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审定成绩：
重庆邮电大学
自动化学院
综合设计报告
设计题目：步进电机角度控制
单位（二级学院）：
学生姓名：
专业：
班级：
学号：
指导教师：
设计时间：2014年10 月
重庆邮电大学自动化学院制
摘要
本设计以STC12C5A60S2单片机为控制核心，主要由L298电机驱动模块，步进电机，按键输入等模块组成。步进电机的特性决定了其精确控制步进角的功能，在此次课程设计中我们采用了28BYJ48步进电机，其步进角为0.6°基本符合设计需求。系统由按键设定目标角度，之后将旋转角度折合为脉冲数驱动步进电机，从而达到角度控制的目的，在控制过程中同时将已给脉冲数折合回角度量，通过1602液晶显示实时显示，经检测控制系统基本达到题目要求。
关键词：51单片机步进电机 L298电机驱动
目录
摘要 ............................................................................................................................................................ I
一、设计题目 (3)
二、设计报告正文 (3)
2.1 系统设计思路及总体方案 (4)
2.1.1 设计思路 (4)
2.1.2 系统控制总体方案 (4)
2.2 总体方案论证 (4)
2.2.1 主控芯片的选择 (4)
2.2.2 电机选择........................................................................................ 错误！未定义书签。
2.2.3 驱动芯片选择 (5)
2.2.4液晶显示器选择 (6)
2.3 硬件电路设计 (6)
2.3.1 硬件设计总体方案 (6)
2.3.2 51单片机最小系统硬件设计 (7)
2.3.3按键设计 (8)
2.3.4显示单元硬件设计 (8)
2.3.5电机驱动硬件设计 (9)
2.3.6步进电机 (10)
2.3.7原理图与PCB板 (12)
2.4 程序设计 (13)
2.4.1 程序流程 (13)
2.4.2 LCD1602显示程序 (14)
2.4.3步进电机驱动程序 (15)
四、设计总结 (13)
参考文献 (18)
附录（源代码） (19)
附录一：主程序（main.c） (19)
附录二：LCD1602程序 (19)
一、设计题目
设计步进电机模型控制-实现步进电机模型的控制，并根据上位机控制要求，显示电机速度和电机的当前速度。
单片机通过电机驱动电路控制步进电机的运转，通过按键输入步进电机的旋转角度，并能够在LED 上显示目标角度与实际运行的情况。PC 机通过串口与单片机通信，显示步进电机的运行情况。
要求：
1、采用单片机最小系统设计-实验室提供 基础模板，其他扩展部分采用焊接板完成。
2、模型由知道老师提供，不需要额外制作。
3、器件可以采用实验室的设备，不足的提供器件清单统一购买。
4、每个小组独立完成内容，最后要安排答辩，答辩不通过者视为不及格。
5、报告要求采用电气专业具体格式。
按键模块
驱动模块
单片机
步进 电机
PC 机
显示模
二、设计报告正文
2.1 系统设计思路及总体方案
2.1.1 设计思路
步进电机角度控制实质上通过对步进电机引脚按一定顺序加脉冲，步进电机转动相应的角度，从而实现较为精确的角度控制。本系统采用28BYJ-48型减速步进电机进行角度控制。
2.1.2 系统控制总体方案
单片机控制的反馈系统的结构框图如图2.1所示，其主要组成部分有：以51单片机为核心的控制单元、基于光敏电阻的传感器检测单元、A/D转换单元、PWM电机控制单元。
+
单片机模拟脉冲控制步进电机
图1-1 系统控制框图
单片机控制具体的工作过程是：通过检测按键的行为，确定需要转动的角度,经过判决处理，确定相应的脉冲序列输出一个转速控制信号,从而调节步进电机的转动角度，达到设定的目的值。单片机监控系统在本装置中起到了核心作用，单片机监控系统组要负责以下三个：
（1）现场数据监测。通过计算实际发生的脉冲数，确定实际的转动角度。
（2）现场控制。在本装置中，通过检测按键的状态，确定电机需要转动的角度，从而产生相应的脉冲控制步进电机达到相应的角度。
（3）显示监控。在系统中，可通过液晶显示模块实现数据的实时显示。
2.2 总体方案论证
2.2.1 主控芯片的选择
据本题的要求，整个系统中必须要有一个主控芯片来处理数据和控制操作，主要考虑以下两种方案：
方案一：STC12C5A60S2单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,且速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。
1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；
2.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz，
3.3V单片机为：8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；
3.PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）：——也可用来当2路D/A使用——也可用来再实现2个定时器——也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；
4.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA 软件实现多串口。
方案二：传统C51芯片，80C51芯片内部集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起，其内部包含以下一些功能部件：
1.一个8位CPU；
2.一个片内振荡器和时钟电路；
3.4KB ROM（80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KB EPROM，80C31片内有无ROM）；
4.128B内RAM；
5.可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；
6.两个16位定时/计数器；
7.21个特许功能寄存器；
8.4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线；
9.一个可编程全双工串行口；
10.5个中断源，可设置成2个优先级。
STC12C5A60S2单片机明显比传统的C51单片机有独立的PWM模块和AD模块，且运算速度快，综合考虑采用方案一。
2.2.2 驱动芯片选择
方案一：采用功率三极管作为功率放大器的控制步进电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，但是电路比较复杂。
方案二：使用ULN2003作为驱动芯片，ULN2003是高耐压、7电路达林顿阵列，由七个硅NPN达林顿管构成，每一对达林顿都串连一个27K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和COMS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，并且能够在关态是承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并运行。
方案三：采用L298驱动电路，适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电
机的控制，可有半步、整步和波状三种驱动模式。片内PWM斩波电路允许开关式控制
绕组电流。该驱动电路需要时钟、方向和模式等输入信号。
由于本系统中选的是步进电机故采用方案三。
2.2.3液晶显示器选择
