1、 学号 20080403301026 密级 本科毕业论文 基于 AT89S52 单片机的步进电机控制 院（系）名称：工学院 专 业 名 称 ：电气工程及其自动化 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 讲师 二一二年五月 BACHELORS DEGREE THESIS OF The stepping motor control based on AT89S52 SCM College : Engineering College Subject : Electrical engineering and automation Name : Directed by : teacher May 201
2、 2郑 重 声 明 本人声明所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名： 日 期： I 摘 要 电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代 电动机控制技术也变得越来越重要，基于单片机的控制 已经广泛用于电机控制领域。 而步进电机已成为除直流电机和交流电机以外的第三类电动
3、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。如今发展一系列具有控制功能的电机系统，有其自己特点，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，其设备的性能提高，很 快地促进了步进电机的发展。 针对步进电机的应用，以及基于单片机步进电机控制的设计，本文介绍了单片机控制步进电机的系统。在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。步进电机是机电控制中一种常
4、用的执行机构 ,其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。本设计的硬件组成主要有： 51 系列单片机、 ULN2003 驱动器等。 关键词 ： AT89S52 单片机控制；步进电机；直流电机；系统设计原理 II ABSTRACT Motor control is a very important part of the motor as industrial automation control products. For the growing demand of the control products, the modern motor control techno
5、logy is also becoming more and more important. The control based on single chip has been widely used in motor control areas. The stepper motors have become the third category beside the DC and AC motor. Traditional electromechanical energy conversion device motor plays a key role as in human life an
6、d production into the electrification process. However, electrificatio n of the human society entered the era, the traditional motors can not fulfill the industrial automation and office automation and other motion control systems. With the development of a series of new motor control system, which
7、has its own characteristics over, and is widely used is the stepper motor. The development of the stepper motor and computer industries are closely related. Since the stepper motor to replace the computer peripherals after small DC motors, to improve the performance of its equipment, and soon to pro
8、mote the development of the stepper motor. For the applications of stepper motor and the control based on single chip design, This paper, we introduces a stepper motor system which controlled by SCM. In the Electrical era today, Motor has been playing a very important role in the modernization of pr
9、oduction and life. Stepper motor is a common used implementing agency in motor control. The principle is by switching the coil current and the order in its each phase to make a step-by-step rotary motor. The hardware of the system including: 51 series SCM, ULN2003 driving circuit, etc. Key words:： A
10、T89S52 SCM control ； Stepping motor； DC motor； Design principle of the system目 录 摘要 . ABSTRACT . II 第 1 章 绪论 .1 1.1 单片机的发展及应用 .1 1.2 步进电机的发展状况 .2 1.3 本文的设计意义和主要内容 .3 第 2 章 基于 AT89S52 单片机的步进电机控制系统 .4 2.1 基于 AT89S52 单片机的控制步进电机的控制 .4 2.2 主控芯片的选择 .5 2.3 AT89S52 单片机的特点 .5 2.4 步进电机的特点及工作原理 .7 2.5 单片机对步进电机
11、的控制方法 .9 第 3 章 步进电机控制系统硬件设计 . 11 3.1 系统硬件主电路 . 11 3.2 +5V 电源电路设计 . 11 3.3 复位电路及晶振电路 .12 3.3.1 复位电路 .12 3.3.2 晶振电路 .13 3.4 按键功能 .13 3.5 ULN2003 驱动电路 .14 第 4 章 步进电机控制系统软件设计 .17 4.1 软件程序设计流程 .17 4.2 激磁方式 .17 4.3 步进电机驱动 流程 .18 第 5 章 总结和展望 .20 参考文献 .21 致谢 .22 附录 .231 第 1 章 绪论 1.1 单片机的发展及应用 1971 年 Intel公司
