单片机的步进电机控制系统的设计(附件)【字数：12392】
摘 要步进电机是一种常见的执行元件在数字控制系统中，它具有起制动，正反转以及调速的功能。同时，它还拥有十分多的优点，比如说它能有高精度的步距角，并且不会因为一些干扰因素而干扰，它只要一停止就会自己进入锁住状态。本文介绍的是一种基于单片机的步进电机控制系统的设计，通过软硬件结合来功能，比如说正转、反转、加减速等，并且这些状态的运行状况我们都可以发光二极管上来看到。整个系统的硬件系统我们选择51系列单片机，包括键盘显示电路，步进电机的驱动电路等。该控制系统具有较高的稳定性和较强的可靠性，不会因为失步、振荡等对控制精度的影响。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 课题研究的目的和意义 1
第二章 步进电机的介绍 3
2.1步进电机的简介 3
2.2步进电机的工作原理 3
2.3步进电机的种类和选择 4
第三章 控制系统的结构设计 6
3.1控制系统的简介 6
3.2控制系统的特点 8
3.3控制系统中的硬件组成 8
第四章 控制系统的硬件设计 10
4.1核心单片机的选择 10
4.2键盘电路的设计 11
4.3显示电路的设计 12
4.4复位电路的设计 14
4.5驱动电路的设计 16
第五章 控制系统的软件设计 17
5.1软件系统的主流程图 17
5.2系统初始化流程图 17
5.3系统待定状态下的流程图 18
5.4键盘待定状态下的流程图 19
5.5系统运行状况下的流程图 21
5.6键盘运行状况下的流程图 22
第六章 系统的仿真设计 24
6.1系统的电路图 24
6.2步进电机的脉冲频率仿真图 24
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
附录A 程序清单 29
第一章 绪论
1.1 课题背景
步进电机是一种性能优良的数字执行元件，它 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
在机械和电气相互结合的系统中也起着至关重要的作用。伴着计算机的技术、电子元件的技术和自动化控制的技术不断地成长，人们对步进电机的需求也变得越来越高。[1]同时又因为工业技术的快速成长，同类产品也接踵而至，步进电机也开始面对一些空前的挑战。但最近的三十年，数字技术、计算机技术和永磁材料的急训成长，为步进电机的未来发展奠定了良好基础，让步进电机的所能运用的范围也变得越来越广泛。[2]
相对于其他控制系统，我们对步进电机控制系统的要求就是让他能在尽可能短的时刻里到达控制的末尾。因此，我们尽可能的提高它的速率，同时提高它速率的时候可能会引起失步。除此之外，步进电机的最高启动频率值是有限制的。当步进电机上被装了负载的时候，其启动频率要小于最高的空载启动频率。我们按照步进电机的矩频特性，可以得到当启动力矩和启动频率是成反比的。启动步进电机的时候，如果操作频率的值大于启动频率，步进电机就会进入稳定状态。从而可以得到，步进电机在处于一个静止的状态时，他不会稳定在一个很高的操作频率下，而且在启动时必需有一个加速的过程。从快速的运行到结束，也应该有减速的过程，因为系统具有惯性它会直接让步进电机冲过终点。本论文以单片机为控制核心,实现步进电机自动加速和减速控制,让系统能在尽量短的时间内达到控制,但又不会发生失步的情况。由于步进电机速度和它的脉冲频率是相关联的，它们是成正比的关系,因此修改它的速度,就是修改单片机输出脉冲频率。
在计算机技术还没有得到发展的时候，步进电机是不能直接和直流电源或者交流电源直接相连接来进行工作的，因此必须使用特定的驱动电源，这使得步进电机的控制回路变得十分复杂，调试起来不仅浪费各种元器件还耗时耗力，所以那时候的步进电机并没有得到什么发展。就目前情况来说人们发现计算机可以作为步进电机的驱动电源，并且它能起到很好的作用。我们可以通过编辑程序来改变脉冲的频率和数目，从而达到控制步进电机。使用单片机来控制步进电机能够将步进电机的作用发挥到淋漓尽致。因此，以单片机为基础的步进电机控制系统已经成为一种未来电机发展的趋势。[3]
1.2 课题研究的目的和意义
为了加强我们对步进电机和单片机的了解，提高我们的实践能力，我们需要综合运用单片机原理来设计一个步进电机的控制系统。通过键盘按键来设置步进电机的正转、反转、调速等，同时还需要观看到它此时的工作状态。在这个整个设计过程中，我们不仅要熟练步进电机和单片机的内部结构和外部结构还要熟悉他们的使用方法，这样才能将两者相结合，实现这个控制系统。通过这个，在软件编程和硬件组织焊接方面我们都会得到很大的提升。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成为阶跃型的角位移或者线位移的开环控制电机，在自动控制系统中它是一种常用的执行部件，同时我们还可以将步进电机看做一种串行的A/D转换器。由于步进电机只需要改变脉冲的频率就可以改变它的速度，改变脉冲的数目就可以确定到它的角位移量，从而可以达到准确定位和改变速度的功能。因为它的这些功能，步进电机在一些办公设备和其他自动化设备中起到了广泛的应用。随着时代的进步，计算机技术的快速发展，步进电机的所能应用的范围也越来越广泛，因而研究步进电机的控制系统也具有十分重大的意义。
第二章 步进电机的介绍
2.1 步进电机的简介
