四自由度平台设计步进电机控制
高精度、快速响应的可移动旋转平台（所谓的平台）是测控系统中常用的一种机构。本课题是一个自动化系统的预研，旨在构建一个控制精度高、响应速度快、控制简单、有一定的负载能力和刚度的平台。本文主要介绍了步进电机控制模块。结合老师的要求和系统的可行性，选材方面的性价比方面考虑，本次设计拟采用STC89C51型单片机控制步进电机。步进电机拟采用四相五线式步进电机，设计硬件电路和编写软件程序去控制步进电机的定位和调速，并对研究过程中出现的误差失步现象进行分析和解决。关键词 四自由度平台，步进电机，单片机，系统控制 目 录
1 引言 1
1.1 课题的意义与背景 1
1.2 高精度可移动旋转平台的发展趋势 1
1.3 方案的设计与论证 2
2 四自由度平台设计—步进电机控制设计方案选择 2
2.1 CPU方案选择 2
2.2下载电路的选择 3
2.3 电源电路选择 3
2.4 显示电路的选择 3
2.5 步进电机控制电路的选择 4
3 四自由度平台设计—步进电机控制硬件设计 4
3.1 AD转换器模块 4
3.2 微处理器外围元器件设计 5
3.3 步进电机模块 5
3.4 液晶显示模块 7
4 四自由度平台设计—步进电机控制软件设计 8
4.1 软件设计采用的开发环境 8
4.2 软件设计相关流程图 8
5 四自由度平台设计—步进电机控制的调试 30
5.1 电路部分调试 30
5.2 遇到问题及处理办法 31
5.3 步进电机失步现象的处理 32
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录 电路仿真图 36
1 引言
单片机已经在人们的日常生活中起到越来越重要的作用，单片机种类日新月异。单片机也称作微控制器或微处理器。他具有功能强大，价格低廉等优点。在各类控制技术领域也会经常见到他的身影。由于单片机的使用，使各类控制装置的功能变得强大，可靠性也得到了大幅度提升。本毕业
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致 谢 34
参 考 文 献 35
附录 电路仿真图 36
1 引言
单片机已经在人们的日常生活中起到越来越重要的作用，单片机种类日新月异。单片机也称作微控制器或微处理器。他具有功能强大，价格低廉等优点。在各类控制技术领域也会经常见到他的身影。由于单片机的使用，使各类控制装置的功能变得强大，可靠性也得到了大幅度提升。本毕业设计是基于单片机的高精度可移动旋转平台的设计，考虑到老师布置的任务，在本论文中的最主要的设计是选STC89C51单片机和步进电机模块以及液晶显示器构成。
STC89C51单片机具有传统MCS51的硬件结构，开发编程习惯和AT89C51没有区别，且功能完全能满足课题指标，且具有性价比高的特点，能够可靠应用于基于单片机的高精度可移动旋转平台的设计。步进电机实现三维度行程控制具有优异的灵敏度，价格亲民，可以满足本课题的所有设计指标。
1.1 课题的意义与背景
随着社会和经济的发展，各类机电一体化设备对提高人民的日常工作生产效率起到了至关重要的作用，人们对各类智能控制设备的依赖性也变得越来越高，因此，控制系统的功能也在科学家的努力下变得越来越强大。所以，利用单片机设计一种能够实现高精度可移动旋转平台装置也变的非常重要，这可以最大限度的减少人们的工作强度，也可以最大程度的降低各类数控机床报废件的问题，减小事故的发生。
1.2 高精度可移动旋转平台的发展趋势
高精度可移动旋转平台最常见于智能数控机床的应用领域。随着科技日新月异以及计算机控制技术的迅速发展，现代智能数控机床的应用技术发展趋势正在向着小型化、科技化、进步人性化方面发展。数字控制技术正发生革命性的变化。通过引入高性能处理器，能够实现数控技术的高速高精度效果。数字化控制是数控机床未来发展的必然趋势。在设计结构角度，数控系统已经完全达到了从专用封闭结构向通用开放结构的过渡，并向基于嵌入式系统的全数字化结构变化。