方案一：诺基亚5110LCD具有的特点：84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条；支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的ＳＰI、MCS51 的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间；可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换；LCD 控制器／驱动器芯片已绑定到LCD 晶片上，模块的体积很小；采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA 以下，且具有掉电模式。
方案二：1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶
模块（显示字符和数字）。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶
模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一
个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距
的作用，对于字符的显示相当方便。
由于1602LCD帯字库，经济适用，并且本系统需要显示的数据很少，综合考虑方案二。
2.3 硬件电路设计
2.3.1 硬件设计总体方案
硬件以升级版51芯片STC125A60S2为主控，运用了独立键盘作为输入设备，LCD1602为显示设备，用四路I/O口模拟时序脉冲控制步进电机转动。
硬件总体设计方案如下：
STC12单片机4路时序脉冲LCD1602
独立按键
图2-2 硬件总体设计方案
2.3.2 51单片机最小系统硬件设计
单片机最小系统也叫最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统. 对51系列单片机来说,最小系统一般该包括:电源电路、单片机、晶振电路、复位电路。
其电路图如下：
（1）电源电路
电源电路设置了指示灯，提供5V的工作电压。
图2-3 电源电路
（2）时钟电路
单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式:内部时钟方式和外部时钟方式。我们这里选用内部时钟方式，如下图。内部时钟是指在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为0~24MHz。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF的瓷片电容。
图2-4 时钟电路
（3）复位电路
无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。单片机的复位条件:必须使其RST引脚上持续出现两个(或以上)机器周期的高电平。单片机的复位形式:上电复位，按键复位。这里我们最小系统所使用的是按键复位，按键复位电路如下，当按键没有按下时，对电容进行充电。如在单片机运行过程中，按下RESET键，已经充好电的电容会快速通过接地电阻的回路放电，从而使得RST引脚上的电位快速变为高电平，此高电平会维持到按键释放，从而满足单片机复
位的条件实现按键复位。
图2-5 复位电路图
2.3.3按键设计
矩阵键盘是用4条I/O线作行线，4条I/O线作列线。在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键。键盘中的按键有16个，这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。但是本系统只需要3个按键，所以这里可以直接使用独立键盘。
图2-6 独立键盘
2.3.4显示单元硬件设计
LCD1602是一款性能比较高的液晶产品。它广泛应用于各类便携式设备的显示系统中。实际上它是一块16*2的LCD字符型液晶显示屏，可以显示两行字符。采用5V 电压供电。该显示器本身带有英文字库（ASCLL），它的工作电压是 5.0V，采用并行通信方式。
图2-7 LCD1602
2.3.5电机驱动硬件设计
（1）L298芯片
L298是SGS公司产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥电路，可以用来驱动直流电机和步进电机，继电器线圈等感性负载：采用标准逻辑电平信号控制，具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作：可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路，其可驱动46V，2A以下的电机，并可以直接连接单片机I/O提供信号可以很方便的利用PWM脉宽调制法进行控制。
（2）H桥电路
H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，因其外形酷似H字母而得名，如下图。要使M运转，必须使对角线上的三极管导通，如当Q1管和Q4导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后经Q4回到电源负极，电机顺时转动。当三极管Q2和Q3导通时，电流从右至左流过电机，驱动电机逆时针转动。
图2-10H桥
2.3.6 步进电机
（1）步进电机概念：
步进电机是一种步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。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，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。
（2）28BYJ-48型减速步进电机原理
图2-12四相步进电机原理示意图
28BYJ-48型步进电机五线四相电机，工作电压为DC5v—DC12v，有一个减速比为64：1的减速齿轮箱。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距（共16齿）。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常
见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。因为四相八拍具有更大的转矩，所以我们选择四相八拍运行方式。
电机型号电压
V
相数减速比步距角度
28BYJ-48 5 4 1：64 5.625/64
表一28BYJ-48型步进电机主要参数
（3）28BYJ-48型减速步进电机驱动方式
28BYJ-48型步进电机八拍逆时针方向转动接线方式如下表
接线端序号导线
颜色
分配顺序
1 2 3 4 5 6 7 8
5 红+ + + + + + + +
4 橙---
3 黄---
2 粉---
1 蓝---
表二四相八拍驱动方式：（逆时针方向）
若要电机顺时针转方向转动，则接通顺序由8到1。
（4）步进电机控制
由于步进电机的驱动电流较大，单片机不能直接驱动，我们使用L298N模块驱动模块驱动。28BYJ-48型减速步进电机与单片机I/O口联接方式：橙线接P2.0、黄线接P2.1、粉线接P2.2、蓝线接P2.3。
则控制步进电机逆时针转动编码表为：
uchar code motortable[] = {0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};
顺时针转动的编码表为：
uchar code motortable[] = {0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09};
2.3.7 原理图与PCB板
(1)原理图：
图2-19 原理图(2)PCB板
图2-20 PCB图
2.4 程序设计
2.4.1 程序流程
开机之后首先进行各模块的初始化，包括LCD1602的初始化。等待开始信号确认，确认之后便开始执行角度控制，同时在显示模块上同步显示当前转角的事实数据。程序流程图如下：
各模块初始化
输入角度
折合为脉冲数
电机控制
显示
图2-21 程序流程图
2.4.2 LCD1602显示程序
显示流程图如下：
LCD初始化
确定输入指令
输入显示数据
图2-22 LCD1602控制流程
在LCD1602显示时要先进行初始化，初始化时需要将相应指令输入到LCD1602中，程序如下：//*******************LCM初始化**********************//
void LCMInit(void)
{
LCM_Data = 0;
WriteCommandLCM(0x38); //三次显示模式设置，不检测忙信号
