1、 密级： 公 开 科学 技 术 学 院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（2011 2012 年）题 目 基于 AT89S52 单片机的步进电机控制 学 科 部： 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起讫日期： 2011/12/52012/5/24 目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 设计要求 .11.3 设计内容 .21.4 小结 .2第二章 系统总体方案设计 .32.1 主要器件简介 .32.1.
2、1 AT89S52 单片机简介 .32.1.2 ULN2003A 简介 .32.1.3 四相五线永磁型步进电机 M35SP-7NP 简介 .42.1.4 红外遥控简介 .42.2 步进电机的工作原理 .52.2.1 步进电机简介 .52.2.2 步进电机的工作原理 .62.3 步进电机常见的控制方案与驱动技术简介 .72.4 系统总体设计方案 .102.4.1 系统框图 .102.4.2 系统设计方案与功能简述 .102.5 小结 .11第三章 系统整体硬件设计 .123.1 单片机最小系统电路设计 .123.2 状态显示模块硬件电路设计 .133.3 按键与红外接收模块硬件电路设计 .143
3、.4 ULN2003A 步进电机驱动模块硬件电路设计 .143.5 ISP 单片机在线程序下载器接口电路 .15第四章 系统软件设计 .164.1 软件设计思路 .164.2 系统设计主程序流程图 .164.3 主程序初始化流程图 .174.4 步进电机运行控制子程序流程图 .184.5 系统程序简要说明 .20第五章 系统运行与调试 .215.1 开发软件简介 .215.1.1 Keil 编程软件简介与使用 .215.1.2 Proteus 仿真软件的简介与使用 .215.1.3 系统的仿真图 .225.2 系统的软硬件联调及问题总结 .22第六章 总结与展望 .24参考文献（Referen
4、ces） .25致 谢 .26附录一：系统原理图 .27附录二：实物照片 .28I基于 AT89S52 单片机的步进电机控制专业：学号： 学生姓名： 指导教师：摘 要：步进电动机由于用其组成的控制系统既简单、廉价、低噪音、响应快、速度位移控制精准，又非常稳定可靠，因此在办公自动化设备、数控系统以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。文章以单片机AT89S52为控制核心，通过单片机的IO口输出的具有时序的脉冲信号作为步进电机的控制信号，实现了步进电机的速度控制。本设计在AT89S52单片机最小系统的基础上，外扩驱动芯片ULN2003A作为步进电机的驱动电路、外扩3个按键以及红外线来实现对步
5、进电机的状态控制、外扩发光二极管显示步进电机的正反转、外扩数码管显示电机运行速度的大小。在硬件设计的基础上，通过在keil下进行软件编程，最终完成了基于单片机的步进电机的控制系统设计。本文从硬件和软件两个方面对基于单片机的步进电机的控制进行了详细的介绍，最后给出了调试过程和PROTEUS仿真图，该设计具有设计成熟、简单可靠、稳定性高等特点。 关键词：步进电机，脉冲，驱动机构，单片机，转动IIThe stepping motor control system based on AT89S52 MCUAbstract：Stepper motor because of the open-loop s
6、ystem composed of simple, cheap, low noise, fast response speed, displacement control precision, it is very stable and reliable, therefore in the office automation equipment, CNC system and various control devices and many other fields have a wide range of applications.This paper introduces a single
7、chip stepper motor control design, AT89S52 single-chip computer to control the stepping motor, SCM through the I / O port with the output timing of the pulse signal as a stepper motor control signal, the design uses 3 keys and infrared ray to realize the stepper motor state control, through the micr
8、ocontroller, motor drive chip ULN2003A, the corresponding keys and the infrared remote controller to realize the above function, stepping motor positive and negative conversion of light-emitting diode display, its running speed to a certain level in the digital tube display. This paper describes the
9、 stepper motor, infrared control and microcomputer principle, system block diagram, hardware circuit, program flow, and the entire system in the debugging process of the problems encountered and their solutions. The design is simple and reliable, sophisticated design, high stability.Key words: stepp
