基于proteus步进电机仿真及程序

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基于Proteus 与单片机的步进电机控制设计杨 宏,李国辉(西安邮电学院 陕西西安 710061)摘 要:步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

采用AT 89C52单片机内部的定时器改变CP 脉冲的频率从而实现对步进电机的转速进行控制,实现了电机调速与正反转的功能,并使用EDA 软件P roteus 对设计进行了仿真,同时还设计了硬件电路。

结果表明,使用P roteus 仿真结果与硬件电路实验结果基本一致。

先采用P rot eus 仿真,再移植到相应的硬件电路,这种方式可以减小系统开发成本和周期,具有一定的推广价值。

关键词:步进电机;单片机;调速系统;Pr oteus中图分类号:T P27 文献标识码:A 文章编号:10042373X(2010)052104203Design of Control S ystem of Stepper Motor Based on Proteus and S ingle Chip MicrocomputerYANG Hong,LI Guohui(Xi c an Uni versit y of P ost and Telecommunicat i ons,Xi c an,710061,China)A bstra ct :Stepper motor is the open 2loop contr ol device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.The speed of stepper motor is controlled by turning the CP pulse frequency by the internal timer of AT 89C52single chip microcomputer,and its nor mal 2r everse funct ion is realized.The simulation is done by the P roteus soft 2ware of EDA,and the ha rdwar e circuit is also designed.T he r esults show that the simulation results by Proteus softwar e and the har dware exper imental results are basica lly consist ent.The simulation is used firstly by P roteus,and it is t ransplanted into the cor responding hardware cir cuit.This way can reduce system c s developing costs and cycle,and has a certain pr omoting value.Keywords :stepper motor ;single chip microcom puter;speed regulating system;Pr oteus收稿日期:2009210226基金项目:国家自然科学基金资助项目(40974078);陕西省自然科学基金资助(2007D15)0 引 言步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。

前言步进电机成为执行元件,是机电一体化的重要产品其一,频繁使用在种种自动化操控系统中。

伴随微型电力电子和计算机技术的扩展,步进电机的需求量不断增加,在每一个国民经济地方都有使用。

最近几年来，伴随数字电子技术与微操控器的迅速崛起。

从而使得步进电机被频繁用于诸多运动操控中使用，这是因为数字输入性能的步进电机允许它连接到任何数字操控器。

在步进电机的操控的电路中能够根据操控脉冲信号个数来操控角位移量,所以实现准确定位的最终结果; 因为步进电机每次输入一个脉冲信号就可以转动一个固定的角位移，简单的说一个脉冲信号与一个固定角位移是一一对应关系。

这样就能够根据操控步进电机的任意两个连续脉冲信号的时间间隔来更改脉冲信号的频率，通过控制时间延时长短来操控步进角从而间接更改步进电机旋转的速度，最后达到实现步进电机的调节速度的效果。

步进电机能够成为一种操控用的特种电机,根据其没有积累的误差(精度为100%)的特性,频繁使用在种种开环操控。

伴随微型电力电子和计算机技术的扩展，步进电机的需求和日俱增，研究制造步进电机驱动器和操控系统具备非常重要的意义。

第1章绪论第一节单片机控制步进电机的背景与意义步进电机是根据操控脉冲信号个数来间接操控角位移量，最后实现准确定位的最终结果；它是一种电机一体化系统在增量运动转换成发散的数字信号输入的机械运动。

步进电机轴或者主轴旋转发散一步增量时，命令脉冲信号使用在适当的序列转子旋转固定一步取决于其建设。

较直流电机步进电机有诸多优势，即低摩擦，寿命长，使用的轴承极其稳定，由于没有接触刷和减少转子散热，并且根据其没有积累误差(精度为100%)的特性,频繁使用在种种开环操控系统。

步进电机能够成为一种操控用的特种电机。

它被成为最常用的一种电机，频繁使用在数控机床、机器人、自动化仪表等地方。

步进电机有3种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。

步进电机是通过用电脉冲信号进行操控的，通俗的说：步进电机的位置和速度由脉冲信号数和频率决定。

proteus中的步进电机有两种，六线制(MOTOR-STEPPER)和四线制(MOTOR-BISTEPPER)，六线制的左右中间两根线接电源，任然剩下四根，但的顺序和四线制的不同，见下图。