Delay1ms(5);
WriteCommandLCM(0x38);
Delay1ms(5);
WriteCommandLCM(0x38);
Delay1ms(5);
WriteCommandLCM(0x38); //显示模式设置,开始要求每次检测忙信号
WriteCommandLCM(0x08); //关闭显示
WriteCommandLCM(0x01); //显示清屏
WriteCommandLCM(0x06); // 显示光标移动设置
WriteCommandLCM(0x0c); // 显示开及光标设置
}
显示字符时用到了显示字符串函数：
//**********************按指定位置显示一串字符*************************// void DisplayListChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char code *DData) {
unsigned char ListLength;
ListLength = 0;
Y &= 0x1;
X &= 0xF; //限制X不能大于15，Y不能大于1
while (DData[ListLength]>0x19) //若到达字串尾则退出
{
if (X <= 0xF) //X坐标应小于0xF
{
DisplayOneChar(X, Y, DData[ListLength]); //显示单个字符
ListLength++;
X++;
}
}
}
显示数字时用到了显示数字函数：
void Displaynum(unsigned char X, unsigned char Y, int num)
{
char s[3],j;
s[0]=num/100;
s[1]=num%100/10;
s[2]=num%10;
Y &= 0x1;
X &= 0xF; //限制X不能大于15，Y不能大于1
for(j=0;j<3;j++)
{
if(j==0&&s[0]==0||j==1&&s[0]==0&&s[1]==0)
DisplayOneChar(X, Y,' ');
else
DisplayOneChar(X, Y,s[j]+0x30); //显示单个字符
X++;
}
}
2.4.3 步进电机驱动程序
28BYJ-48型减速步进电机的控制，单片机只要通过I/O口设置以上引脚进行时序脉冲控制就可以实现步进电机控制，相关程序如下：
uchar code motortable[] = {0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};
void delay(int z)
{
int j,i;
for (j=0;j<140;j++)
for(i=0;i } void motercot(uchar der) { uchar j=0; if(der == 1) { for(j=0;j<8;j++) { P2 = motortable[j]; delay(4); } } else { for(j=8;j>0;j--) { P2 = motortable[j]; delay(4); } } } 四、设计总结 在这次课程设计中我担当了组长角色，在初期负责整个设计方案的设计构思，中期负责硬件系统的搭建，后期负责软件系统设计与各模块调试，在整个过程中得到了很好的锻炼，熟悉了整个开发流程，提升了我的动手能力与团队协作能力，在设计过程中遇到了各种困难例如传感器的选型与控制器控制的控制方式，但是我们都本着最好的设计结果来进行设计，从而我们的最终结果完成了要求的各项指标而且都控制的十分出色，从最初的理论分析进行数学模型建立，到后来精细的传感模块安装，合理的机械结构设计，到最后更加直观的上位机软件开发，我们组每个成员都倾尽全力，最后完成了设计，得到了老师的认可。感觉这种锻炼是平时在书本上学不到的，感谢这次课程设计让我学会了很多。 参考文献 [1] 李先允.电力电子技术[M]．北京：中国电力出版社，2006. [2] 李希文.传感器与信号调理技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2008 [3] 向敏.微控制器原理及应用[M].北京.人民邮电出版社.第2版2013.4 [4] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[J].北京：电子工业出版社，第2期.2009.1. [5] 胡向东.传感器与检测技术[J].北京.机械工业出版社.第2版2013.8 [6] 魏守山,莫以为,黄云奇.基于单片机和驱动芯片的步进电机控制系统设计[J].机床电器,2008,1 [7]杨欣，张延强，张铠麟，实例解读51单片机完全学习与应用，电子工业出版社，北京，2011.4 附录（源代码） 附录一：主程序（main.c） #include #include "LCD1602display.h" #define uchar unsigned char #define uint unsigned int char code table1[] = {"Set Angle: ` "}; char code table2[] = {"Now Angle: ` "}; uchar code motortable1[] = {0x09,0x03,0x06,0x0c,0x0c,0x06,0x03,0x09}; //uchar code motortable[] = {0x01,0x02,0x04,0x08,0x08,0x04,0x02,0x01}; uchar code motortable[] = {0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x90}; sbit key1 = P3^6 ; //S4 sbit key2 = P3^7 ; //S5 sbit key3 = P3^5 ; //S5 sbit ma = P2^0; sbit mb = P2^1; sbit mc = P2^2; sbit md = P2^3; int SetAngle = 0; float NowAngle = 0; int chazhi = 0; char goflag = 0; uchar key_press_num = 0; int checknum = 0; void delay(int z) { int j,i; for (j=0;j<140;j++) for(i=0;i } void keyscan() { 步进电机控制实验 一、实验目的： 了解步进电机工作原理，掌握用单片机的步进电机控制系统的硬件设计方法，熟悉步进电机驱动程序的设计与调试，提高单片机应用系统设计和调试水平。 二、实验容： 编写并调试出一个实验程序按下图所示控制步进电机旋转： 三、工作原理： 步进电机是工业过程控制及仪表中常用的控制元件之一，例如在机械装置中可以用丝杠把角度变为直线位移，也可以用步进电机带螺旋电位器，调节电压或电流，从而实现对执行机构的控制。步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，用起来非常方便。步进电机还具有快速启停、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。 步进电机实际上是一个数字/角度转换器，三相步进电机的结构原理如图所示。从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A、A′、B、B′、C、C ′，相邻的两个磁极之间夹角为60o，相对的两个磁极组成一相（A-A′，B-B′，C-C′），当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N极和S极，每个磁极上各有五个均匀分布矩形小齿，电机的转子上有40个矩形小齿均匀地分布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为9°。 当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的原因。 三相步进电机结构示意图 例如在三相三拍控制方式中，若A相通电，B、C相都不通电，在磁场作用下使转子齿和A相的定子齿对齐，我们以此作为初始状态。设与A相磁极中心线对齐的转子的齿为0 步进电机的速度控制 步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而本身就是一个完成数字模拟转化的执行元件。