基于單片機控制步進電機

1、課程設(shè)計(論文)說明書題 目： 基于單片機控制步進電機 院 （系）： 專 業(yè)： 自動化 學生姓名： 楊健 學 號： 指導教師： 薛云燦 職 稱： 2017年 5 月 1日摘 要 本課程設(shè)計的要求是用51系列單片機對步進電機進行控制，對單片機控制步進電機系統(tǒng)的控制方式和軟件設(shè)計進行研究，分別從速度控制，正反轉(zhuǎn)進行詳細的分析，步進電機是一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。當步進驅(qū)動收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。通過控制脈沖個數(shù)即可控制角位移量，從而達到準確定位的目的。關(guān)鍵字：單片機；步進電機；控制系統(tǒng)；AbstractIn this

2、paper, the design used 51microcontroller series of stepper motor control SCM control of the stepper motor control system and software design of the study from the speed and direction, stepper motor electromechanical control the implementation. When stepping drivers receive a pulse signal it stepper

3、motor driven in the direction set by a fixed rotating angular displacement, thus achieving the purpose of accurate positioning; pass control to control the pulse Frequency of motor rotation speed and acceleration so as to achieve the purpose of speed. Key words：Single slice machine；Stepper motor； Co

4、ntrol system 目 錄引 言11設(shè)計目標21.1設(shè)計方案意義21.2設(shè)計功能簡介21.3 總體設(shè)計框圖22 電路實現(xiàn)方案及軟件仿真22.1方案選擇論證22.2 單元電路52.2.1 驅(qū)動電路52.2.2 液晶顯示電路62.2.3單片機控制電路63電路板的制作及調(diào)試83.1 電路的改進83.1.1 液晶屏的選擇83.1.2 驅(qū)動電路的選擇83.1.3 步進電機的選擇83.2 protel原理圖和pcb的印制83.3 電路板的制作103.4 故障分析及調(diào)試104心得體會10參考文獻12附 錄13引 言現(xiàn)在科技越來越發(fā)達，單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)

5、控機床、機器人，定量進給、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進電機是數(shù)字控制電機，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制。步進電機通過輸入脈沖信號進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號進行工作。因此，單片機通過向步進電機驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實現(xiàn)對步進電機的控制。1 設(shè)計目標1.1設(shè)計方案意義單片機是一種集成在電路芯片，單

6、片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、各種小車，機器人，定量進給、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應(yīng)用領(lǐng)域。步進電機是數(shù)字控制電機，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制。步進電機通過輸入脈沖信號進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號進行工作。這次課程設(shè)計，我運用到了我上個學期實驗剛學到的單片機，設(shè)

7、計一個單片機控制步進電機的速度和正反轉(zhuǎn)，雖說功能不是很完善，但已經(jīng)實現(xiàn)了基本的功能。正所謂學以致用，這次課程設(shè)計我的確學到了很多東西，所以我以后要多動動手，這樣有助于我們學以至用。1.2設(shè)計功能簡介（1） 接通電源步進電機以自己設(shè)定的轉(zhuǎn)速運行。（2） 有四個功能按鍵，控制步進電機加速，減速，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)。（3） 液晶顯示器上分別顯示步進電機的運行速度和運行狀態(tài)。1.3 總體設(shè)計框圖 單片機液晶顯示器驅(qū)動器步進電機按鍵開關(guān)圖1.1 設(shè)計框圖2 電路實現(xiàn)方案及軟件仿真2.1方案選擇論證（1）ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該芯片的特點如下: ULN2003的每

8、一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003驅(qū)動芯片價格相對與L297和L298芯片更便宜，用其實現(xiàn)，成本較低。圖1.2 ULN2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)（2）單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包

9、括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別。此次課程設(shè)計與我們上學期剛學完的單片機實驗聯(lián)系緊密，上學期實驗課學到了用單片機控制步進電機，本方案將其進行功能和電路上的擴延，能將所學知識與實際聯(lián)系起來，達到學以致用。（3）在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形

10、。在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。圖1.3 LCD1602液晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)（4）步進電機是將電脈沖信號

11、轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。我在本課程設(shè)計中采用的是M35SP-7NP四相五線步進電機，有的步進電機要12V電壓或者更高的電壓，M35SP-7NP四相五線步進電機5V就能驅(qū)動，方便單片機開發(fā)板的使用，控制十分方便。并且這個步進電機優(yōu)質(zhì)，帶齒

