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步进电机控制系统设计课程设计

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课程名称 微机原理与应用

课 题

步进电机控制系统设计

专业班级 ***

学生姓名 ***

学 号 ***

指导老师 ***

审 批

目录

第1章 概述 ................................................ 1

1.1 单片机概述 .............................................. 1

1.2 步进电机概述 ............................................ 2

第2章 系统总体方案设计 .................................... 3

2.1 系统总体设计思路 ........................................ 3

2.2 系统总体设计方案方框图 .................................. 3

第3章 硬件介绍与说明 ...................................... 4

3.1 开发板按键硬件连接及实物说明 ............................ 4

3.2 开发板数码管硬件连接及实物说明 ...................... 5

3.3 开发板步进电机硬件连接及实物图 .......................... 6

第4章 软件设计流程 ........................................ 7

1 4.1 系统整体流程概述 ........................................ 7

4.2 系统整体流程图 .......................................... 8

第5章 调试结果与说明 ...................................... 9

5.1 系统调试 ................................................ 9

5.2 调试说明 ................................................ 9

5.3 调试结果 ............................................... 10

第6章 总结 ............................................... 12

参考文献 ................................................... 13

附录 ....................................................... 14

附录A 系统原理图 ........................................... 14

附录B 程序清单 ............................................. 15

1 第1章 概述

1.1 单片机概述

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。AT89系列单片机。他不但具有一般MCS-51单片机的所有特性，而且还拥有一些独特的优点，此次设计中所用到的STC90C52RC就是其中典型的代表。

STC单片机是以51内核为主的单片机 ：

●高速:1个时钟/机器周期,增强型8051内核,速度比普通8051快8～12倍

●宽电压:5.5～4.1V/3.7V,3.6V～2.4V/2.1V(STC11/10L系列)

●低功耗设计:空闲模式(可由任意一个中断唤醒)

●低功耗设计:掉电模式(可由任意一个外部中断唤醒,可支持下降沿/低电平和远程唤醒,STC11xx系列还可通过内部专用掉电唤醒定时器唤醒)

●工作频率:0～35MHz,相当于普通8051:0～420MHz。

2 1.2 步进电机概述

步进电机是一种感应电机，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

感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式。

一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运动方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

3 第2章 系统总体方案设计

2.1 系统总体设计思路

本系统，通过选取单片机的四个独立键盘作为信号控制的按键输入，并连接到单片机的P3口，通过单片机内部的处理将键盘的输入信号读入并执行相应的动作，并从P,0，P2口分别接数码管的段选端和位选端，从而使得四位数码管能按指定要求显示指点的档位加减，和步进电机运行状态的效果。同时利用程序对步进电机（本方案中采取四项四拍的方式）实施与数码管同步的相应运转状态，从而使得整个步进电机控制系统得以准确的实现。具体设计方框图如下。

2.2 系统总体设计方案方框图

图2.1 总体总体设计方案方框图

P1 P0

STC89C54RT

P3 P2

键盘输入 驱动

步进电机 段选信号

四

位

数

码

管

片选信号

键 盘

4 第3章 硬件介绍与说明

本系统采用自备的STC89C54RD+系列的单片机开发板进行硬件搭接与调试，并利用C语言编程来实现硬件的既定功能。下面就对此些列开发板的硬件电路原理图进行相应的说明。

3.1 开发板按键硬件连接及实物说明

图3.1 按键硬件连接及实物图

图中S1~S4可以配置成独立按键，即通过一个眺冒J11切换，在独立键盘配置中，应该把眺冒跳到左端，此时独立键盘才有效，由于，此个步进电机控制系统中所用的按键刚好四个即可满足要求，因此，系统中采用独立键盘。

本系统设计通过四个独立按键S1，S2，S3，S4接入单片机P3口前四位，当S1键按下时，步进电机正转，当S2键按下时，步进电机反转，当S3键按下时，步进电机通过按键的次数来增大步进电机的脉冲频率从而

5 在原有的转速上进行加速，当S4键按下时，步进电机通过按键的次数来减小步进电机的脉冲频率从而在原有的转速上进行减速。由此，通过四个按键的控制即可实现步进电机的准确控制。

3.2 开发板数码管硬件连接及实物说明

图3.2 数码管硬件连接及实物图

图中74HC573 11脚接VCC，锁存不起作用，相当于直通，相应的段赋值为1，A,B,C赋值0~7，则输出端分别是Y0~Y7置0，从而选通七个数码管，在此步进电机控制系统中仅使用三个数码管，一个用来显示电机运转状态，另外两个用来显示电机转速的不同档位。

本系统设计通过P0口控制数码管的段选，P2口控制数码管的八位数码管的位选，利用数码管的动态扫描选通数码管的1,4,5位数码管，其中

6 第1位为电机的转动状态，4,5位显示一个十位数以用来表示电机转动速度及档位的显示。

3.3 开发板步进电机硬件连接及实物图

图3.3 步进电机硬件连接及实物图

图中ABCD为4相信号输入端，此端默认为悬空，需要用4根杜邦线连接至单片机I/O口，在此系统中，在软件中定义ABCD 4相分别为P1.0，P1.1, P1.2，P1.3,即可利用4根杜邦线将其连接即可。

本系统设计接的是四项的步进电机，每项分别接到P1.0，P1.1，P1.2，P1.3端口上，并通过程序来控制P1高低电平的循环输出。由于此电机利用的是四项四拍方式来驱动电机，因此，通过程序中的设置从而选择合适的脉冲输出频率从P1口的转换成高低电平信号输出，从而可以有效的驱动电机。