而且它能进行开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量。这样的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。因此，步进电机广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航天等领域，特别是微型计算机和微电子技术的发展，使步进电机获得更为广泛的应用。 步进电机的速度特性 步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数。其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的，为了不发生失步，启动频率是不高的。特别是随着功率的增加，转子直径增大，惯量增大，启动频率和最高运行频率可能相差10倍之多。 为了充分发挥电机的快速性能，通常使电机在低于启动频率下启动，然后逐步增加脉冲频率直到所希望的速度，所选择的变化速率要保证电机不发生失步，并尽量缩短启动加速时间。为了保证电机的定位精度，在停止以前必须使电机从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度（等于或稍大于启动速度）。因此，步进电机拖动负载高速移动一定距离并精确定位时，一般来说都应包括“启动－加速－高速运行（匀速）－减速－停止”五个阶段，速度特性通常为梯形，如果移动的距离很短则为三角形速度特性，如图１所示。 图1 步进电机的速度曲线 步进电机控制系统结构 PC机在适当的时刻通过对硬件控制电路上的8253计数器0赋初值，设置好加减速过程的频率变化（即速度、加速度变化），以防止失步。例如，在点位控制中设置好速度曲线图，在起动和升速时，使步进电机产生足够的转矩驱动负载，跟上规定的速度和加速度；在减速时，下降特性使负载不产生过冲，停止在规定的位置。硬件控制电路板上的8253产生脉冲方波作为中断信号源，启动细分驱动电路中的固化程序以产生一定频率的脉冲，经功率放大后驱动步进电机运动。步进电机运动方向的改变及启动和停止均由计算机控制硬件控制电路实现。 图2 步进电机控制系统 软件和硬件结合起来一起进行控制，具有电路简单、控制方便等优点。在这种控制中，微机软件占用的存储单元少，程序开发不受定时限制。只要外部中断允许，微机就能在电机的每一步之间自由地执行其他任务，以实现多台步进电机的运动控制。 定时器初值的确定 步进电机的实时控制运用PC机，脉冲方波的产生采用8253定时器，其计数器0工作于方式0以产生脉冲方波，计数器 1工作于方式1起记数作用，8253计数器0的钟频由2MHz晶振提供。设计算机赋给8253计数器0的初值为D1，则产生的脉冲方波频率为f1=f0/D1，周期为T1=1/f1=D1/f0，D1=f0T1=f0/f1。其中，f1为启动频率，f0为晶振频率。步进电机升降速数学模型为使步进电机在运行中不出现失步现象，一般要求其最高运行频率应小于（或等于）步进响应频率fs。在该频率下，步进电机可以任意启动、停止或反转而不发生失步现象。步进电机升降速有两种驱动方式，即三角形与梯形驱动方式（见图1），而三角形驱动方式是梯形驱动的特例，因而我们只要研究梯形方式。电机的加速和减速是通过计算机不断地修改定时器初值来实现的。在电机加速阶段，从启动瞬时开始，每产生一个脉冲，定时器初值减小某一定值，则相应的脉冲周期减小，即脉冲频率增加；在减速阶段，定时器初值不断增加， 步进电机的控制实验报告 一、实验目的 1.学习步进电机的工作原理。 2.了解步进电机的驱动电路。 3.学会用单片机控制步进电机。 二、实验器件 1.T IVA C 系列芯片，电机模块和LCD显示模块。 2.电脑以及CCS开发软件。 三、实验内容 设计一个简单的程序驱动步进电机并控制转速，通过LCD板上的滚轮装置可以调节步进电机的转速。 四、实验原理 双极性四线步进电机：一般双极性四线步进电机线序是 A B A/ B/, 其中A 与A/是一个线圈，B和B/是一个线圈，一般这种驱动需要的是H桥电路。 H双极性四线步进电机驱动相序： 1.单相四拍通电驱动时序 正转： A/ B A B/ 反转： B/ A B A/ 2.双相通电四拍驱动时序 正转：A/B AB AB/ A/B/ 反转：A/B/ AB/ AB A/B 3.半步八拍驱动时序 正转：A/ A/B B AB A AB/ B/ A/B/ 反转：A/B/ B/ AB/ A AB B A/B A/ DRV8833驱动芯片： DRV8833为玩具、打印机及其他机电一体化应用提供了一款双通道桥式电机驱动器解决方案。该器件具有两个H 桥驱动器，并能够驱动两个直流(DC)电刷电机、一个双极性步进电机、螺线管或其他电感性负载。每个H桥的输出驱动器模块由N沟道功率MOSFET组成，这些MOSFET被配置成一个H桥，以驱动电机绕组。每个H桥都包括用于调节或限制绕组电流的电路。借助正确的PCB设计，DRV8833的每个H桥能够连续提供高达1.5-ARMS（或DC）的驱动电流（在25℃和采用一个5VVM电源时）。每个H桥可支持高达2A的峰值电流。在较低的VM电压条件下，电流供应能力略有下降。该器件提供了利用一个故障输出引脚实现的内部关断功能，用于：过流保护、短路保护、欠压闭锁和过热。另外，还提供了一种低功耗睡眠模式。 DRV8833内置于16引脚HTSSOP封装或采用PowerPAD?的QFN封装（绿色环保：RoHS和无Sb/Br）。 图1 H桥电路真值表 设计思路：使用单相四拍通电驱动时序驱动步进电机。用单片机生成四个占空比为25%相位逐个延迟90度的PWM信号，按照特定顺序输入到驱动芯片的AIN1、AIN2、BIN1、BIN2引脚。通过调节LCD模块上的滚轮来调节PWM信号的周期从而控制步进电机的转速。调节的频率范围是25HZ-50HZ。步进电机的转速信息通过传感器采样送到单片机，信息处理后送到LCD显示模块显示。 实验主程序： int main(void) { uint32_t pui32ADC0Value[1]; // 保存ADC采样值 int speed = 0; uint32_t cur_Period, old_Period = 0; // 根据滚轮ADC转换值换算出当前的时间周期值 // 系统时钟设置 SysCtlClockSet(SYSCTL_SYSDIV_64 | SYSCTL_USE_PLL | SYSCTL_OSC_MAIN | SYSCTL_XTAL_16MHZ); // 初始化滚轮 Init_ADCWheel(); <<技能大赛自动线的安装与调试>>项目二等奖 心得二 心得二：步进电机的控制方法 我带队参加《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目，我院选手和其他院校的三位选手组成了天津代表队，我院选手所在队获得了《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目二等奖，为天津市代表队争得了荣誉，也为我院争得了荣誉。以下是我这个作为教练参加大赛的心得二：步进电机的控制方法 《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目的主要内容包括如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。但其中最为重要的就是PLC方面的知识，而PLC中最重要就是组网和步进电机的位置控制。 一、 S7-200 PLC 的脉冲输出功能 1、概述 S7-200 有两个置PTO/PWM 发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。 当组态一个输出为PTO 操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电 机的速度和位置的开环控制。置PTO 功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。但应用程序必须通过PLC内置I/O 提供方向和限位控制。 为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7--Micro/WIN 提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM，PTO 或位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。 