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基于单片机控制的步进电机的毕业论文

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.WORD版本. 基于单片机控制的步进电机的毕业论文

第一章 前言 1.1步进电机简介 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机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、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。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 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 .WORD版本.

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。

第二章 步进电机工作原理及系统方案论证

2.1步进电机工作原理 2．1．1步进电机结构

电机转子均匀分布着40个小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定子和转子的展开图：

图2.1 .WORD版本.

2．1．2 步进电机的旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て ，这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。

图2.2 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合， .WORD版本.

使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

2.2 课程设计目的、要求及设计方案论证

2.2.1 设计目的 （1）设计并实现给定步进电机的控制； （2）进一步掌握步进电机的控制方法； （3）进一步掌握单片机硬件和软件的综合设计方法。 2.2.2 设计要求实现功能 （1）电机工作方式为三相双三拍，初始转速100r/min ； （2）能够实现电机的启/停功能； （3）能够实现电机的正/反转功能； （4）能够实现电机的加/减速功能。 2.2.3 设计方案论证 （1）控制方式的确定

步进电机控制是一个比较精确的控制，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP .WORD版本.

图2.3 脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是CP脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行。但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。 （2）驱动方式的确定 步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。用编码器的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制，就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对步进电机进行调节；别一种是通过光同轴的电编码 .WORD版本.

器把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光电骗码器作为反馈元件。 （3）驱动电路的选择 步进电机的驱动电路有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节围比较广，固应选用驱动芯片8713来驱动，并通过软件来实现步进电机的调速。 （4） 基本方案的确定 因本次设计的要求，选用三相双三拍步进电机，单片机选用89C51作为控制器。选用8279来驱动显示和键盘。选用8713作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动步进电机。然后用与步进电机同轴的光电编码器作为反馈元件，并把反馈回的信号经CPU处理后再由显示器显示出来。

第三章 系统硬件电路设计 3.1 单片机的选择 本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 .WORD版本.

3.1.1单片机的引脚功能 （1）VCC（40）：电源+5V。 （2）VSS（20）：接地，也就是GND。 （3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。 （4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。 （5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。 （6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 （7）EA/VPP（31）：/外部ROM选择端 （8）P0口（39-32）：双向I/O口。 （9）P1口（1-8）：准双向通用I/0口。 （10）P2口（21-28）：准双向I/0口。 3.1.2 主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片振荡器和时钟电路 （1）振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡 .WORD版本.

器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 （2）芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.2 步进电机的选择 因本次设计的要求，步进电机应选用三相双三拍的步进电机，具体说明如下: 三相双三拍控制模型：

正转控制模型 步序 工作 状态 控制模型 二进制 十六进制 1 AB 00000011 03H 2 BC 00000110 06H

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本科毕业论文__基于单片机的步进电机的细分控制器的设计 精品

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基于单片机的步进电机的细分控制器的设计摘要步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，具有易于开环控制、无积累误差等优点，在众多领域获得了广泛的应用。

步进电机的运行品质既与电机的本体性能有关，也与驱动器和控制器的性能有关。

一般步进电机的运行噪声大，控制精度低，无法满足很多场合下较高运行品质的要求，因此实现步进电机的细分控制可以较大地改善步进电机的系统性能。

本课题在总结和归纳多种步进电机细分控制技术的基础上，设计完成了基于单片机的步进电机细分控制系统。

细分驱动技术是一种能有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技术。

广泛应用于对工况要求较高的场合，尤其在一些要求高精度、低噪音、低振动的系统中，细分驱动成为步进电机驱动的首选驱动技术。

本文先介绍了三相步进电机的结构和工作原理，然后在对步进电机细分驱动技术和单片机研究的基础上，分析了细分驱动对于改善步进电机运行性能的作用，该方案中电流细分技术基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪音大的缺点，减小发生共振的几率。

该方案能避免其它相绕组的感应电压和绕组电流的漂移带来的误差，提高了细分精度。

本文采用控制电路主要由AT89C51单片机、晶振电路、地址锁存器、译码器、EEPROM存储器及可编程键盘/显示控制器Intel-8279等组成，单片机是控制系统的核心。

