2)接线时，先接主回路，它是从380V三相交流电源的输出端U、V、W开始，经熔断器、 交流接触器的主触头、热继电器到电动机上，用导线按顺序分清颜色串联起来。主电路连接完整无误后，再连接控制电路。它是从220V三相交流电源某输出端开始，经过熔断器、常开按钮SB1、接触器的线圈、热继电器的常闭触头到零线。用黑色线连接。
中等职业教育电气技术应用专业课程改革成果教材 教学设计 《工厂电气控制设备》项目二任务四电动机点动正转控制电路
教学环节教学内容教师活动学生活动设计意图 组织教学1、清点班级人数， 2、准备好电气元件。 备好设备和教具 安静就坐 营造良 好的课 堂氛围 课 前 准 备（8分钟）1、分好小组（4人/组） 2、分发电工工具 3、准备好电气元件、器材等 4、强调安全规范 总指挥，安排好所 要准备的电气元 件、器材等。 领取工具及 电气元件、器 材等 小组共同 合作，互助 互学，提高 学生对学 习兴趣。 情 景 引 入（5分钟）引入：生活中电动葫芦，并播放视频。 简化控制动画 教师播放视频，并 进行操作过程的讲 解。 操作动画，并进行 简单分析，从何引 出本节课的教学内 容。 通过观看视 频，给学生感 官的认识，设 疑：如何实现 这样的功 能？ 观看与思考 引入生活 中的实例， 动画播放、 演示，提高 学生学习 兴趣，从何 调动学生 积极性。
确 立 任 务 （10分钟） 1、原理图及结构 QS:组合开关 SB:启动按钮 FU1、FU2：熔断器 KM：交流接触 器 2、工作原理展示电动机点动原 理图 给学生分析电气图 结构及相应元件作 用 分析控制电路工作 原理 观察、思考电 气图结构，分 析各元件在 电路中所起 的作用 在教师的引 导下，分析电 路工作原理， 与教师一起 总结，并用文 字板书出来。 提高学生 的总结归 纳能力。落 实知识目 标。 任务一：元件检查，安装元件（5分钟） 指导学生安装元件情况及检查元原件小组合作，利 用万用表检 查元件好坏， 教师引导 提示，学生 动手操作， SB （1）启动：按下按钮SB →KM线圈得电→ KM主触头闭合→电动机运转 （2）停止：松开按钮SB → KM 线圈失电→ KM主触头断开→电动机停转
《电动机点动控制》 一、实训目的 通过本次的实训以提高同学们对具有过载保护的点动线路的理解和认识。通过实训以达到知识和技能相结合的目的；更好的完成学习任务。同时锻炼同学们的认知能力、技能水平；学会三相异步电动机具有过载保护的点动控制电路的操作和接线方法。通过实习理解电力拖动以及点动的概念。 二、实训内容 1、电动机的点动控制线路，具有过载保护的单相点动控制线路。详图如下： 2、线路分析 （1）SB为线路的控制按钮。 （2）工作原理：
合上开关QS 起动：按下SB→KM线圈获电— 停止：放开SB→KM线圈断电释放— 按下控制按钮SB，由于接在按钮SB下端的KM线圈通电，KM主触头闭合，电机开始运转；当放开控制按钮SB后，电机停转。这种线路叫做点动控制线路，由于线路中加装了热继电器，所以线路依然具有过载保护。同时还兼有欠电压、失电压、短路等保护特点。 三、实训准备 1、思想准备 这个线路由于是刚开始接触到实习，对电工接线知识还是很欠缺，可能在接线的过程中将某根导线接错，导致整个实习失败。对此我一定要在实习前细心的钻研图纸，认真的理解原理，虚心的向老师、同学请教，以确保此次实习圆满成功，达到规定的水平。 2、元器件准备 序号元件名称元件型号元件数量单位备注 1闸刀开关HK1-30/31只 2熔断器RC1A-153只 3熔断器RC1A-52只 4交流接触器CJ0-201只 5热继电器JR0-20/3D1只
3、工具准备 4、材料准备 四、实训要求