2、开环位控用于步进电机或伺服电机的基本信息 借助位控向导组态PTO 输出时，需要用户提供一些基本信息，逐项介绍如下： ⑴最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED） 图1是这2 个概念的示意图。 MAX_SPEED 是允许的操作速度的最大值，它应在电机力矩能力的范围。驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。 课程设计说明书 课程设计名称：数字电路课程设计 课程设计题目：步进电机简单的控制电路 学院名称：南昌航空大学信息工程学院 专业：班级： 学号：姓名： 评分：教师： 2013 年 9 月 9 日 数字电路课程设计任务书 20 13－20 14 学年第 1 学期第 2 周－ 4 周 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。 步进电机是一种原理为利用电子电路的电脉冲信号转变为角位移或线位移的感应电机。通过简单的数字电路来控制它的转速并可以利用数码管来计算其转动的圈数，便可以实现电机的正反向转动，并且在数码管上精确的显示出它转动的圈数，从而广泛应用于实际生活当中。其中涉及到计算机，数字电路，电机，机械，完成了简单的自动化控制流程，将所学知识应用于工程中，增加实践动手能力。 关键词：分频、时序控制、脉冲计数 前言 (1) 第一章设计内容及要求 (1) 第二章系统的组成及工作原理 (2) 第三章单元电路设计 (2) 3.1多谐振荡器 (2) 3.2 步进电机信号控制电路 (3) 3.3转速的测量及显示电路 (4) 第四章调试 (5) 4.1电路排板及制作 (5) 4.2电路的调试 (5) 第五章总结 (6) 附录1：设计原理图 (7) 附录2：PCB电路图 (8) 附录3: 元件清单 (9) 前言 步进电机最早出现于上世纪，源于资本主义的造船工业，是一种可以自由转动的电磁铁，其工作原理和如今的反应式电机差不多，是依靠磁导来产生电磁矩，从而实现转动。 到了80年代之后，微型计算机逐步的应用于工业与生活中，使得步进电机的控制更加的灵活多样，最主要的是利用分立元件或者小型的集成电路来控制，但是对元件的需求量很大，调试也很复杂，出现问题需要花大量的精力来调试，因此，通过计算机软件来控制步进电机是必然的趋势，以提高工作效率。 现在的步进电机主要是由数字电路组成，也是利用集成电路来控制电路，但是大大的提高了其精度，更好的满足工业发展的需要。目前用到最多的是混合式步进电机，并具有很好的发展前景。 步进电机按照工作原理可分为永磁式、磁阻式和永磁感应子式三种。 今后步进电机将会有以下四个方面的发展，为减小其占用的空间从而会往小型方向发展，以更加的适用于工业制造当中；为增加力矩，从而会将圆形改为方形，以提高其工作效率；为体现其优越的控制性能，从而会偏向于一体化设计，以实现电子自动化控制，更加灵活方便；为降低其成本，增加其性能，从而会向三相和五相的方向发展，以充分实现其优越性能。 步进电机以其显着的特点，在电子数字化时代将发挥重大作用，将广泛应用于数控车床、机器人、航空工业和电子领域中，可完成工作量大，任务复杂、精度高的制造业以及代替人类完成不利于身体健康的工业中，为生活带来更多的便利。 第一章设计内容及要求 基本要求：1、利用proteus软件设计步进电机的工作原理图，并进行仿真。 2、调试及实现。 （1）实现步进电机根据输入的脉冲旋转的相应圈数。 （2）可以实现复位，正反转控制，由4个LED代替4个线圈。 （3）实现步进电机的加速、减速功能。 文件编号：TP-AR-L2541 In Terms Of Organization Management, It Is Necessary To Form A Certain Guiding And Planning Executable Plan, So As To Help Decision-Makers To Carry Out Better Production And Management From Multiple Perspectives. （示范文本） 编订：_______________ 审核：_______________ 单位：_______________ 基于单片机步进电机速 度控制研究(正式版) 基于单片机步进电机速度控制研究 (正式版) 使用注意：该安全管理资料可用在组织/机构/单位管理上，形成一定的具有指导性，规划性的可执行计划，从而实现多角度地帮助决策人员进行更好的生产与管理。材料内容可根据实际情况作相应修改，请在使用时认真阅读。 本文对步进机一个全面的介绍，再基于单片机对 步进电机的控制。本文采用硬件控制系统，通过单片 机MC9S12XS128与光电编码器对步进电机进行速度的 控制。最后对步进电机的速度曲线进行研究。 步进电机又称为脉冲电动机或者阶跃电动 机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用于各种自动化控制系统之中，比如当今电子 钟表、工业机械手、包装机械和汽车制动元件的测试 中等。步进电机在未来应用前景会往更加小型化、从 圆形电动机往方形电动机和四相、五相往三相电动机 发展。而这便需要对步进电机的控制提出了更高的要求。 1.步进电机综合介绍 1.1.步进电机分类 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。 1.1.1.反应式步进电机 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。一般为三相，可实现大扭矩的输出，步进角一般为1.5度。它的结构简单，成本低，但噪音大。 毕业设计（论文）开题报告 学生专业 学号姓名班级 指导教师及职称 题目步进电机控制设计结合毕业设计（论文）课题情况，根据所 查阅的文献资料，每人撰写500 字左右的文献综述： 一、选题的背景和意义： 步进电动机是数字控制系统中一种十分重要的自动化执行元件，在工业自动化装备，办公自 动化设备中有着广泛的运用，近年来，控制技术、计算机技术以及微电子技术的迅速发展，有力 地推动了步进电动机控制技术的进步，提高了步进电动机运动控制装置的应用水平。过去电动机 的控制多用模拟法，随着计算机应用技术的迅速发展，电动机的控制也发生了深刻的变化，步进 电机常常和计算机一起组成高精度的数字控制系统。模拟控制已经逐渐被使用单片机为主的混合 控制和全数字控制所取代。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行机构，其转子角位移与输入脉冲的频率成 正比，通过改变脉冲频率可以实现大范围的调速；同时，步进电机易于与计算机和其他数字元件 接口，因此被应用于各种数字控制系统中[2] ，本设计的步进电动机控制系统由单片机（控制电路），脉冲分配电路、功率放大电路（驱动电路）、步进电动机及电源系统组成组成。 步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动 机，它最突出的优点是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，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自 动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展， 步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。 本模块由45BC340C型步进电机及其驱动电路组成。 (一步进电机: 一般电动机都是连续旋转,而步进电动却是一步一步转动的,故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号,该电动机就转过一定的角度(有的步进电动机可以直接输出线位移,称为直线电动机。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移(或直线位移的执行元件。 步进电动机的转子为多极分布,定子上嵌有多相星形连接的控制绕组,由专门电源输入电脉冲信号,每输入一个脉冲信号,步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号,输出的角位移是断续的,所以又称为脉冲电动机。 