1、机电一体化强化训练单片机系统设计说明书步进电机控制系统设计院（系） 机 电 系 专业/方向 机械工程及其自动化 班 级 机械 2 班 学生姓名 李 指导老师 姚超友 2011 年 10 月 28 日 华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书1华 南 理 工 大 学 广 州 学 院单 片 机 系 统 设 计 任 务 书兹发给 08 机械（2） 班学生 李沛燃 张滔 李延庆 陈晋林 设计任务书，内容如下：1. 设计题目： 步进电机控制系统设计 2. 应完成的项目： 课程设计任务书 （1） 查找相关资料，确定设计方案； （2） 用 Altium Designer Winer 09 绘制
2、微机最小系统配置原理图和相关项目的接口原理图，并对其进行封装； （3） 用 Keil uVision 编写有关项目的程序，并进行调试； （4） 按照相关项目内容要求，上机进行联调； （5） 编写课程设计报告。 3. 参考资料及其说明： 微机原理与接口技术课程设计 微机原理与接口技术 微机原理与接口技术学习指导 （1）李国栋 汪新中 陆志平 周盛华编著，微机原理与接口技术课程设计，浙江大学出版社，2007； （2）彭虎 周赔玲 傅忠谦编著，微机原理与接口技术，电子工业出版社，2009；（3）彭虎 周赔玲 傅忠谦编著，微机原理与接口技术学习指导，电子工业出版社，2008； 4. 本设计任务书于 2
3、011 年 10 月 28 日发出，应于 2011 年 11 月 4 日前完成，然后进行答辩。专业教研室、研究所负责人 审核 2011 年 11 月 4 日华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书2指导教师 签发 2011 年 11 月 4 日华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书3设计评语：设计总评成绩：设计答辩负责人签字：年 月 日华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书4目录摘要第一章 绪论1 设计任务及要求 .12 方案比较及选择 .12.1 电机驱动选择方案 .12.2 LED 显示选择方案 .12.3 按键状态的读取 .23 系统实现的原
4、理 .23.1 步进电机控制工作原理 .23.1.1 步进电机的启停控制 .23.1.2 步进电机的转向控制 .23.2 系统设计思路 .23.3 系统的整体框图 .34 系统的硬件设计 .44.1 总体设计 .44.2 步进电机控制电路 .54.2.1 启 /停控制、正 /反转控制、工作模式控制电路分析 .54.2.2 步进电机控制电路 .54.3 显示电路 .64.3.1 发光二极管显示电路 .64.3.2 八段数码管显示电路 .75 系统软件设计 .85.1 总体设计 .85.1.1 步进电机的工作方式 .85.1.2 系统总体流程图 .95.2 关键模块设计 .115.2.1. 三相步
5、进电机模块设计 .115.2.2 显示模块设计 .126 小结及体会 .13附录： .14参考文献 .16华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书5摘 要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、正反转控制及制动等，并且用其组成的的开环系统既简单、廉价、又非常可靠。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序便可控制步进电机的输出位移量、速度和转
6、向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。本文主要介绍了步进电机控制系统的设计，针对四相五线步进电机的正反转及调速控制，设计一简单的基于 89S52 芯片的单片机并设计程序对步进电机加以程序控制，LED 数码管显示状态。关键字：步进电机控制系统、四相五线、89S52 芯片、单片机华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书6第一章 绪论 1.1 步进电机控制系统概述步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字执行元件，随着计算机应用投术、电子技术和自动控制技术在国民经
7、济各个领域中的普及与深入，步进电机的需求量越练越大。随着工业技术的不断发展，以及同类产品的不断出现，步进电机面临着前所未有的挑战。但近 30 年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动步进电机的发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景，近几年来，步进电机需求量一直呈现出较快的增长速度，其中扫描仪、打印机、传真、DVD-ROM/CD-ROM 驱动器、空调及多功能自动化办公设备等应用对步进电机的需求增长最强。此外由于 USB2.0 的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售，步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。步进电机有着方方面面重要应用，如何对其进行有效控制，使其能够发挥最大的优势是各
8、个行业技术开发人员所共同关注的，本文旨在设计一套较完整的通用控制系统，对步进电机的转速、方向实行智能化控制，并能通过 LED 显示其转速。 1.2 设计任务及要求设计一个四相五线步进电机控制系统，要求系统具有如下功能：(1) 步进电机转速分为 3 级，依次是 30 、120、240(r/min)。电机可实现正、反转，可通过键盘输入要求的转速。(2) 电机的正反转和转速用 LED 管显示出来。(3) 电机启动时有升速过程。第二章 方案比较及选择2.1 电机驱动选择方案方案 1：使用功率三极管等电子器件搭建成功率驱动电路来驱动电机的运行。优点是电路简单，但信号不够稳定，器件较大而不便电路的集成。方
9、案 2：使用专门的电机驱动芯片 ULN2004A 来驱动电机运行。其优点是华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书7便于电路的集成，且驱动简单，驱动信号稳定，不受外部干扰。通过对方案的比较，我选择使用电机驱动芯片来作为驱动。2.2 LED 显示选择方案方案 1：把所要显示的数据通过专用的七段显示芯片的转换输出给 LED 显示屏。其优点是输出简单，可以简化程序，但增加了芯片的费用。方案 2：通过软件把所要的数据转化为七段显示的数据，直接通过单片机接口来显示，其优点是简化了电路，但增加了软件编写的负担。通过对方案的比较，我选择通过软件编写来输出显示信号。2.3 按键状态的读取方案 1
10、：把按键接到单片机的中断口，若有按键按下，单片机接收到中断信号，再通过软件编写的中断程序来执行中断，优点是接线简单，简化了电路，但软件编写较为复杂，不易掌握。方案 2：不使用中断，直接把开关分别接在单片机的接口上，通过查询端口信号来动作。其优点是程序得到简化，可读性加强。通过对方案的比较，我选择通过查询方式来读取端口信号。第三章 系统实现的原理3.1 步进电机控制工作原理3.1.1 步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在
11、步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书8定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。3.1.2 步进电机的转向控制步进电机的正、反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，四相双四拍步进电机通电顺为 ABBCCDDAAB时电机正转；当绕组按 ADDCCBBAAD顺序通电时电机反转因此，可以通过PLC 输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。3.1.2 步进电机的速控制步进电机驱动原理是通过对每相
12、线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，驱动电脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可以改变步进电机的转速。从图 1 可以看出，当改变输入脉冲的周期时，ABCD 四相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电变化的速率发生变化，使电机转速发生变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度。3.2 系统设计思路此次我们所设计的是一个步进电机控制系统，主要由单片机 89S52，4 相 5线步进电机，八段数码管，及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起，同样由开关来选择工作模式。运转时，用 4 位八段数码管来输出步数。最华南理工大学广州学院步进电机控制系统设计课程设计说明书9后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。3.3 系统的整体框图89S52 单片机整体控制LED显示模块键盘选择控制电机工作模式LED 管显示电机工作状态四相五线步进电机模块图 1 系统的整体框图