1、正确度要求。 线路只能一次性完成，且100%正确，为总分的40%。一次上交检查不正确扣去40%总分的1/10,三次上交检查不正确，该项目记为0分，只要线路不正确，该模块总成绩记为0分，需要参与下次的有偿补考。 2、工艺要求 主线路用吕芯线，控制回路用铜芯线。导线的弯折度为90度，但不能借助其他工具进行加工，否则扣分。弯折点与接线柱的距离为2cm左右，不能过长或过短。主线路可以架空，但控制线路不能架空，并且相同走向的导线必须成一扎。导线与连接点接线时，不能将导体部分裸露太长或者太短。不能存在反圈。 3、时间要求 整个线路完成总时间为90分钟。 4、纪律要求 在实习场内坚决保证不说话，不打闹，不吃东西，不干与该操作内容无关的事情。还实习厂一片安静。坚决不私自串岗，不私自跑出实习厂外等。 5、场地要求 必须做完后整理好工具和导线，保持工作台、场地整洁。 五、实训方法(步骤及程序) 1、按照老师或小老师的要求，整队入场。 2、参照图纸，根据要求设计元器件的安装位置。如下图：
电工实训一、电动机点动和自锁控制电路 1. 实训目的 (1) 掌握点动和自锁运转控制的工作原理及接线方法。 (2) 掌握点动和自锁运转控制线路的检查方法。 2. 实验器材 电工实训实验台、连接导线、电动机 3. 实验前的准备 (1) 了解三相异步电动机运转控制电路的应用; (2) 熟练分析三相异步电动机点动和自锁运转控制电路的工作原理及动作过程; (3) 明确低压电器的功能、使用范围及接线要求。 4. 实验内容 1) 点动控制原理 电动机点动和自锁运转控制电路是利用按钮、接触器来控制电动机朝单一方向运转的,其控制简单、经济,维修方便, 广泛用于大于5.5kW以上电动机间接启动的控制。其控制线路如图1、2所示。 图1 电动机的点动控制线路 (1)启动停止控制: 合上电源断路器QF, 按下启动按钮SB1→KM线圈得电→KM主触头闭 合(辅助常开触头同时闭合)→电动机M启动并点动运行。当松开SB1时, 它虽然恢复到断开位置, 在松开SB1时, 电动机停止。 (2)接线时，先接主回路，它是从380V三相交流电源的输出端U、V、W开始，经熔断器、 交流接触器的主触头、热继电器到电动机上，用导线按顺序分清颜色串联起来。主电路连接完整无误后，再连接控制电路。它是从220V三相交流电源某输出端开始，经过熔断器、常开按钮SB1、接触器的线圈、热继电器的常闭触头到零线。
2) 自锁控制原理 图 2 电动机自锁运转控制线路 (1) 启动控制: 合上电源断路器QF, 按下启动按钮SB1→KM线圈得电→KM主触头闭合(辅助常开触头同时闭合)→电动机M启动并单向连续运行。当松开SB1时, 它虽然恢复到断开位置, 但由于有KM的辅助常开触头与SB1并联, 在KM动作时,KM的辅助常开触头也动作(即闭合), 因此KM线圈仍保持通电。这种利用接触器本身的常开触头使接触器线圈继续保持通电的控制称为自锁或自保, 该辅助常开触头就叫自锁(或自保)触头。正是由于自锁触头的作用, 在松开SB1时, 电动机仍能继续运转, 而不是点动运转。 (2) 停止控制: 按下停止按钮SB→KM线圈失电→KM主触头断开(KM自锁触头也断开)→电动机M停止运转。当松开SB时, 其常闭触头虽恢复为闭合位置, 但因接触器KM的自锁触头在其线圈失电的瞬间已断开, 并解除了自锁, 所以接触器KM的线圈不能继续得电, 即电动机M停止转动。 3) 连接线路 按图分别连接点动和自锁线路 4) 故障分析 在试运行中发现电路异常现象, 应立即停电后作认真详细检查。常见故障如下: (1) 合上QF后, 指示灯不亮。故障原因: 电源有问题(缺相), 查明处理; 熔断器熔丝熔断, 查出更换; 接线有误, 须仔细检查; 指示灯本身坏, 应更换。 (2) 合上QF后, 烧熔丝或断路器跳闸。故障原因: 指示灯被短接; KM的线圈和SB1同时被短接; 主电路可能有短路(QF到KM主触头这一段)。 (3) 合上QF后, 指示灯亮, 电动机马上运转。故障原因: SB1启动按钮被短接; SB1常开点错接成常闭点。 (4) 合上QF后, 指示灯亮, 但按SB1时, 烧熔丝或断路器跳闸。故障原因: KM的线圈被短接; 主电路可能有短路(KM主触头以下部分)。 (5) 合上QF后, 按SB1, KM不动作, 电动机也不转动。故障原因: SB未闭合或接成常