随着数字控制系统的发展,步进电动机的应用将逐渐扩大。 步进电动机的种类很多,按结构可分为反应式和激励式两种;按相数分则可分为单相、两相和多相三种。 图1 反应式步进电动机的结构示意图 图1是反应式步进电动机结构示意图,它的定子具有均匀分布的六个磁极,磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组,联法如图所示。 模块中用到的45BC340型步进电机为三相反应式步进电机,下面介绍它单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。 1、单三拍通电方式的基本原理 设A相首先通电(B、C两相不通电,产生A-A′轴线方向的磁通,并通过转子形成闭合回路。这时A、A′极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下,转子总是力图转到磁阻最小的位置,也就是要转到转子的齿对齐A、A′极的位置(图2a;接着B相通电(A、C 两相不通电,转了便顺时针方向转过30°,它的齿和C、C′极对齐(图2c。不难理解,当脉冲信号一个一个发来时,如果按A→C→B→A→…的顺序通电,则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。 图2 单三拍通电方式时转子的位置 2、六拍通电方式的基本原理 设A相首先通电,转子齿与定子A、A′对齐(图3a。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力,使转子顺时针方向转动,但是A、A′极继续拉住齿1、3,因此,转子转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3b所示,即转子从图(a位置顺时针转过了15°。接着A相断电,B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐(图c,转子从图(b的位置又转过了15°。 龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/528580144.html, 利用单片机实现对步进电机的简单控制 作者：吴云 来源：《计算机光盘软件与应用》2013年第08期 摘要：本文主要介绍了利用LY-51SV2.3开发板实现对步进电机的简单控制，以实现步进电机的正反转、加减速以及开始停止等功能。通过对步进电机的控制，使人们对开发板的应用以及如何编写C语言程序有更深层次的理解。通过本文的介绍，也为下一步更好的利用开发板控制步进电机打下一个基础。 关键词：单片机；步进电机；语言 中图分类号：TP368.1 目前，单片机应用得到了非常广泛的应用，几乎涉及到了社会生活中的各个领域，对于与计算机相关专业的单片机的知识有一个简单的学习了解是必要的，而对于初学者或者教学人员利用开发板进行学习是有效的途径。开发板是学习和实践的最好产品，因为有配套测试好的软件和硬件，这样用户就不必操心组建开发系统的过程。只需要专心研究程序。开发板只不过是个工具，利用这个工具，可以使我们更快的了解并掌握需要的知识。 1设计思路 本次单片机使用STC89C51，通过开发板的5个按键K1-K5分别实现对步进电机的加减速、正反转与停止的控制，在实现正反转的过程中分别由Led指示灯进行指示，并在数码管上显示当前速度的大小值，其最大值不超过18，在整个按键过程中是由键盘扫描函数来控制， 速度的大小值是由显示函数在数码管上显示出来。 2端口、函数与变量定义 #defineKeyPortP3//由P3口连接控制按钮 #defineDataPortP0//定义数据端口程序中遇到DataPort则用P0替换 sbitLATCH1=P2^2；//定义锁存使能端口段锁存 sbitLATCH2=P2^3；//位锁存 sbitA1=P1^0；//定义步进电机连接端口 sbitB1=P1^1；sbitC1=P1^2；sbitD1=P1^3；sbitled=P1^5；sbitled1=P1^7； 系统硬件设计 2010/2011学年第1学期专用周实训报告 课程名称：可编程控制器专用周 班级：计算机控制0901 姓名：齐珊 教学周数： 1 周 指导教师：吴洋、吴刚 目录 一、课题题目及要求 设计并制作一个基于32×32点阵LED模块的书写显示屏，其系统结构如图1-1所示。在控制器的管理下，LED点阵模块显示屏工作在人眼不易觉察的扫描微亮和人眼可见的显示点亮模式下；当光笔触及LED点阵模块表面时，先由光笔检测触及位置处LED点的扫描微亮以获取其行列坐标，再依据功能需求决定该坐标处的LED是否点亮至人眼可见的显示状态，从而在屏上实现“点亮、划亮、反显、整屏擦除、笔画擦除、连写多字、对象拖移”等书写显示功能。 图1-1 LED点阵书写显示屏系统结构示意图 设计的最终要求是：在点亮功能下当光笔接触屏上某点LED时，能即时点亮该LED；在划亮功能下当光笔快速划过时，能同步点亮划过的各LED，其速度要求2S内能划过并点亮40点LED；在反显功能下能对屏上显示的信息实现反向显示；在屏幕擦除功能下能实现对屏上所显示信息整屏擦除；在笔画擦除功能下，能用光笔擦除屏上所显汉字的笔画；在连写多字功能下，能结合自选的擦除方式，在30S内以划亮方式写出四个汉字且存入机内；在对象拖移功能下，能用光笔将选定显示内容在屏上进行拖移，先用光笔以划亮方式在屏上圈定欲拖移显示对象，再用光笔将该对象拖移到屏上另一位置；当光强改变时，能自动连续调节屏上显示亮度；当光笔连续未接触屏面的时间超过1-5MIN 时，自动关闭屏上显示，并使系统进入休眠模式。 二、实训目的 1、运用Proteus中电子线路设计与仿真（了解电路分析、模拟电子技术和数字电 子技术） 2、熟练掌握电子线路设计与仿真的一般流程 3、进一步熟练Proteus电路仿真工具和Keil仿真软件进行系统联调 4、能够学会使用可编程控制器等其它应用系统的编程方法 5、熟练在Keil软件中熟练输入、设置、调试、排除错误、修改及调试程序的方法 6、对给定题目能进行系统设计，能画出硬件原理图及软件流程图 7、掌握识别元器件类型、引脚的极性、实物引脚排列方向 8、掌握焊接元器件的方法，学会规划、合理布局焊接路电路板方法 9、能进行电路板的焊接，并能检查存在的问题 10、掌握简单产品的开发流程和详细的设计过程。 11、提高和培养创新能力和团队协作能力 12、进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力， 为后续课程的学习打下基础 三、设计过程 1、系统整体设计 根据课题要求，LED点阵书写显示屏由主控模块，按键电路、LED点阵模块、光笔电路及LED点阵驱动显示等部分组成。系统框图如图2-1所示： 图2-1系统框图 2、核心控制模块的的设计 核心控制模块是系统的大脑，控制着系统的所有输入输出、计算、判断与决策。“LED点阵书写显示屏”检测精度要求高且数据存储容量大，选择适合的控制模块，能确保其快速是实现稳定及达到 直流步进电机plc控制方法 系统功能概述： 本系统采用PLC通过步进电机驱动模块控制步进电机运动。当按下归零按键时，电机1和电机2回到零点（零点由传感器指示）。当按下第一个电机运行按键时，第一个电机开始运行，直到运行完固定步数或到遇到零点停止。当按下第二个电机运行按键时，第二个电机开始运行，运行完固定步数或遇到零点停止。两电机均设置为按一次按键后方向反向。电机运行时有升降速过程。 PLC输入点I0.0为归零按键，I0.1为第一个电机运行按键，I0.2为第二个电机运行按键，I0.3为第一个电机传感器信号反馈按键，I0.4为第二个电机传感器信号反馈按键。 PLC输出点Q0.0为第一个电机脉冲输出点，Q0.1为第二个电机脉冲输出点，Q0.2为第一个电机方向控制点，Q0.3为第二个电机方向控制点，Q0.4为电机使能控制点。 所用器材： PLC：西门子S7-224xpcn及USB下载电缆。编程及仿真用软件为V4.0 STEP 7 MicroWIN SP3。 直流步进电机2个，微步电机驱动模块2个。按键3个。24V开关电源一个。导线若干。 各模块连接方法： PLC与步进电机驱动模块的连接： 驱动模块中EN+、DIR+、CP+口均先接3k电阻，然后接24V 电源。 第一个驱动模块CP-接PLC的Q0.0，DIR-接PLC的Q0.2，EN-接PLC的Q0.4 第二个驱动模块CP-接PLC的Q0.1，DIR-接PLC的Q0.3，EN-接PLC的Q0.4 注意： 1、PLC输出时电压为24V，故和驱动器模块连接时，接了3k 电阻限流。 