10、ing motor pulse，driving mechanism， single chip microcomputer，rotation1第一章 绪 论1.1 引言步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor 、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的
11、一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了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
12、个国民经济领域都有应用。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必
13、然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。其中步进电机的驱动，可以采用汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通信的方式实现机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。此外还可以采用无线控制技术，实现远、近距离的无线遥感控制步进电机，实现一些人不宜直接接触的工业现场等环境复杂的地方，不过无线控制步进电机也可以用来在家居环境中，比如遥控窗帘等等。本文正是采用红外无线技术，能够实现10M左右的红外控制步进电机，非常方便实用。1.2 设计要求本设计的要求如下：1、开始通电时，步进电机停止转动2、单片机分别接有按键开关 K1、K2 和 K3，用来控制步进电机的转向，要求如
14、下：21）当按下 K1 键时，步进电机正转；2）当按下 K2 键时，步进电机反转；3）当按下 K3 键时，步进电机停止转动。3、能够通过相应颜色的指示灯和数码管来指示步进电机运行状态和运行速度级别。4、正转采用一相激磁方式，反转采用 12 相激磁方式。5、能够实现通过红外发射装置来实现对步进电机的控制。6、能够编程实现所需的各种功能，并能正常调试。1.3 设计内容本论文采用的电动机是四相五线步进电机，采用的方法是利用 AT89S52 单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行转态。最终能够实现步进电机的运行状态、转速级别的显示，能通过按键和红外遥控器来控制步进电机的启动、加速、减速、正反转和停止等
15、功能。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度等级的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转，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。1.4 小结步进电机凭借着其优良的性能，如步进电机无累
16、积误差，精度高，可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等。所以广泛应用于各种控制场合中，从工业控制到到玩具家用等等，或者说用到了精确转动的地方，就用到了步进电机。本文也旨在通过对步进电机的研究来实现对其进行各种控制，并将其应用到实际生活之中去，其中本文采用红外接收装置意在实现通过对步进电机的红外无线控制，能扩展其应用范围。总之，步进电机是一种非常实用和易控制的电机，研究其功能、控制特点非常有必要。3第二章 系统总体方案设计2.1 主要器件简介2.1.1 AT89S52 单片机简介AT89S52是 一 个 低 功 耗 ， 高 性 能 CMOS 8位 单 片 机 ，
17、 片 内 含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的 可 反 复 擦 写 1000次 的 Flash只 读 程 序 存 储 器 ， 32个可编程I/O口线， 两个16位定时器/计数器， 该 器 件 采 用 ATMEL公 司 的 高 密 度 、 非 易 失 性 存 储 技 术 制 造 ，兼 容 标 准 MCS-51指 令 系 统 及 80C51引 脚 结 构 ， 芯 片 内 集 成 了 通 用 8位 中 央 处 理 器 和ISP Flash存 储 单 元 ， 功 能 强 大 的 微 型 计 算 机 的 AT89S52可 为 许 多 嵌 入 式 控 制 应 用
18、系统 提 供 高 性 价 比 的 解 决 方 案 。2.1.2 ULN2003A 简介ULN2003A 概述与特点：ULN2003A 是高耐压、大电流达林顿陈列，其内部结构如图 1所示。图 1 ULN2003 内部结构图ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻,在 5V 的工作电压下它 能与TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来 处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。ULN2003A 的
19、输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入 ULN2003A的。ULN2003A的应用电路如图2所示。4图 2 ULN2003 的应用电路2.1.3 四相五线永磁型步进电机 M35SP-7NP 简介M35SP-7NP 是四相五线永磁型步进电机，其转矩和体积较小，步进角为 7.5 度。电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，一根为电源引出线，这样一共有 5 根引出线。步进电机内部结构图如图 3 所示。图 3 步进电机内部结构图2.1.4 红外遥控简介红外遥控系统由发射和接收两大部份组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如下图 4 和图 5 所示。发射部份包括键盘矩阵、编码调制、LED 红外发送器；接收部份包括光、电转换放大器、解调、解码电路。由于采用不同芯片其发送和接受的过程是不一样的，此次设计采用的是 HT6221 红外编码芯片，0038 一体化红外接收头。红外遥