12、研制出世界上第一个 4位的微处理器； Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块 4 位微处理器芯片 Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的 7 位科学家”之一 。 1971 年 11 月， Intel推出 MCS-4 微型计算机系统（包括 4001 ROM 芯片、 4002 RAM 芯片、 4003 移位寄存器芯片和 4004 微处理器 ）其中 4004 包含 2300 个晶体管，尺寸规格为 3mm 4mm，计算性能远远超过当年的 ENIAC，最初售价为 200美元。 1972 年 4 月，霍
13、夫等人开发出第一个 8 位微处理器 Intel 8008。由于 8008 采用的是 P 沟道 MOS 微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973 年 Intel 公司研制出 8 位的微处理器 8080； 1973 年 8 月，霍夫等人研制出 8 位微处理器 Intel 8080，以 N 沟道 MOS 电路取代了 P 沟道，第二代微处理器就此诞生。 主频 2MHz的 8080 芯片运算速度比 8008 快 10 倍，可存取 64KB 存储器，使用了基于 6 微米技术的 6000 个晶体管，处理速度为 0.64MIPS（ Million Instructions Per Second ）。 19
14、75 年 4 月， MITS 发布第一个通用型 Altair 8800，售价 375 美元，带有 1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。 1976 年 Intel公司研制出 MCS-48 系列 8 位单片机，这也是单片机的问世。 Zilog 公司于 1976 年开发的 Z80 微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时， Zilog、 Motorola 和 Intel 在微处理器领域三足鼎立。 20 世纪 80 年代初， Intel公司在 MCS-48 系列单片机的基础上，推出了 MCS-51系列 8 位高档单片机。 MCS-51 系列单片机无论是片内 RAM 容量， I/O 口
15、功能，系统扩展方面都有了很大的提高。 目前单片机技术已经渗透到入们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。录像机、摄像机、全自动洗衣机的控 制，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化程的实时控制2 和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，自动控制领域的机器等等，这些都离不开单片机。单片机的学习、开发与应用将造就一批计算计应用与智能化控制的科学家、工程师，由此可见在大学相关专业普及新型单片机应用知识有重要的现实意义 1。 单片机在中国的发展起源于 20 世纪 80 年代。目前，中国各大学及院校普遍采用 MCS-5 系列作为单片机教学的教材。
16、MCS-5l 系列的实验仪器也得到很大发展，许多单片机实验仪生产厂家研制有多功能综合性的 MCS-5l系列的实验系统，使得在高校 MCS-5l系列实验系统配备相当完善 2。在工业控制、消费电子产晶、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域也得到了广泛的应用。 但是随着单片机技术的不断发展， MCS-51 系列应用领域己逐渐被新型单片机所代，例如 AT89S52 单片机采用精简指令集、流水线取指的方式，抗干扰能力强，性能价格比高，深受电子设计专家的普遍欢逐。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已经过千，并还 广泛用于电动机控制领域。 1.2 步进电机的发展状况 步进电机是一种将数字信
17、号直接转换成 角位移或线位移的控制驱动元件 , 具有快速起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机 ,投影仪、数码摄像机，以及各种可控机械工具等等。直流电机广泛应用于计算机外围设备 ( 如硬盘、软盘和光盘存储器 ) 、家电产品、医疗器械和电动车上 , 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢 , 并且在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用 3。 在数字控制系统出现之初 ， 步进电动机经 历过一个大的发展阶段。步进电机最早是在 1920 年由英国
18、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 ， 以后经过不断改良 。 在日本 ， 60 年代初期 ， 开发了用于数控装置及计算机外部设备的磁阻式步进电动机。 60 年代中期至今 ， 开发了混合式步进电动。 在我国 ， 步进电动机的研制始于 1958 年。 当时只有清华大学 ， 华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。 到了 70 年代初 ， 由于电子工业和数字控制技术的发展 ,特别是数字控制线切割机床发展的需要 ,才使步进电动机的研究工作蓬勃开展起来。 经过 五 十几年的发展 ,随着步进电动 机理论的 日趋 完善 ,特别是磁阻式步进电动机 ， 产品规格 、 门类的系列化以
19、及出现了 像 无刷直流电动机系统那3 种更优越的系统 ， 才使得步进电动机的发展势头有所缓和 。 总体看来 ， 目前其发展正趋于平缓 4。 1.3 本文的设计意义和主要内容 电动机控制是工业自动化进程中一个相当重要的组成部分，随着工业自动控制对电动机控制产品需求的不断增加，现代电动机控制技术也变得越来越重要，基于单片机的控制 已经广泛用于电动机控制领域。 本文以基于 AT89S52 单片机的步进电机控制系统为研究对象，通过 AT89S52单片机、脉冲分配器 (又称逻辑转 换器 ) L298 及其 ULN2003 类的驱动 IC，实现步进电机正反转，从而达到单片机对步进电机控制系统功能的目的。本
20、文所做工作主要有以下几个方面： 第 1 章是简要介绍本文研究发展前景，国内外研究动态以及发展趋势，提出本文的设计意义，以及实现本设计的主要内容。 第 2 章根据设计的大体思路，拟定设计框图，并介绍系统设计主芯片的选择和性能特点，以及步进电机、直流电机工作原理，从而，对本系统的实现进行控制分析，明确设计要求。 第 3 章和第 4 章是全文的重点，是根据单片机步进电机控制的系统设计图，对系统的硬件设计分各模块工作原 理进行概述，以及该系统的软件程序设计和系统的综合分析。 第 5 章是对全文工作的总结，并对单片机步进电机控制研究设计等方面的工作展望4 第 2 章 基于 AT89S52 单片机的步进电
21、机控制系统 根据我的设计思路，考虑到操作方便性，本文论述基于 AT89S52 单片机的控制步进电机的正反转系统的设计研究，主要是系统在通电后，通过按动连接在AT89S52 单片机上的按键开关，经驱动电路控制步进电机的转向并且能够通过添加相应程序及硬件达到显示目的，从而实现本设计的预期效果。 2.1 基于 AT89S52 单片机的控制步进电机的控制 如 图 2.1 所示，本文所设计的控制系统主要包括单片机、复位电路、晶振电路、电源电路、按键电路、步进电机及驱动电路几部分。 图 2.1 基于 AT89S52 单片机的控制步进电机的控制图 通过学习和查阅资料，本设计需要完成如下方面的工作： （ 1） +5V 电源电路设计； （ 2）单片机复位电路原理分析及设计； （ 3）单片机晶振电路原理分析及设计； （ 4）按键电路的设计； （ 5）驱动电路的原理分析及设计； （ 6）单片机 C 语言程序设计。