2、由于PLC处于PTO模式下只有在输出电流大于140mA时，才能正确的输出脉冲，故在输出端和地间接了200欧/2w下拉电阻，来产生此电流。（实验室用的电阻功率不足，用200欧电阻时功率至少在24*24/200=2.88w，即用3w的电阻） 3、PLC与驱动模块连接时，当PLC输出低电平时不能将驱动模块电平拉低，故在EN-和DIR-上接了200欧/2W下拉电阻 驱动模块与电机接法： 驱动模块的输出端分别与电机4根线连接 电机传感器与PLC连接： 传感器电源接24v，信号线经过240欧电阻（试验中两个470电阻并联得到）与24v电源上拉后，信号线接到PLC的I0.3和I0.4 指导教师评定成绩： 审定成绩： 重庆邮电大学 自动化学院 自动控制原理课程设计报告 设计题目： 单位（二级学院）：自动化学院 学生姓名： 专业：自动化 班级： 学号： 指导教师： 设计时间：2010 年 6 月 重庆邮电大学自动化学院制 目录 目录 (2) 一、设计题目 (3) 1题目内容 (3) 2实现目标 (3) 3设计要求 (3) 4 设计安排 (3) 二、设计报告正文 (3) 1步进电机的概论 (4) 2步进电机的驱动控制系统 (6) 3系统设计思路 (10) 4步进电机的控制电路 (13) 三、设计总结 (15) 四、参考文献 (16) 一、设计题目 1题目内容 基于51单片机的步进电机调速设计 2实现目标 1)具有与PC机串口通信的功能； 2)具有与数码管显示或者LED指示灯显示状态（数码管显示的速度并不代表电 机实际速度，只是一个感性的认识） 3设计要求 1)绘制原理图，PCB; 2)完成单片机所有代码编写； 3)设计PC机简易显示界面； 4设计安排 三个人一组，为期一周，小组成员合作，共同完成设计要求。 二、设计报告正文 摘要：步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或者线位移的电磁机械装置。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。它具有快速启停能力，在电机的负荷不超过它能提供的动态转矩时，可以通过输入脉冲来控制它在一瞬间的启动或者停止。由于其精确性以及其良好的性能在实际当中得到了广泛的应用。 本文首先介绍了步进电机的分类、技术指标、步进电机的工作原理以及步进电机 大连理工大学本科设计报告题目：步进电机转速控制系统设计 课程名称：单片机综合设计 学院（系）：电子信息与电气工程学部 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 成绩： 2013 年7 月20 日 题目：步进电机转速控制系统设计 1 设计要求 1)利用ZLG7290的键盘控制直流电机（或步进电机的转速、转向）； 2)也可以利用ADC模块（与电位器配合），利用电位器控制转速； 3)利用ZLG7290的8位LED数码管显示电机转向、转速参数显示。 2 设计分析及系统方案设计 实验要求使用步进电机作为被控制对象，由ZLG7290做人机对话平台，利用单片机的P1（8位）和P3（部分口线）构造系统。实验最终实现功能、设计思路以及方案设计如以下几个小节所述。 2.1 系统设计实现功能 根据设计要求、现有设备以及知识储备，完成功能如下： ①由按键S1~S8实现转速切换，其中S1~S4正转，S5~S8反转 ②按键S16作为停止键，按下S10后步进电机停止转动，再按S1~S16步进电机按 照按键对应转速以及转向转动 ③按键S10作为复位键，当按下S10后，无论当前处于何种状态，系统恢复至初 始态 ④8为LED数码管显示当前步进电机转速（speed=0/1 1~4），转速前0表示正转， 1表示反转 ⑤若按下停止键，数码管显示当前转速；若按下复位键，数码管显示初始态speed=00 2.2 设计思路 本次的设计是LED显示与步进电机相结合以及若干功能键的组合的一种设计。根据之前学习的按键中断显示实验和定时器实验，使用INT0和INT1，INT0作为按键中断，INT1作为定时器。在主程序中实现LED初始显示、定时器计时初始、按键中断初始。INT0中断调用中断服务子程序实现对按键键值的判断，并根据相应的按键值实现对应步进电机的变化，并显示该按键对应的转速。INT1定时器中断根据INT0的按键键值，对定时器设定相应的初值，实现步进电机按规定的转速转动。对于按键停止，则是利用中断优先级，当INT0的中断优先级高时，系统进入中断，此时INT1停止计时，也就实现了步进电机的停止，当改变定时器与按键中断的优先级时，即把INT0设为低优先级，INT1设为高优先级，步进电机重新开始转动。此时添加一个对INT0位地址的查询，若有按键即正/反转的4档转速所对应的按键，步进电机开始重新转动。对于复位功能，则同样是利用按键键值的判断，在对应键值下控制电机初始化。 北华航天工业学院 课程设计报告（论文） 课程名称：微机控制技术课程设计 设计课题：步进电机的控制系统 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间：2013年06月11日 北华航天工业学院电子工程系 微机控制技术课程设计任务书 姓名：专业：班级： 指导教师：职称：教授时间：2013.6.11 课程设计题目：步进电机的控制系统 设计步进电机单片机控制系统，其功能如下： 1．具有对步进电机的启停、正反转、加减速控制； 2．控制按钮分别为正转、反转、加速、减速、以及停止键； 3．能够通过三位LED数码管（或液晶显示器）显示当前的转动速度，并且由两只不同颜色的发光二极管分别指示正转和反转，因此可以清楚的显示当前转动方向和转速； 4．要求每组选择的步进电机控制字不同； 5．用单片机做控制微机； 应用软件：keil protues 成果验收形式： 1.课程设计的仿真结果 2.课程设计的报告书 参考文献： 【1】张家生. 电机原理与拖动基础【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006. 【2】马淑华，王凤文，张美金. 单片机原理与接口技术【M】.北京：北京邮电大学出版社，2007. 【3】顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006. 【4】张靖武，周灵彬. 单片机系统的PROTEUS设计与仿真【M】. 北京：电子工业出版社，2007 第16周 时间 安排 指导教师教研室主任： 2013年06 月11日 内容摘要 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。 关键词：步进电机单片机数码管显示 摘要 进步电机是几点数字控制系统中常用的控制元件之一。由于其精度高，体积小，控制方便灵活，因此在智能仪表和位置中得到广泛的应用。 步进电机是机电控制中一种常见的执行机构。步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、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。步进电机作为执行元件，是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，在各个国民经济领域都有应用。他易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。 1 课程设计任务和要求 课程设计任务 设计一个三相步进电机控制系统，设计一个计算机步进电机程序控制系统，可以对步进电机的转速、转向以及位置进行控制。通过设计，掌握步进电机的工作原理、掌握步进电机控制系统的设计原理、设计步骤，进一步提高综合运用知识的能力。 要求完成的主要任务: （1）设计接口电路和驱动电路，对步进电机进行控制。 （2）选择控制算法，编写控制程序，实现三相步进电机在双三拍工作方式下先正转90度，然后再反转60度，要求其速度可调，转向可控。 （3）写出设计说明书。 