采用IR2130功率驱动芯片作为步进电机的功率驱动器件。

文中对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现都做了详细的介绍。

关键词单片机；步进电机；细分控制- I -Design of Stepper Motor Subdivision ControllerBased on MicrocontrollerAbstractStepper motor is a kind of electromechanical component that is driven in step angle or line displacement by electric pulse signal. Because of having the advantage of easy open-loop control and no accumulating error，stepper motor is being applied widely in many fields . As an integrated system including with both stepping motor and driver，its quality of operation is depended on the performance of motor，driver and controller .Generally，the noise of the stepping motor is great，and control precision is low，which can＇t meet request of the high running quality in many situations . So the performance is improved in stepping motor operation through realizing the subdivision operation of stepping motor. This topic in summarizes various stepping motor subdivision control technology, on the basis of these technology, completed the design of stepping motor subdivision system based on single-chip microcomputerThe stepper motor‟s micro-stepping driver is a kind of driving technology that can effectively improve the step precision and characteristic of low frequency. It is mostly used when the equipments require high-precision，low noise or low vibration system, and it is being a more and more popular driving technology.In this paper，the working principle and configuration of three-phase Stepper are introduced，then based on technologies such as stepper motor controller and microcontroller .we analysis the using of micro-stepping driving technology to improve operational performance . Current subdividing technology not only overcomes the disadvantages of motor‟s vibration and noise at low speeds but also reduces probability of resonance. It prevents the reactive voltage errors brought by other windings and the drift errors brought by current. It improves the precision of subdivision. In the thesis，we develop a single chip computer-based digital controlling system for a three-phase stepper motor that is mainly constructed from a AT89CS1 single chip computer and 8279IC which is used as the core of control parts and a three full-bridge driver IR2130. The power stage of this driver uses IGBT IR2130 that provides high reliability. Based on the approach，the system＇s whole architecture，the design of hardware and software are in traduced in detail. Keywords Single chip microcomputer；Stepper motor；Subdivide control- II -目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................................ I I第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 步进电机概述 (1)1.3 步进电机驱动系统概述 (2)1.4 国内外研究状况及发展趋势 (3)1.5 论文研究内容 (4)第2章步进电机及其驱动系统 (5)2.1 步进电机及其工作原理 (5)2.1.1 步进电机的结构特点 (5)2.1.2 步进电机的基本工作原理 (5)2.1.3 绕组通电方式 (6)2.1.4 步距角的控制 (7)2.2 步进电机驱动系统 (7)2.2.1 步进电机驱动系统简介 (7)2.2.2 步进电机细分驱动原理及特点 (8)2.3 本章小结 (9)第3章控制芯片及相关器件简介 (10)3.1 单片机的介绍 (10)3.1.1 芯片的选择 (10)3.1.2 AT89C51单片机与管脚功能简介 (11)3.2 8位数模转换器DAC0832简介 (14)3.3 8279显示与键盘控制芯片简介 (15)3.3.1 8279显示键盘控制芯片的功能 (15)3.3.2 8279显示键盘控制芯片引脚定义 (15)3.4 IR2130驱动电路简介 (16)3.4.1 IR2130结构及功能 (16)3.4.2 IR2130的逆变器电路结构 (18)3.5 本章小结 (19)第4章系统构架与硬件电路的设计 (20)4.1 系统硬件结构 (20)4.2 系统硬件电路设计 (21)4.2.1 单片机控制电路 (21)4.2.2 电机驱动电路 (21)- III -4.2.4 开关电源电路 (22)4.2.5 显示和键处理电路 (23)4.3 本章小结 (24)第5章系统软件设计 (25)5.1 系统软件总体结构 (25)5.2 系统开发软硬件环境 (25)5.3 步进电机控制主程序设计 (26)5.4 步进电机细分驱动程序设计 (27)5.5 步进电机显示和键处理程序设计 (28)5.6 本章小结 (30)结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)附录A (34)附录B (42)附录C (48)- IV -第1章绪论1.1课题背景随着电力电子技术、微电子技术，控制技术的快速发展和EDA技术的日益成熟，特别是高性能可编程逻辑器件的出现，使得步进电机驱动系统集成化设计成为可能，并伴随着电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。

基于单片机的步进电机调速系统毕业设计

基于单片机的步进电机调速系统毕业设计

摘要步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机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。

本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，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ULN2004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。

本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。

该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。

关键词：步进电机；脉宽调制；驱动机构；单片机；转动AbstractThe open-loop system which is composed by step-motor is simple, cheap and very practical, so there are very wide range of applications in printers and other office automation equipment and various control devices, and many other fields.This article describes one design of step-motor system based on microcontroller.The program of the preparation of a motor , reverse, speed up, slow down, stop is written by compile language. The above functions are realized through the microcontroller, motor driver chip ULN2004 and correspond key , and the work state of stepper motor is diaplayed through the light-emitting diode. This article introduces the principle of stepper motor and single-chip microcomputer, the system hardware circuit, the program components, while software and hardware for the debugging, at the same time introduces the problems which are appeared in the debugging process and the solutions of the problems . The design has the advantages of clear , high reliability, strong stability, etc.,and the above-mentioned functions are realized through the debugging.Key Words:Stepper motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; singlechip; rotation目录第1章绪论 (1)1.1 课题研究的目的和意义 (1)1.2 国内外研究概况 (1)1.3 论文的主要研究内容 (2)第2章步进电机与单片机简介 (3)2.1 步进电机介绍 (3)2.2 步进电机驱动系统介绍 (7)2.3 单片机原理 (9)2.4 ULN2803原理 (17)2.5 晶体振荡器 (19)2.6 发光二极管 (21)第 3 章系统整体硬件结构 (22)3.1 系统框图 (22)3.2 电源部分 (22)3.3 按键部分 (23)3.4 驱动部分 (24)3.5 显示部分 (25)第4章系统软件设计 (27)4.1 系统开发软硬件环境 (27)4.2 系统主程序 (27)4.3 查键部分 (27)4.4 前进部分 (28)4.5 后退部分 (29)4.6 加速部分 (30)4.7 减速部分 (31)第 5 章系统的调试与检测 (32)5.1 程序编译时的错误与解决方法 (32)5.2 LM7812输出电压错误与解决方法 (32)5.3 步进电机转动错误及解决方法 (32)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (35)附录 (36)本次毕业设计选用的步进电机是四相步进电机，通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管显示。

