基于单片机的步进电机实验系统毕业设计

摘要............................................................. I Abstract............................................................ II 目录............................................................ III 序言. (1)

第一章绪论 (2)

1.1 课题研究的目的和意义 (2)

1.2 国外研究概况 (2)

1.3 论文的主要研究容 (3)

第二章步进电机与单片机简介 (4)

2.1 步进电机介绍 (4)

2.1.1 步进电机概述 (4)

2.1.2 步进电机的工作原理 (7)

2.1.3 步进电机的分类与选择 (8)

2.2 步进电机驱动系统介绍 (10)

2.2.1 步进电机驱动系统简介 (10)

2.2.2 步进电机绕组的电气特性 (10)

2.3 单片机原理 (12)

2.3.1单片机原理概述 (12)

2.3.2单片机的应用系统 (13)

2.3.3 AT89C51简介 (14)

第三章系统硬件设计 (18)

3.1 系统总体框图 (18)

3.2 电源模块 (19)

3.3 按键模块 (20)

3.4 驱动模块 (20)

3.5 状态显示模块 (21)

3.6 时钟模块 (22)

第四章系统软件设计 (23)

4.1 系统开发软硬件环境 (23)

4.2 系统主程序 (23)

4.3 查键部分 (24)

4.4 前进部分 (24)

4.5 后退部分 (25)

4.6 加速部分 (26)

4.7 减速部分 (27)

第五章系统的调试与检测 (29)

5.1程序编译时的错误与解决方法 (29)

5.2 LM7812输出电压错误与解决方法 (29)

5.3 步进电机转动错误及解决方法 (29)

第六章结论与展望 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

附录1：源程序清单 (34)

序言

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。它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围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。

本次毕业设计选用的步进电机是四相步进电机，通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管显示。主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分是设计。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而精确地控制转动角度；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的角度和加速度，从而达到调速的目的。

本次论文分为六章，序言简要介绍了此次设计中有关步进电机及其驱动器的相关概念。第1章是绪论，主要探讨了步进电机的研究背景和本论文的主要研究容；第2章步进电机与单片机的原理；第3章系统整体硬件结构；第4章系统的软件设计；第5章系统的调试与检测；最后是参考文献、附录和致谢。通过七章容的描述，详细介绍了本次毕业设计的容、方法、以及设计中遇到的问题和解决问题的途径。

第一章绪论

1.1 课题研究的目的和意义

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围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。

1.2 国外研究概况

步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。

国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。

国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。

国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器部。

总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。

在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。

1.3 论文的主要研究容

本论文所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。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。本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，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。

第二章步进电机与单片机简介

2.1 步进电机介绍

2.1.1 步进电机概述

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。

正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。

本次毕业设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。

步进电机的基本参数：

（一）步进电机的静态指标术语

1、相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

3、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360