毕业论文-开题报告-文献综述：基于单片机的步进电机控制系统的设计.Doc

1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现一、课题研究意义及现状步进电机是一种将数字脉冲信号转换成机械位移或者线位移的数模转换元件。它只有在专用的脉冲电源供电下进行，其转子的角位移量，与输入脉冲数成正比。尽管每走一步的步距角存在一定的误差，然而，连续旋转一周后，其累计误差为零。另外，步进电机动态响应快，控制性能好，使它和驱动控制器组成的开环数控系统，既有较高的控制精度，良好的控制，又能稳定可靠的工作，使之成为各种电机中的首选。随着世界经济全球化的发展，国际上发达国家的一些大公司，将一些量大面广的劳动密集型的产品向劳动力比较低低廉的中国转移使得我国在该类电

2、动机的研究及生产上，形成了一定的规模，在国际市场上已有很强的竞争力。本课题就是采用单片机和步进电机相结合的方式，设计一个硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，交互性强，可靠性高的控制系统。该系统运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，节约了单片机的端口，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，加入看门狗电路，在软件设计上加入去抖动，使系统更加的完善化，但是其中也存

3、在不足，需要进一步研究。通过对课题的研究，可使我进一步理解单片机强大的运算功能和可编程的特点，同时学会利用单片机进行设计电路，并且用改变软件方法来控制步进电机实现不同的运行状态，将使我在大学期间所学到的知识不但得到充分的利用，而且还扩充了步进电机这方面的知识，为以后在工作岗位上，从事相关工作打下良好基础。二、课题研究的主要内容和预期目标设计一套低成本、硬件系统较简单，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高的步进电机控制系统。具体要求如下：1.能使电机运行于三相双三拍和三相单双六拍的方式；2.运行模式有单步、连续和预置步数三种；3.可以预置转向或者在运行时改变转向；4.预置步数运行模式时，

4、步数设置范围为 0999 步；5.连续运行模式时速度 256 档可调（0255） ；6.步进控制脉冲输出频率范围：20HZ2KHZ 或更宽；7.用三位数码管显示速度档位或者步数，用两个 LED 分别指示电机转向和运行方式；8.各种操作用按键来输入，操作方便；可靠性高。三、课题研究的方法及措施 经过思考，系统采用并行控制方式，暂定用单片机（AT89C2051）的接口直接控制步进电机的各项驱动电路。然后采用键盘作为一个外部的中断源，设置步进电机的正转、反转、启动、停止、档位等功能，采用中断和检验相结合的方法来调用中断服务程序，以达到对步进电机的最佳控制，以及及时显示正转、反转速度等状态。为了提高了

5、系统的抗干扰性，防止驱动电路的干扰通过电源线或其它电气上的途径串入控制电路，考虑在系统中增加光电隔离器；为了节省硬件的成本，考虑 LED 显示部分用 BCD锁存/七段译码进行译码和驱动；同时为了防止电路因死机带来的不便，考虑系统增加复位电路来确保系统的顺利工作。综上所述，初步形成如下图所示的电路设计：七 段L E D 及 运 动 状 态指 示M C U电 源按 键光 电 隔 离电 机 驱动 电 路电 源看 门 狗复 位 电路步 进 电 机四、课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年10月18日至2011年4月17日。2010 年 10 月 18 日至 2010 年 10 月 31 日：分析任

6、务，收集资料，系统总体方案设计。2010 年 11 月 1 日至 2010 年 11 月 17 日完成开题报告、文献综述、外文翻译。2010 年 11 月 18 日至 2011 年 1 月 31 日：设计与写论文，完成步进电机控制系统的全部硬件电路的具体设计（包括单片机系统模块电路） ，同时完成软件部分设计并进行系统调试。2011 年 2 月 1 日至 2011 年 3 月 1 日撰写设计报告与论文。2011 年 3 月 2 日至 2011 年 3 月 31 日：设计作品完善，论文修改，并上交作品。2011 年 4 月 1 日至 2011 年 4 月 17 日：准备答辩，完成答辩五、参考文献1

7、 求是科技. 单片机典型模块设计实例导航（第 2 版）M.北京：人民邮电出版社，2008,7.2 田希辉，薛亮儒.C51单片机技术教程 M.北京：人民邮电出版社，2009，12.3 李忠杰,宁守信.步进电动机应用技术M.北京：机械工业出版社，1998，10.4 林瑞光. 电机与拖动基础M.杭州：浙江大学出版社，2005，8.5 陈隆昌，阎治安，刘新正.控制电机M.西安：西安电子科技大学出版社，2001，6.6 盛 超 .基 于 AT89C2051的 混 合 式 两 相 步 进 电 机 控 制 器 J.电 气 应 用 ， 2005， 24（ 1） ： 67 69.7 刘 兴 辉 ,毕 国 玲 .