12、輪減速，噪音極低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。開放性接口，也可用通過本板驅(qū)動其他步進電機。參數(shù)如下： 相數(shù)： 四相相阻： 8歐/相控制電壓： 5-6V角度： 7.5度/步最大工作電流：807mA最大扭距： 18.1mN m/200pps圖1.4 步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2 單元電路2.2.1 驅(qū)動電路該電路主要由ULN2003驅(qū)動芯片及小部分外圍電路組成，再加四個控制步進電機運行速度和運行狀態(tài)的按鍵開關(guān)組成，對于電流小的步進電機，采用ULN2003的是一種小而美的驅(qū)動裝置，它能提供的輸出電路可達0.5安培。功能是：按鍵開關(guān)按下即給單片機的端口輸入低電平，從而跳到中斷程序，利用驅(qū)動芯片ULN2003從而達到實現(xiàn)對步進

13、電機的運行速度和運行狀態(tài)的控制。2.2.2 液晶顯示電路本課程設(shè)計中該電路主要由LCD1602液晶及部分外圍電路組成，實現(xiàn)的功能是：電路接通電源后，在液晶顯示屏上顯示步進電機的初始設(shè)置運行速度和運行狀態(tài)，通過按鍵開關(guān)改變步進電機的運行速度和運行狀態(tài)在液晶顯示屏上顯示出來。2.2.3單片機控制電路本課程設(shè)計中該段電路由單片機芯片和部分外圍電路組成，通過編程在將程序燒進芯片中，從而達到對液晶顯示電路和步進電機驅(qū)動電路的控制。2.2.4步進電機電路步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即

14、給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。本課程設(shè)計中該段電路主要由五線步進電機組成，單片機控制輸出脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)來控制步進電機的運行速度等功能。2.3 用proteus仿真由于proteus軟件比較容易操作易學，所以用這個軟件挺方便的，所以用起來得心應(yīng)手，對照設(shè)計方案將元件在proteus上進行正確的連接后，用Keil uVision3軟件進行編程生成.hex文件，在將此文

15、件導入proteu中仿真，調(diào)試，以檢驗設(shè)計思路的正確性，仿真后結(jié)果可以運行，在檢查是否有冗余的電路，剛開始的時候電路元件上選擇了L297和L298做步進電機的驅(qū)動電路，價格昂貴并且操作和功能的實現(xiàn)上很繁瑣，走了很多的彎路，但通過查找資料，發(fā)現(xiàn)用ULN2003芯片做驅(qū)動芯片即簡單功能也很容易實現(xiàn)，最終用ULN2003驅(qū)動芯片代替L297和L298做步進電機的驅(qū)動芯片，逐一攻破了問題，感覺學到了很多的東西和知識。對此驗證此方案可行，可以進行下一步的制板工作。圖圖1.5 proteus仿真圖圖1.6 實物運行結(jié)果 3 電路板的制作及調(diào)試3.1 電路的改進3.1.1 液晶屏的選擇 剛開始選用的是LCD

16、1601液晶，LCD1601只能顯示一行，不方便顯示運行狀態(tài)和運行速度，而LCD1602可以顯示兩行，所以改用了LCD1602液晶代替LCD1601液晶做為轉(zhuǎn)速和狀態(tài)的顯示器。3.1.2 驅(qū)動電路的選擇剛開始的時候電路驅(qū)動芯片上選擇了L297和L298做步進電機的驅(qū)動電路，雖然也能實現(xiàn)本課程設(shè)計的個中功能，但價格昂貴并且操作和功能的實現(xiàn)上很繁瑣，走了很多的彎路，但通過查找資料，發(fā)現(xiàn)用ULN2003芯片做驅(qū)動芯片即簡單功能也很容易實現(xiàn)，并且價格比較便宜，符合高性價比的目的，最終用ULN2003驅(qū)動芯片代替L297和L298做步進電機的驅(qū)動芯片，逐一攻破了問題，感覺學到了很多的東西和知識。3.1.

17、3 步進電機的選擇 剛開始用的是四線二相步進電機雖功能上也能實現(xiàn)本課程設(shè)計的要求，但不宜買到，元件店里賣的常用到的五線和六線步進電機，并且五線電機易于借到，考慮到節(jié)省資金的目的，所以改用五線步進電機。3.2 protel原理圖和pcb的印制先前通過Keil uVision3軟件的編程和proteus軟件的仿真，調(diào)試和改進，反復驗證電路可行性，然后開始轉(zhuǎn)用protel軟件進行原理圖和pcb的印制，開始以為此過程會很簡單，但卻花了很長時間。下載并安裝protel99se軟件，導入元器件庫跟封裝庫，在庫里找到電路圖上所需要的各個元器件，放入原理圖中，連接好電路，給元器件編號，標上標稱值。但是，首先有