同时引入了互联网，整机可方便地与CAD/CAM联网工作，达到了车间网络化监控、维护与治理；在数控系统的高速、高精、高效控制方面，也引入了诸多办法，比如高速平滑算法实现控制，可实现整机的快速响应、进步反馈与控制，提高各个环节的数据分辨率，达到了非常理想的效果；也可以实现智能化控制，具体是采样加工过程中影响产品加工质量的各类因素，已达到自动调整加工参数、并引入了智能调节与自动补偿，有效的提高了工作效率。
1.3 方案的设计与论证
基于单片机的高精度可移动旋转平台，就是实现X-Y-R三维度的平台中某一被控制点的位置坐标的调整。本基于单片机的高精度可移动旋转平台的动作过程为：本设计采用STC89C51单片机为核心，引入三只滑动电阻来模拟控制摇杆，接AD转换器进行转换后，控制三只步进电机的旋转角度，以模拟三维度平台中的被控制物体的具体移动位置，具有较高实用性。本设计硬件由单片机最小控制系统及AD转换器电路，液晶显示器电路，步进电机电路构成，软件部分则指单片机控制程序，由C语言完成设计调试。硬件框图如图1-1所示。
图1-1 四自由度平台设计—步进电机控制设计硬件框图
2 四自由度平台设计—步进电机控制设计方案选择
2.1 CPU方案选择
第一种方案：STM32系列单片机是美国MICROSOFT于近五年推出的32位超低功耗的混合信号微处理器。他将模拟电子、数字电子技术合二为一在同个芯片上，常见于电池提供整机电源的仪器仪表中。
第二种方案：使用89C51微控制器，8051单片机是上个世纪八十年代出现的高性能的单片微控制器。性价比极高，比ARM微处理器价格低，可以实现本毕业设计的要求。
结合课题的设计指标，8位机的8051完全能满足设计指标，且考虑到毕业设计的时间要求以及条件，考虑用仿真软件模拟系统的各指标。由于PROTUES仿真软件里并没有STM32元器件，但是能找到AT89C51。由于AT89C51和STC89C51具有相同的引脚和功能，综合考虑，本毕业设计以STC89C51单片机为控制器，实现课题要求的所有功能。
2.2下载电路的选择
本毕业设计要求完成基于单片机的高精度可移动旋转平台。常见的下载电路有两种：
考虑到单片机TTL的逻辑电平为0v、5v的电压，而计算机是232逻辑形式的电压，即逻辑电平为负12伏特，逻辑高电平为正12伏特，加之而单片机需要串口完成程序的下载，故第一步需要将TTL逻辑变换成232逻辑。
方案一：在电路板上增加TTL转232逻辑的专用芯片，考虑到现有的计
1 引言 1
1.1 课题的意义与背景 1
1.2 高精度可移动旋转平台的发展趋势 1
1.3 方案的设计与论证 2
2 四自由度平台设计—步进电机控制设计方案选择 2
2.1 CPU方案选择 2
2.2下载电路的选择 3
2.3 电源电路选择 3
2.4 显示电路的选择 3
2.5 步进电机控制电路的选择 4
3 四自由度平台设计—步进电机控制硬件设计 4
3.1 AD转换器模块 4
3.2 微处理器外围元器件设计 5
3.3 步进电机模块 5
3.4 液晶显示模块 7
4 四自由度平台设计—步进电机控制软件设计 8
4.1 软件设计采用的开发环境 8
4.2 软件设计相关流程图 8
5 四自由度平台设计—步进电机控制的调试 30
5.1 电路部分调试 30
5.2 遇到问题及处理办法 31
5.3 步进电机失步现象的处理 32
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录 电路仿真图 36
1 引言
单片机已经在人们的日常生活中起到越来越重要的作用，单片机种类日新月异。单片机也称作微控制器或微处理器。他具有功能强大，价格低廉等优点。在各类控制技术领域也会经常见到他的身影。由于单片机的使用，使各类控制装置的功能变得强大，可靠性也得到了大幅度提升。本毕业
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录 电路仿真图 36
1 引言
单片机已经在人们的日常生活中起到越来越重要的作用，单片机种类日新月异。单片机也称作微控制器或微处理器。他具有功能强大，价格低廉等优点。在各类控制技术领域也会经常见到他的身影。由于单片机的使用，使各类控制装置的功能变得强大，可靠性也得到了大幅度提升。本毕业设计是基于单片机的高精度可移动旋转平台的设计，考虑到老师布置的任务，在本论文中的最主要的设计是选STC89C51单片机和步进电机模块以及液晶显示器构成。