基于单片机的步进电机控制系统设计本科生毕业设计(论文)

基于单片机的步进电机控制系统设计本科生毕业设计(论文)

单片机技术与应用课程设计题目步进电机控制系统设计院系年级专业班级学号姓名指导教师设计时间实训报告成绩：指导教师（签字）：年月日步进电机控制系统设计摘要本设计通过ATMEL89C51单片机对步进电机进行控制,主要介绍了步进电机控制器、驱动电路和LED显示电路的设计,实现了步进电机的控制。

具有以下功能：1、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转；2、电机运转状态可以是正反转，加速减速；3、通过LED数码管显示电机运行状态特点。

该系统具有成本低、控制方便的特点。

关键词：单片机步进电机调速控制Stepper motor control system designAbstractThe design by ATMEL89C51 Microcontroller stepper motor control, mainly the stepper motor controller, drive circuit and LED display circuit design to achieve a stepper motor control. It has the following features: 1. Press different keys, respectively stepper motor clockwise and counterclockwise; 2, motor running state may be reversing, acceleration and deceleration; 3, through the LED digital display motor running features. The system is low cost, convenient control features.Key words: microcontroller; Stepper motor; Speed Control目录1.引言 (3)1.1步进电机 (3)1.2研究的目的和意义 (3)1.3步进电机工作原理 (4)1.3.1步进电机的控制 (4)1.3.2步进电机的工作过程 (4)1.3.3步进电机的转速计算 (5)2.系统概述 (6)2.1系统实现功能 (6)2.2系统总体构成 (6)2.3系统工作流程 (7)2.3.1主程序框图 (7)2.3.2按键处理程序框图 (9)3.硬件电路设计 (10)3.1单片机最小系统 (10)2.3.2 复位电路 (11)2.3.3 振荡电路 (12)3.3按键电路模块 (13)3.4数码管显示电路模块 (13)3.4.1位码选择电路 (14)3.4.2 LED电路 (15)3.5电机驱动模块 (15)4.软件电路设计 (16)4.1按键处理程序设计 (16)4.2电机旋转程序设计 (17)4.3数码管显示程序设计 (19)5.系统调试 (21)5.1 软件仿真 (21)5.2 实物调试 (22)5.3 调试结果及现象说明 (22)6.总结 (23)7.参考文献 (24)8.附件 (24)8.1程序清单 (25)8.2 DXP原理图 (28)8.3 Proteus仿真图 (29)8.4硬件实物图 (30)1.引言1.1步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

《2024年基于单片机的步进电机控制系统研究》范文

《2024年基于单片机的步进电机控制系统研究》范文

《基于单片机的步进电机控制系统研究》篇一一、引言随着科技的不断发展，步进电机在各种自动化设备中得到了广泛的应用。

步进电机控制系统作为其核心部分，其性能的优劣直接影响到设备的运行效率和稳定性。

本文旨在研究基于单片机的步进电机控制系统，通过分析其工作原理、设计方法及控制策略，以提高步进电机控制系统的性能。

二、步进电机及其工作原理步进电机是一种将电机的旋转运动转换为直线运动的装置，具有定位精度高、控制方便等优点。

其工作原理主要是通过改变电机的电流方向，使电机按照设定的方向进行旋转。

步进电机的运动是离散的，每一步的转动角度是固定的，因此可以通过控制电机的步数来精确控制电机的位置。

三、单片机在步进电机控制系统中的应用单片机作为一种微型计算机，具有体积小、功耗低、控制能力强等优点，被广泛应用于各种控制系统中。

在步进电机控制系统中，单片机作为核心控制器，负责接收上位机的指令，对步进电机进行精确的控制。

通过编程，可以实现步进电机的正反转、启动、停止、加速、减速等操作，从而实现对设备的精确控制。

四、基于单片机的步进电机控制系统设计（一）硬件设计基于单片机的步进电机控制系统硬件主要包括单片机、步进电机、驱动器、电源等部分。

其中，单片机是控制系统的核心，负责接收上位机的指令并输出控制信号；步进电机是实现设备运动的关键部分；驱动器负责将单片机的控制信号转换为步进电机能够识别的驱动信号；电源为整个系统提供稳定的供电。

（二）软件设计软件设计是步进电机控制系统的关键部分，主要包括单片机的编程和控制策略的设计。

通过编程，实现单片机的初始化、与上位机的通信、步进电机的控制等功能。

同时，根据设备的实际需求，设计合适的控制策略，如PID控制、开环控制、闭环控制等，以提高设备的控制精度和稳定性。

五、控制策略及优化方法（一）开环控制策略开环控制策略是一种简单的控制方法，它不依赖于反馈信息来调整输出。

在步进电机控制系统中，开环控制策略主要用于粗略的位置控制或速度控制。