18、很多元器件沒有封裝，自己為此畫了很多元件的封裝圖和原理圖，其次發(fā)現(xiàn)封裝庫有很多的錯誤，為此花了很長時間來檢查各管腳的標號與原理圖的對應(yīng)情況，最后，布線布了很多天，剛開始自動布線但發(fā)現(xiàn)有很多錯誤隱含在其中，棄之改為手動布線，但發(fā)現(xiàn)需要很多跳線需要做，為此重新布線擺元件，但總是需要跳很多的線，為此問了很多同學和老師，要不就雙層，否則必須跳線，通過同學介紹，發(fā)現(xiàn)有元器件店有賣0歐電阻，為此并不影響電路的美觀。所以我選擇了用0歐電阻跳線完成pcb的印制。通過此次做板，對protel的應(yīng)用有了更深的認識，對其用起來也更加得心硬應(yīng)手和熟練。圖1.7 protel原理圖圖1.8 pcb電路圖3.3 電路板的

19、制作 把PCB拿到打印店去打印出來，然后到科協(xié)實驗室去制作電路板。首先用砂紙把銅板磨至光滑，然后加熱電熨斗，當電熨斗達到合適的溫度以后就可以把PCB熨到銅板上，此步要掌握好壓電熨斗的力度，一開始先把電熨斗壓在板子上不動，然后才慢慢移動電熨斗，使板子各個部分受熱均勻，熨好板以后腐蝕，把濃鹽酸跟雙氧水倒到盆里，加入一點水稀釋，把熨好的板子放入腐蝕液中，翻動一下板子可以加快腐蝕速度，注意不要讓腐蝕液濺到眼睛里去，腐蝕好以后用清水沖洗一下板子，擦干，接著打孔，最好再涂上一層助焊的松香水。選用合適的鉆針，打孔的時候要很細心，慢慢打，鉆針要選得合適，太大的鉆針會造成焊盤脫落，打好孔以后就可以安裝元件啦，安

20、裝前先測量一下各元件的值是不是跟標稱值吻合，不吻合要更換。參照PCB把元件插上，特別要注意二極管跟極性電容的正負，所有元件都插上以后用焊錫跟焊筆把元件焊好，剪掉過長的管腳，至此電路板初步完成了。3.4 故障分析及調(diào)試剛開始的時候電路的步進電機并不工作，液晶也不顯示運行速度和運行狀態(tài)，然后，我對照這電路圖進行故障分析和調(diào)試，首先我先用萬用表導通端檢查電路焊接的是否通路，這是電路板成功與否的關(guān)鍵一步，防止有斷路的情況發(fā)生，在進一步檢查是否有虛焊的情況發(fā)生，結(jié)果有一條斷路，畫PCB的時候線太細了，印板腐蝕給劃斷了，我馬上用錫接好后，再一次檢測電路，結(jié)果全部導通了。接下來用萬用表檢測一下單片機的引腳電

21、壓，檢測是否到達了工作的電壓，達到了工作電壓在進行下一步的排查。開始對液晶進行分析不顯示的原因，通過查閱單片機等資料發(fā)現(xiàn)LCD1602液晶的15管腳BLA和16管腳BLK分別是背光電源的正負極，要接電源VCC和地GND才可以顯示，但proteus軟件的仿真電路卻可以不接，從這里我知道了仿真和實際電路還是有很大的區(qū)別，這個太大意了，我用跳線的方式將這兩極接好后，用萬用表檢測了一下，導通后，接上電源和地后發(fā)現(xiàn)液晶顯示屏亮了并且開始顯示編程時設(shè)置的初始運行速度和運行狀態(tài)，從這里我學到了故障分析和調(diào)試要一步一步來檢查來排除。 再開始檢測步進電機不轉(zhuǎn)的故障，首先查閱了五線步進電機的原理圖和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)并不是所有的五線步進電機的AABB和VCC五條線都是成一對的順序排列了，通過萬用電表檢測出這個五線步進電機的VCC再第二跳線其他的沒有錯，所以將VCC導線分開接到連接電源的插口上，再將電路板接通電源和地后，步進電機開始按初始設(shè)定的速度運行，不過運行速度有些快，所以在調(diào)程序，將初始運行速度改成合適的轉(zhuǎn)速值，至此，電路的故障和問題都檢測完畢。4 心得體會經(jīng)過前后接近一個月的研究學習和制版，終于完成了課程設(shè)計。從課題的選擇、方案的論證、電路的