8、步 进 电 机 的 单 片 机 控 制 系 统 研 制 J.辽 宁 大 学 学 报 ， 2 2007， 34（ 4） ： 86 88.8 霍迎辉，陈宇翔.步进电机的微机和单片机控制J.电机技术，2005，1 ：62 64.9 董晓庆. 步进电机驱动器的关键技术研究J.单片机与嵌入系统，2008， （6 ）：112114.10 Donald A.Neamen. Electronic Circuit Analysis and Design(Second Endition)New York(USA):Mc Graw Hill,June,2004.11 Albert C.Leenhouts.Smoot

9、h Step Motor Motion With Half Driver.Annual Symposium on IMCSD.1995,24(2).毕业论文文献综述电气工程及自动化步进电机的综述摘要：本文介绍步进电机的定义，发展历史和国内外的状况，以及他自身的优越性，介绍在电气自动化，数字电路控制，微步驱动技术的运用，以及它的发展趋势。关键词：步进电机；电气自动化；数字控制；发展趋势课程背景步进电机是一种将数字脉冲信号转换成机械位移或者线位移的数模转换元件。它只有在专用的脉冲电源供电下进行，其转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比 1。尽管每走一步的步距角存在一定的误差，然而，连续旋转一周后，

10、其累计误差为零。另外，步进电机动态响应快，控制性能好，使它和驱动控制器组成的开环数控系统，既有较高的控制精度，良好的 控制，又能稳定可靠的工作，使之成为各种电机中的首选 2。研究现状步进电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 3。传统的电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。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动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。为了适应这些要求，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，且应用十分广泛的一类便是步进电机。步进电机的应用参透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械

11、中广泛利用其开环控制的特点 4。近几十年来，步进电机在办公自动化机器、工厂自动化器械、计算机外部设备、医疗器械等领域作为控制用电动机和驱动电动机而被广泛使用 5。步进电机的性能主要由静转矩、动转矩和角度精度来评价，但应用场合的不同则对其性能要求也各异，比如打印机和传真机主要重视转矩，而硬件驱动重视角度精度。因此步进电机种类繁多功能齐全，被广泛运用。步进电机属于增量运动控制器件，微步驱动技术快速发展使其分辨率大大提高，已经达到接近连续运动控制器件的状态，步进电机具有了“类伺服”特性 6。微步驱动技术实际上就是电流波形控制技术，只有增加了相数才能增加电机的分辨率，例如无相混合式步进电动机，因此，比

12、两相混合式步进电动机相数多，分辨率高，就形成了独立的产品。而在电流波形控制技术日趋成熟的今天，只须增加两相步进电机电流波形的阶梯数，就可以使分辨率达到与五相步进电机一样的程度，从而为统一步进电机的相数创造了技术条件。混合式步进电机既有磁阻式步进电机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电机的特征。其综合了该两类步进电机的特点，因而性能更加好，具有分辨率高，控制功率小等优点使，被最为广泛的运用 7。随着世界经济全球化的发展，国际上发达国家的一些大公司，将一些量大面广的劳动密集型的产品向劳动力比较低低廉的中国转移使得我国在该类电动机的研究及生产上，形成了一定的规模，在国际市场上已有很

13、强的竞争力 8。其中该类电动机的发展趋势： 随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须减小，机座号向 39、35 、30、25 方向向下延伸，继续沿小型化方向发展。同时由于电动机采用方形结构，使得转子有可能设计比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的提高30%40%。再则对步进电机进行综合的设计，把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起使之方便的组成一个闭环系统，更加具有优越的控制性能 9。最后要向五相及三相体统发展，使它的性价比大大提升。因此步进电机的性能在不断的提高，使其更加被广泛的运用。总结与展望综上

14、，在人类的进入自动化的今天，步进电机的推广和应用越来越重要 10。自从步进电机在计算机外围设备中取代小型直流电动机后，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应用在电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器等领域。我相信在这个科学技术快速发展的今天，研究力度的不断加深，步进电机会被运用到更加广阔的领域当中去，它将成就全世界发展中不可缺少的一部分。参考文献1 张国宏，田晓军，章钦，徐新军，袁会敬.基于单片机和 CPLD 的嵌入式步进电机控制系统J.河北省科学院学报,2009,26(1):19.2 方

