基于单片机的步进电机电路控制设计

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

1 绪论

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1.1 步进电机及其发展

步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机,它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。

步进电机的原始模型起源于1830年至1860年，1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。

1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，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。

1.2 步进电机的分类

步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组

合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。

(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。

(2)永磁式步进电机(Permanent Magnet，简称PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频

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率较低，还需要正负脉冲供电。

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(3)混合式步进电机(Hybrid，简称HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，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。

1.3 课题研究的目的和意义

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。

步进电机已成为出直流电机和交流电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，在人类的生活和生产进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入电气化时代的今天，传统电动机已不能满足工业自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。发展了一系列新的具有控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的就是步进电机。

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上取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快的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 ；本课题通过单片机对步进电机的转速进行控制，满足了现代工业对步进电机的高要求。

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2 系统总体方案

2.1 系统总体规划

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整个系统的构成是由三部分组成。系统主要由键盘控制模块、LCD显示模块和驱动控制模块组成。

本次毕业设计主系统确定设计要求如下：

? 在速度模式下控制电机的启动/停止，加速，减速，反转控制。 ? 在LCD 上同步显示步进电机的转速。 ? 在位移模式下用按键控制电机。 总体规划流程如下图2-1所示 确定设计方案 使用PROTEL设计电路图 根据电路图编写程序流程图 使用KEIL编写程序 不成功 调试 成功 生成.HEX文件 不成功 做PROTEUS仿 真

成功 购买元件焊制硬件实物

完成设计

总体规划流程图

2-1

图 淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

2.2 单片机及外围器件介绍

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单片机采用功能较强的型号AT89C52,显示模块采用来上位电阻模块作为LCD的

驱动，驱动模快采用L297和L298混合驱动模块驱动步进电机。 2.2.1 单片机AT89C52介绍

主要性能

· 标准MCS-51内核和指令系统 · 32个双向I/O口 · 3个16位可编程定时/计数器 · 向上或向下定时计数器 · 6个中断源 · 全双工串行通信口 —帧错误侦测 —自动地址识别 · 空闲和掉电节省模式 · 片内8kROM（可扩充64kB外部存储器） · 256x8bit内部RAM（可扩充64kB外部存储器） · 时钟频率3.5-12/24/33MHz · 改进型快速编程脉冲算法 · 5.0V工作电压 · 布尔处理器 · 4层优先级中断结构 · 兼容TTL和CMOS逻辑电平 · PDIP(40)和PLCC(44)封装形式 功能特性描述

AT89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路[1]。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