课程任务要求 （1）查阅资料，确定设计方案 （2）选择器件，设计硬件电路，并画出原理图和PCB图 （3）画出流程图，编写控制程序 （4）撰写课程设计说明书 2 步进电机的概述 2.1 步进电机的特点 1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的 更多电子资料请登录赛微电子网https://www.doczj.com/doc/528580144.html, 步进电机原理 作者：Dan Simon，电子与计算机工程系，克里夫兰州立大学 步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统(例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等)的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。不论在工业、军事、医疗、汽车还是娱乐业中，只要需要把某件物体从一个位置移动到另一个位置，步进电机就一定能派上用场。步进电机有许多种形状和尺寸，但不论形状和尺寸如何，它们都可以归为两类：可变磁阻步进电机和永磁步进电机。本文重点讨论更为简单也更常用的永磁步进电机。 步进电机的构造 （图一，具有双齿槽和单绕组的定子） 如图1所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。 现在假设我们构造一个定子上缠绕有两个绕组的电机，内置一个能够绕中心任意转动的永久磁铁，这个可旋转部分叫做转子。图2给出了一种简单的电机，叫做双相双极电机，因为其定子上有两个绕组，而且其转子有两个磁极。如果我们按图2a所示方向给绕组1输送电流，而绕组2中没有电流流过，那么电机转子的南极就会自然地按图中所示，指向定子磁场的北极 （图2：双相双极电机） 然后我们切断绕组1中的电流，按照图2b所示方向给绕组2输送电流，于是定子磁场会指向左侧，从而使得转子旋转，其南极也指向左侧。 步进电机只能够由数字信号控制运行的，当脉冲提供给驱动器时，在过于短的时间里，控制系统发出的脉冲数太多，也就是脉冲频率过高，将导致步进电机堵转。要解决这个问题，必须采用加减速的办法。就是说，在步进电机起步时，要给逐渐升高的脉冲频率，减速时的脉冲频率需要逐渐减低。这就是我们常说的“加减速”方法。 步进电机转速度是根据输入的脉冲信号的变化来改变的，从理论上讲，给驱动器一个脉冲，步进电机就旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)。实际上，如果脉冲信号变化太快，步进电机由于内部的反向电动势的阻尼作用，转子与定子之间的磁反应将跟随不上电信号的变化，将导致堵转和丢步。 所以步进电机在高速启动时，需要采用脉冲频率升速的方法，在停止时也要有降速过程，以保证实现步进电机精密定位控制。加速和减速的原理是一样的。以加速实例加以说明：加速过程是由基础频率(低于步进电机的直接起动最高频率)与跳变频率(逐渐加快的频率)组成加速曲线(降速过程反之)。跳变频率是指步进电机在基础频率上逐渐提高的频率，此频率不能太大，否则会产生堵转和丢步。 步电机系统解决方案 加减速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线，当然也可采用直线或正弦曲线等。使用单片机或者PLC，都能够实现加减速控制。对于不同负载、不同转速，需要选择合适的基础频率与跳变频率，才能够达到最佳控制效果。指数曲线，在软件编程中，先算好时间常数存贮在计算机存贮器内，工作时指向选取。通常，完成步进电机的加减速时间为300ms以上。如果使用过于短的加减速时间，对绝大多数步进电机来说，就会难以实现步进电机的高速旋转。 深圳市维科特机电有限公司成立于2005年，是步进电机产品的销售、系统集成和应用方案提供商。我们和全球产品性价比高的生产厂家合作，结合本公司专家团队多年的客户服务经验，给客户提供有市场竞争力的步进电机系统解决方案。我们的主要产品有信浓(SHINANO KENSHI)混合式步进电机、日本脉冲(NPM)永磁式步进电机、减速步进电机、带刹车步进电机、直线步进电机、空心轴步进电机、防水步进电机以及步进驱动器、减振垫、制振环、电机引线、拖链线、齿轮、同步轮、手轮等专业配套产品。我们还供应德国TRINAMIC驱动芯片和日本NPM运动控制芯片。根据客户配套需要，我们还可以 步电机系统解决方案 步进电机的速度控制 步进电机是一种能将脉冲信号转换成角位移或线位移的执行器件，广泛应用于各种工业设备中。步进电机的角位移或线位移与控制脉冲数成正比。通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速，实现电机的加减速，转向等。 在实际步进电机应用中，尤其在要求快速响应的控制系统中，其关键问题是如何保证步进电机在运行过程中不发生失步。 调速电动机控制系统按其功能分为以下几个部分：中央处理器首选8051系列单片机；测速电路；A/D转换电路；供电电路；过零脉冲的形成电路；可控硅的触发电路；通信串行接口电路；显示接口电路以及时钟复位电路。 步进脉冲的调频方法 1、软件延时：通过调用标准的延时子程序来实现。优点是程序简单，不占硬件资源，缺点是浪费CPU的宝贵时间，在控制过程中，ＣＰＵ不能做其他的事。 2、硬件定时：假设控制器为AT89S52单片机，晶振频率为12MHZ，将T0作为定时器使用，设定T0工作在模式1（16为定时/计数器）。只需要改变T0的定时常数，就可以实现步进电机的调速。 步进电机的速度控制规律： 1、按梯形规律升降，即步进电机的转速每跃进一个台阶后，恒速行驶一段时间。这种方法的缺点是在恒速阶段没有加速，为充分利用步进电机的加速性能，而且高频阶段加速台阶高，步进电机在速度阶跃时会发生失步。 2、按直线规律升降速方式，由于这种升速方法的及速度是恒定的，其缺点是未充分考虑步进电机输出力矩随速度变化的特性，步进电机高速时会发生失步。 3、第三种是按指数规律升降速，在以微处理器为核心的驱动器中，常用定时常数递减（递加）的方法实现升降速，升速曲线成上凹形，低频时升速太慢，高速时升速太快。 （注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！） 华北科技学院计算机系综合性实验 实验报告 课程名称微机原理及应用 实验学期 2011 至 2012 学年第二学期学生所在系部电子信息工程学院 年级 2009 专业班级 学生姓名学号 任课教师 实验成绩 计算机系制 《微机原理及应用》课程综合性实验报告 开课实验室：计算机接口实验室2012年5月29日 实验题目微机控制步进电机调速系统 一、实验目的 1、了解计算机控制步进电机原理 2、掌握步进电机正转反转设置方法 3、掌握步进电机调速工作原理及程序控制原理 二、设备与环境 TPC-2003A 微机。 Vc++编译器。 三、实验内容 硬件接线图参考实验指导书。 软件编程在TPC-2003A自带的VC++编译环境下使用。 在通用VC++下编程，需要拷贝相关的库文件。 用汇编语言编写控制程序需注明原理。 四、实验结果及分析 1、实验步骤 1、按如下实验原理图连接线路，利用8255输出脉冲序列，开关K0～K6控制步进电机转速，K7控制步进电机转向。8255 CS接288H～28FH。PC0～PC3接BA～BD；PA口接逻辑电平开关。 2、编程：当K0～K6中某一开关为“1”（向上拨）时步进电机启动。K7向上拨电机正转，向下拨电机反转。 实验原理图 2.实验结果 按照实验步骤连接实验电路，检查无误后运行程序。可以看到，当开关k0到k6依次为高电平时，电机转速越来越慢，k0闭合时速度最快，k6闭合时速度最慢，当k0到k6的低位有闭合时，步进电机按最低位的转速运行，因为程序中的查询方式是从k0-k6，即在程序的优先级别中k0的级别是最高的而k7的优先级别是最低的。k7控制电机的正转与反转。 3.实验分析 （1）步进电机的工作原理： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动 电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 如图(b)所示：本实验使用的步进电机用直流＋5V 电压，每相电流为0.16A，电机线圈 由四相组成：即： φ1（BA） φ2（BB） Φ3（BC） Φ4（BD） 驱动方式为二相激磁方式，各线圈通电顺序如下表所示。图（b） 表中首先向φ1 线圈－φ2 线圈输入驱动电流，接着φ2－φ3，φ3－φ4，φ4－φ1，又返回到φ1－φ2，按这种顺序切换，电机轴按顺时针方向旋转。 实验可通过不同长度的延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种步进速度。步进电机控制实验
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