注意a,b,c,d的顺序在实际情况中，单片机是不能直接拖动步进电机的，需用ULN2003这样的器件两个步进电机都是四相电机。

如果用四拍：那么P2输出的(顺时针）顺序就是：0x03,0x06,0x0c,0x09a 1 0 0 1b 1 1 0 0c 0 1 1 0d 0 0 1 1如果用八拍：那么P2输出的(顺时针）顺序就是：0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09a 1 1 0 0 0 0 0 1b 0 1 1 1 0 0 0 0c 0 0 0 1 1 1 0 0d 0 0 0 0 0 1 1 1给一个测试八拍的仿真程序：1.#include<reg52.h>2.3.main(){4.while(1){5.unsigned int i,j,k;6.for(k=0;k<255;k++){7.for(i=0;i<75;i++)8.for(j=0;j<255;j++);9.P2=0x01;10.for(i=0;i<75;i++)11.for(j=0;j<255;j++);12.P2=0x03;13. for(i=0;i<75;i++)14.for(j=0;j<255;j++);15.P2=0x02;16.17. for(i=0;i<75;i++)18.for(j=0;j<255;j++);19.P2=0x06;20.for(i=0;i<75;i++)21.for(j=0;j<255;j++);22.P2=0x04;23.for(i=0;i<75;i++)24.for(j=0;j<255;j++);25.P2=0x0c;26. for(i=0;i<75;i++)27.for(j=0;j<255;j++);28.P2=0x08;29.30. for(i=0;i<75;i++)31.for(j=0;j<255;j++);32.P2=0x09;33.34.35.}36. }37.}。

实验九步进电机控制实验姓名专业通信工程学号成绩一、实验目的1.掌握keil C51软件与proteus软件联合仿真调试的方法；2.掌握步进电机的工作原理及控制方法；3.掌握步进电机控制的不同编程方法；二、实验仪器与设备1.微机1台2.keil C51集成开发环境3.Proteus仿真软件三、实验内容1.用Proteus设计一四相六线步进电机控制电路。

要求利用P1口作步进电机的控制端口，通过达林顿阵列ULN2003A驱动步进电机。

基本参考电路见后面附图。

2.编写程序，实现步进电机的正反转控制。

正反转时间分别持续10S时间，如此循环。

3.设计一可调速步进电机控制电路。

P3.2~P3.5分别接按键k1~k4，其中k1为正反转控制按键，k2为加速按键，k3为减速按键，k4为启动/停止按键，要求速度7档（1~7）可调，加减速各设3档，复位时位于4档，要求每档速度变化明显。

该步进电机控制电路在以上电路的基础上自行修改。

四、实验原理1.步进电机控制原理：1)步进电机是利用电磁铁的作用原理，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。

特点A.来一个脉冲，转一个步距角。

B.控制脉冲频率，可控制电机转速。

C.改变脉冲顺序，可改变转动方向。

2)以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。

三相反应式步进电动机的原理结构图如下，定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。

转子有四个齿。

给A相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。

由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。

由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。

3）三相反应式步进电动机的控制原理①三相单三拍：A 相→ B 相→ C 相→ A 相②三相六拍：A→AB →B →BC →C → CA→ A③三相双三拍：AB →BC →CA→AB4）步距角计算公式：θ—步距角 Z r—转子齿数 m —每个通电循环周期的拍数2、ULN2003A：七达林顿阵列ULN2003A是集成达林顿管反相驱动电路，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动电机、继电器等功率器件。

基于上位机和 Proteus 的步进电机仿真控制系统设计摘要：本文介绍了基于上位机和Proteus的步进电机仿真控制系统的设计方案。

该方案是以单片机80C51为核心，通过ULN2003A 驱动步进电机，再结合上位机和Proteus仿真系统，实现对步进电机的有效控制。

关键词：51单片机；上位机；步进电机随着科学技术的不断发展，计算机科学技术已被广泛应用于各行各业中，多数电气设备的运行都离不开电机的拖动，而步进电机是常用于过程控制和及仪表中的控制元件之一。

因其控制系统具有结构简单、功能强大、性能稳定、价格低廉等诸多优点，在数控机床、自动化包装、电动阀门、医疗设备等方面有着广泛而深入的应用。

步进电机具有以下优点：结构部件少，没有电刷，在较宽范围内进行速度平滑调节；步进电动机速度不受负载变化的大小的影响，具有快速启停、易于调整、停止时能自锁等特点。

因此，笔者设计了一种基于上位机和Proteus的步进电机仿真控制系统，可以实现上位机和单片机对步进电机正转、反转和停止的控制，在教学和实际应用中有一定的参考价值。

1 总体设计方案本系统采用的主控制单元是美国STC公司最新推出的51内核的高性能微处理器STC89C52，与供电模块、电机驱动模块、按键输入模块、通信模块等外围电路及以python中Tkinter编写的上位机一起构成了基于上位机和Proteus的步进电机仿真控制系统。

该系统具有以下主要功能：①在上位机界面实现，用虚拟按键对步进电机的正转、反转和停止控制；②在Proteus界面，用按键实现对步进电机的正转、反转和停止控制；③在Proteus界面，实现上位机按键和Proteus界面按键控制的切换；④在上位机界面和Proteus界面显示步进电机启停状态。