15、爱平 .基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现D.浙江工业大学硕士论文,2008,11,01:3.3 王诣,尤丽华.基于 AT89S51 单片机的步进电机控制系统的研究J 机电一体，2008，14 （4）：87-88.4 田丰果, 贺莹, 武淑娟.基于 PIC16F877A 单片机软件环分的步进电机控制系统J. 电气技术, 2009，(3):59.5 高 军 礼 , 卢 卓 权 .步 进 电 机 一 体 化 控 制 系 统 的 设 计 J.微 计 算 机 信 息 ， 2007,23(10)： 60-70.6 耿大勇, 马文阁. 基于AT89C51单片机的异步电动机无功功率智能补偿装置J. 低

16、压电器，2009，(13)：23.7 张玉英, 来清民.基于PIC单片机的二维步进电机控制系统J. 信阳师范学院学报,2005，18(3):276.8 谭辉，潘涵，邢芳，宋文斌，刘义，郑生全，吴华兵.基于单片机和串口通信的高速步进电机控制系统设计J.船舶科学技术，2008，30（5 ）： 25.9 Donald A.Neamen. Electronic Circuit Analysis and Design(Second Endition)New York(USA):Mc Graw Hill,June,2004.10 Albert C.Leenhouts.Smooth Step Motor M

17、otion With Half Driver.Annual Symposium on IMCSD.1995,24(2).毕业设计（20_ _届）基于单片机的步进电机控制系统的设计摘 要步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流，实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。很多这种控制系统在步进电机的驱动上已经做的非常好，比如细分驱动技术，但是有的系统比较复杂，和一些相对比较简单的控制过程不相吻合，投入上也不经济；有的系

18、统在操作上不是很方便，交互性不强。所以该文设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来步进电机控制系统。该文首先简要描述了步进电机的发展、应用情况、以及常见的控制系统采用的方案，常见的驱动技术，而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计。关键词：步进电机；电脉冲信号；单片机；直流斩波；复位器AbstractStepping motor is a kind of componen

19、t using electric pulse signa1 to control winding elements to realize angular displacement. Comparing with other electric motor, it is easier to realize accurate control, no accumulated error and so on so forth Thus， it is got extensive applicationIn order to gain excellent manipulative result， there

20、 appear a lot of stepping motor control systemsAmong them，the system using SCM as the core port of the control system is used widelyMany this kind of control systems have done absolutely good at the step motor drive，such as the technique of subdivision of driveBut some systems are a little bit compl

21、icated，which does not match with some comparatively simple control，causing some waste on investmentSome system is not easy to operate，weak in alternation.Consequently，this thesis focuses on how to design simple step motor control system，which has complete function，strong adaptability，easy to operate

22、，high dependability，mixing electronic technique，SCM technique and motor control technique.This thesis will firstly introduce development and application situation of stepping motor and some common contro1 systems and drive techniques；whats more，it will illustrate the working principle of step motor，

23、then，using SCM as a main controller to put forward the whole system blue print of the hardware design.Based on this，a11 specific designs on electrical circuits in every module will be followedFinally,illustrate the steps of how to develop the software of control system and programmed designKeywords：

24、Stepping Motor；Electric impulse signal；SCM；DC Chopper；repositor目 录1 引言 .12 总体设计 .43 硬件设计 .93.1 系统组成 .93.2 系统核心（AT89C2051） .93.3 外部电路设计 .113.3.1 显示电路设计 .123.3.2 键盘设计电路 .133.3.3 复位电路（MAX813） .143.3.4 步进电机脉冲输出信号 .173.4 驱动电路 .173.4.1 电路原理 .173.4.2 元件参数选择 .184 软件设计 .204.1 总体程序流程图 .204.2 系统初始化 .214.3 系统待机流程 .214.3.1 系统待机主流程 .214.3.2 待机状态子程序流程 .234.4 系统连续运行模式模块 .244.5 预置步数运行模式流程和定时器 0 中断 .274.6 步进电机模块流程 .284.7 复位程序和“冗余指令” .294.8 系统软件说明、主要资源分配 .304.8.1 软件说明 .304.8.2 系统主要资源分配和各标志位定义 .305 结论 .32致 谢 .33参考文献 .34附录 1 系统主体原理图 .35附录 2 驱动电路原理图 .36附录 3 程序 .37