步进电机是一种能够将脉冲信号转化成角、线位移的开环控制电机。简单的来说就是当它的驱动器收到了脉冲信号之后，步进电机就会按照一个方向来控制步进电机改变一定的角度（步距角）。在负载处于正常状态时，脉冲频率和电机转动的速度是成正比的关系，因而我们可以改变脉冲频率来达到调速目的；脉冲的数目又是跟角位移量是有着正比的关系，所以改变脉冲的数目就可以进行定位。因为这种关系，步进电机就只存在周期性的误差和累积误差等，因而步进电机在一些领域比如说速度、位置等方面来改变还是十分简单的。5
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 课题研究的目的和意义 1
第二章 步进电机的介绍 3
2.1步进电机的简介 3
2.2步进电机的工作原理 3
2.3步进电机的种类和选择 4
第三章 控制系统的结构设计 6
3.1控制系统的简介 6
3.2控制系统的特点 8
3.3控制系统中的硬件组成 8
第四章 控制系统的硬件设计 10
4.1核心单片机的选择 10
4.2键盘电路的设计 11
4.3显示电路的设计 12
4.4复位电路的设计 14
4.5驱动电路的设计 16
第五章 控制系统的软件设计 17
5.1软件系统的主流程图 17
5.2系统初始化流程图 17
5.3系统待定状态下的流程图 18
5.4键盘待定状态下的流程图 19
5.5系统运行状况下的流程图 21
5.6键盘运行状况下的流程图 22
第六章 系统的仿真设计 24
6.1系统的电路图 24
6.2步进电机的脉冲频率仿真图 24
结束语 26
致 谢 27
参考文献 28
附录A 程序清单 29
第一章 绪论
1.1 课题背景
步进电机是一种性能优良的数字执行元件，它 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
在机械和电气相互结合的系统中也起着至关重要的作用。伴着计算机的技术、电子元件的技术和自动化控制的技术不断地成长，人们对步进电机的需求也变得越来越高。[1]同时又因为工业技术的快速成长，同类产品也接踵而至，步进电机也开始面对一些空前的挑战。但最近的三十年，数字技术、计算机技术和永磁材料的急训成长，为步进电机的未来发展奠定了良好基础，让步进电机的所能运用的范围也变得越来越广泛。[2]
相对于其他控制系统，我们对步进电机控制系统的要求就是让他能在尽可能短的时刻里到达控制的末尾。因此，我们尽可能的提高它的速率，同时提高它速率的时候可能会引起失步。除此之外，步进电机的最高启动频率值是有限制的。当步进电机上被装了负载的时候，其启动频率要小于最高的空载启动频率。我们按照步进电机的矩频特性，可以得到当启动力矩和启动频率是成反比的。启动步进电机的时候，如果操作频率的值大于启动频率，步进电机就会进入稳定状态。从而可以得到，步进电机在处于一个静止的状态时，他不会稳定在一个很高的操作频率下，而且在启动时必需有一个加速的过程。从快速的运行到结束，也应该有减速的过程，因为系统具有惯性它会直接让步进电机冲过终点。本论文以单片机为控制核心,实现步进电机自动加速和减速控制,让系统能在尽量短的时间内达到控制,但又不会发生失步的情况。由于步进电机速度和它的脉冲频率是相关联的，它们是成正比的关系,因此修改它的速度,就是修改单片机输出脉冲频率。
在计算机技术还没有得到发展的时候，步进电机是不能直接和直流电源或者交流电源直接相连接来进行工作的，因此必须使用特定的驱动电源，这使得步进电机的控制回路变得十分复杂，调试起来不仅浪费各种元器件还耗时耗力，所以那时候的步进电机并没有得到什么发展。就目前情况来说人们发现计算机可以作为步进电机的驱动电源，并且它能起到很好的作用。我们可以通过编辑程序来改变脉冲的频率和数目，从而达到控制步进电机。使用单片机来控制步进电机能够将步进电机的作用发挥到淋漓尽致。因此，以单片机为基础的步进电机控制系统已经成为一种未来电机发展的趋势。[3]
1.2 课题研究的目的和意义
为了加强我们对步进电机和单片机的了解，提高我们的实践能力，我们需要综合运用单片机原理来设计一个步进电机的控制系统。通过键盘按键来设置步进电机的正转、反转、调速等，同时还需要观看到它此时的工作状态。在这个整个设计过程中，我们不仅要熟练步进电机和单片机的内部结构和外部结构还要熟悉他们的使用方法，这样才能将两者相结合，实现这个控制系统。通过这个，在软件编程和硬件组织焊接方面我们都会得到很大的提升。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成为阶跃型的角位移或者线位移的开环控制电机，在自动控制系统中它是一种常用的执行部件，同时我们还可以将步进电机看做一种串行的A/D转换器。由于步进电机只需要改变脉冲的频率就可以改变它的速度，改变脉冲的数目就可以确定到它的角位移量，从而可以达到准确定位和改变速度的功能。因为它的这些功能，步进电机在一些办公设备和其他自动化设备中起到了广泛的应用。随着时代的进步，计算机技术的快速发展，步进电机的所能应用的范围也越来越广泛，因而研究步进电机的控制系统也具有十分重大的意义。
第二章 步进电机的介绍
2.1 步进电机的简介
步进电机是一种能够将脉冲信号转化成角、线位移的开环控制电机。简单的来说就是当它的驱动器收到了脉冲信号之后，步进电机就会按照一个方向来控制步进电机改变一定的角度（步距角）。在负载处于正常状态时，脉冲频率和电机转动的速度是成正比的关系，因而我们可以改变脉冲频率来达到调速目的；脉冲的数目又是跟角位移量是有着正比的关系，所以改变脉冲的数目就可以进行定位。因为这种关系，步进电机就只存在周期性的误差和累积误差等，因而步进电机在一些领域比如说速度、位置等方面来改变还是十分简单的。5
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