⑤上位机和51单片机通过串口进行通信。

系统框架如图1所示。

本设计包含硬件设计和软件设计两部分。

图1 系统框图2 硬件设计Proteus的步进电机仿真控制系统硬件电路图如图2所示。

基于Protues的步进电机控制系统仿真设计.计算机控制技术课程设计报告《基于Protues的步进电机控制系统仿真设计》姓名:学号:专业: 自动化(1)班授课老师: 老师日期: 2013/6/20目录引言 ...................................................... 1 1设计电源 ................................................ 1 2.四项步进电机 (1)2.1步进电机 ................................................. 1 ..2.2步进电机的控制 (1)2.3步进电机的工作过程 ....................................... 1 3电路图设计 . (2)3.1AT89c52的概述 (2)3.2最小系统 (2)3.3复位电路 (2)3.4控制电路 (3)3.5电机驱动电路 ............................................. 3 4程序设计 (3)4.1 主程序框图 (3)4.2 步进电机速度控制程序框图 (4)4.3 控制开关输入程序框图 ................................... 5 5结束语 .................................................. 6 [参考文献] ................................................ 7 附录A 源程序 ............................................. 8 附录B ................................................... 10 ..引言通过控制AT89c52芯片，实现对四相步进电机的转动控制。

摘要随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。

步进电动机由于其将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，最突出的优点是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、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行。

因此，随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，并且在打印机、手工业自动控制、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、数控机床等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

本设计基于Proteus 设计环境，运用了AT89C51芯片、数码管显示电路和步进电机以及7位小功率驱动芯片ULN2003A、按钮、指示灯等辅助硬件电路，设计了步进电机正反转及调速系统。

绘制软件流程图，进行了软件设计并编写了源程序，最后对软硬件系统进行联合调试。

该步进电机的正反转及调速系统具有控制步进电机正反转的功能，还可以对步进电机进行两档调速。

关键词：步进电机，时序控制，正反转，调速AbstractWith the development of digital technology, digital control technology has been applied widely and deeply. Stepping motor because of its micro motor electric pulse signal into corresponding angular displacement or linear displacement, its most prominent advantage is that by changing the pulse frequency in a wide frequency range to achieve speed, quick start and stop, positive control and braking, and the composition of the open-loop system is simple, cheap, and very practical. Therefore, with the development of microelectronics and computer technology, the demand of stepping motor grow with each passing day, and in the printer, the handicraft industry automatic control, combined machine tool, robot, computer peripheral equipment, camera, has an extremely wide range of applications in many fields, projector, digital camera, CNC machine tools and other office automation equipment and various control device.Stepping motor is a kind of electrical pulses into angular displacement of the implementing agencies, its working principle is the use of electronic circuit, the power supply will be a DC component, phase sequence control current, the current in the motor power supply for the step, step motor to work properly, power driver for step motor time-sharing, multi-phase sequential controller. Popular point of view: when stepping drive receives a pulse signal, it drives stepper motor rotate in the direction set by a fixed angle (i.e. step angle). You can number of pulses to control the angular displacement of the control, so as to achieve the purpose of accurate positioning; at the same time, you can control the pulse frequency to control motor rotation speed and acceleration, so as to achieve the purpose of speed.The Proteus design environment based on AT89C51 chip, use, digital tube display circuit and stepper motor and 7 small power drive chip ULN2003A, buttons, lights and other auxiliary hardware circuit, the design of the stepper motor positive inversion and speed regulation system. Draw the flow chart of the software, the software design and program the source program, the joint debugging of hardware and software system. Positive inversion and speed control system of the stepping motor is reversing the stepper motor control function, but also on the stepper motor two stall speed.Key words：Stepper motor, timing control, reverse, speed目录摘要 (I)1绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2设计要求 (1)2方案论证 (2)2.1 控制方式的确定 (2)2.2 驱动方式的确定 (2)3硬件设计 (3)3.1 硬件总体介绍 (3)3.2 步进电机 (3)3.3 单片机 (8)3.4 转向显示电路 (12)3.5 数字显示电路 (14)3.6 步进电机驱动电路 (18)3.7 按键电路 (20)4软件设计 (22)4.1主程序流程图 (22)4.2步进电机运行子程序流程图 (23)4.3显示子程序流程图 (24)5设计仿真 (25)5.1 Keil uVision4模拟仿真 (25)5.2 proteus模拟仿真 (26)结论 (30)致谢 (31)参考文献 (32)附录1 (33)附录2 (34)附录3 (39)1绪论1.1课题背景现在社会，对精度的要求越来越高，特别是在空调、航空等方面，通风口打开多少度、太阳能帆板展开多少度等等的要求非常高，而普通电机达不到这样的精度，这时就需要用到步进电机。

计算机控制技术课程设计报告《基于Proteus的步进电机控制系统仿真设计》专业及班级______ 09自动化（1）班_________ 姓名_____ 吴红田坤王林指导老师_______ 丁健______________完成时间_______ _ 2012-6-17__________________基于protues的步进电机控制系统设计摘要：步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。

控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。

为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。

人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。

此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。

一、步进电机原理、控制技术及其特点由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备….步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统的控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。