STC89C51单片机具有传统MCS51的硬件结构，开发编程习惯和AT89C51没有区别，且功能完全能满足课题指标，且具有性价比高的特点，能够可靠应用于基于单片机的高精度可移动旋转平台的设计。步进电机实现三维度行程控制具有优异的灵敏度，价格亲民，可以满足本课题的所有设计指标。
1.1 课题的意义与背景
随着社会和经济的发展，各类机电一体化设备对提高人民的日常工作生产效率起到了至关重要的作用，人们对各类智能控制设备的依赖性也变得越来越高，因此，控制系统的功能也在科学家的努力下变得越来越强大。所以，利用单片机设计一种能够实现高精度可移动旋转平台装置也变的非常重要，这可以最大限度的减少人们的工作强度，也可以最大程度的降低各类数控机床报废件的问题，减小事故的发生。
1.2 高精度可移动旋转平台的发展趋势
高精度可移动旋转平台最常见于智能数控机床的应用领域。随着科技日新月异以及计算机控制技术的迅速发展，现代智能数控机床的应用技术发展趋势正在向着小型化、科技化、进步人性化方面发展。数字控制技术正发生革命性的变化。通过引入高性能处理器，能够实现数控技术的高速高精度效果。数字化控制是数控机床未来发展的必然趋势。在设计结构角度，数控系统已经完全达到了从专用封闭结构向通用开放结构的过渡，并向基于嵌入式系统的全数字化结构变化。
同时引入了互联网，整机可方便地与CAD/CAM联网工作，达到了车间网络化监控、维护与治理；在数控系统的高速、高精、高效控制方面，也引入了诸多办法，比如高速平滑算法实现控制，可实现整机的快速响应、进步反馈与控制，提高各个环节的数据分辨率，达到了非常理想的效果；也可以实现智能化控制，具体是采样加工过程中影响产品加工质量的各类因素，已达到自动调整加工参数、并引入了智能调节与自动补偿，有效的提高了工作效率。
1.3 方案的设计与论证
基于单片机的高精度可移动旋转平台，就是实现X-Y-R三维度的平台中某一被控制点的位置坐标的调整。本基于单片机的高精度可移动旋转平台的动作过程为：本设计采用STC89C51单片机为核心，引入三只滑动电阻来模拟控制摇杆，接AD转换器进行转换后，控制三只步进电机的旋转角度，以模拟三维度平台中的被控制物体的具体移动位置，具有较高实用性。本设计硬件由单片机最小控制系统及AD转换器电路，液晶显示器电路，步进电机电路构成，软件部分则指单片机控制程序，由C语言完成设计调试。硬件框图如图1-1所示。
图1-1 四自由度平台设计—步进电机控制设计硬件框图
2 四自由度平台设计—步进电机控制设计方案选择
2.1 CPU方案选择
第一种方案：STM32系列单片机是美国MICROSOFT于近五年推出的32位超低功耗的混合信号微处理器。他将模拟电子、数字电子技术合二为一在同个芯片上，常见于电池提供整机电源的仪器仪表中。
第二种方案：使用89C51微控制器，8051单片机是上个世纪八十年代出现的高性能的单片微控制器。性价比极高，比ARM微处理器价格低，可以实现本毕业设计的要求。
结合课题的设计指标，8位机的8051完全能满足设计指标，且考虑到毕业设计的时间要求以及条件，考虑用仿真软件模拟系统的各指标。由于PROTUES仿真软件里并没有STM32元器件，但是能找到AT89C51。由于AT89C51和STC89C51具有相同的引脚和功能，综合考虑，本毕业设计以STC89C51单片机为控制器，实现课题要求的所有功能。
2.2下载电路的选择
本毕业设计要求完成基于单片机的高精度可移动旋转平台。常见的下载电路有两种：
考虑到单片机TTL的逻辑电平为0v、5v的电压，而计算机是232逻辑形式的电压，即逻辑电平为负12伏特，逻辑高电平为正12伏特，加之而单片机需要串口完成程序的下载，故第一步需要将TTL逻辑变换成232逻辑。
方案一：在电路板上增加TTL转232逻辑的专用芯片，考虑到现有的计
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