7 第4章 软件设计流程

4.1 系统整体流程概述

本系统通过C语言编程，其中包括数码管显示部分，键盘扫描部分，步进电机控制部分三个主要部分，

进入程序先给数码管初始化然后设置中断的工作状态同时开启总中断，然后进入键盘扫描程序部分，首先判断S1键的状态，并通过按键的去抖程序后，给档位进行初始设置,同时设置标志位为1。然后在保证S2键没有按下的前提下进入转速控制子模块并开始检测S3，S4键的状态，并分别在相应的键按下时对档位进行相应的加减，并同步修改电机的转速参数。之后，再对中断装入初值，S1键按下的程序中开启中断，从而程序进入中断并通过标志位的选择从而进入电机正反转的程序，并最后进入数码管的动态扫描。同理可以对S2键进行扫描，流程与上相似。

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步进电机运动控制系统设计

步进电机运动控制系统设计

步进电机运动控制系统设计

设计时考虑到CPU在执行指令时可能受到干扰的冲击,导致程序”跑飞”或者进入”死循环”,因此,设计了看门狗电路,使用的是MAXIM公司生产的微处理系统监控集成芯片MAXI813。

本文还详细地给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编程序。

步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的系统中。在生产过程中要求自动化、省、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微和技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民领域都有应用。

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。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

步进电动机的正反转控制电路设计

步进电动机的正反转控制电路设计

新疆农业大学机械交通学院

《单片机技术与应用》

课程设计说明书

题 目： 步进电动机的正反转控制电路设计

专业班级： 电气工程及其自动化104班

学 号：

学生姓名：

指导教师：

时 间： 2013年6月

目 录

一、设计目的........................................................ 1

二、设计内容........................................................ 1

三、设计步骤........................................................ 1

1．硬件电路设计 ................................................. 1

1.1．硬件电路组成框图........................................ 1

1.2．各单元电路及工作原理.................................... 2

1.3.绘制原理图............................................... 5

1.4.元件计算................................................. 5

1.5.元件清单列表............................................. 6

2.程序设计 ...................................................... 6

单片机课程方案设计书步进电机启动停止正反转

单片机课程方案设计书步进电机启动停止正反转

单片机课程设计报告

步进电机控制设计

姓名： 黄盛海 201030480108

詹志勋 201030480125

郑榕生 201030480128

班级： 10车辆工程1班

指导老师： 李震 姜晟

日期： 2012.6.18~6.20

华南农业大学工程学院

摘要：步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。

本次课程设计主要采用AT89S52芯片，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。控制系统主要由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括单片机的最小系统模块、电源模块、控制模块、步进电机ULN2003A驱动模块、彩灯显示模块5个功能模块的设计。并且通过仿真控制系统对硬件、软件进行了调试和改善，实现了上述功能。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

关键词：步进电机 单片机 电脉冲 驱动系统 汇编语言

目录

1、课程设计目的及要求……………………………………4

2、整体系统分析……………………………………………4

3、硬件系统分析……………………………………………6

4、软件系统分析……………………………………………10

5、调试结果…………………………………………………10

6、结论………………………………………………………11

7、参考文献……………………………………………………12

附一：源程序…………………………………………………12

1. 课程设计目的及要求

1.1 课程设计目的

增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解；

步进电机控制器的设计

步进电机控制器的设计

DSP（Digital Signal Processor）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其采用先进的软、硬件结构，其内部的程序空间和数据空间分开，可以同时访问指令和数据，并且具有事件模块管理功能及快速的中断处理功能，其以高性能及日趋低价位的特点，越来越广泛地应用于信息处理、控制系统中。TMS320LF2407芯片作为一款定点DSP控制器尤为适合于控制系统，其所包含的事件管理模块，可以极为方便的实现电机数字化控制。步进电机是数字控制系统的一种常见的执行元件，其接收数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。步进电机具有开环控制无累计误差的优点，控制系统结构简单，因而得到了广泛的应用。本文所介绍的是一种基于TMS320LF2407实现的步进电机控制系统的设计。

整个系统分为五个部分组成：DSP中央控制器TMS320LF2407，步进电机及驱动，光电编码器，键盘及液晶显示部分，以及整个系统的外围电源电路及看门狗复位电路组成，如图1所示。在这个系统设计中，由键盘设定给定转速（位置），通过中央控制器TMS320LF2407来产生PWM脉冲信号来控制步进电机的转速（位置），可以采用光电编码器对步进电机的转速（位置）进行采样检测实现闭环控制，也可以采用开环控制无需转速（位置）信号，以上过程中的多个变量、参数可以在液晶显示屏上得到直观地反映。整个硬件结构简单直观，中央控制器TMS320LF2407还剩余丰富的I/O及中断资源，在此设计基础上具有一定的扩展空间。

图1 硬件原理方框图

本设计采用的是55BF03型三相反应式步进电机，其接收数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。此设计是用中央控制器TMS320LF2407产生的PWM环形脉冲信号经过信号分配以及功率放大传送给步进电机实现对步进电机的角位置或直线位移控制，所以此步进电机的驱动结构设计由以下几部分组成，脉冲信号，信号分配，功率放大，步进电机及负载，如下图2所示。在这个设计中基于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面的考虑，在这里设计成产生一个三相六拍信号来进行步进电机的控制，通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA，步距角为1.5°,功率放大采用的是典型的单压驱动方式。