【基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計6600字（論文）】

第1章緒論1.1步進電機的發(fā)展歷程及應用步進電機作為一種執(zhí)行元件，是工業(yè)時代進步發(fā)展的產(chǎn)物，被大量應用于現(xiàn)在的生產(chǎn)生活中，小到家用電器，大到工廠設備、航天科技等領域。隨著計算機科技的飛速發(fā)展，對于步進電機的需求也呈幾何指數(shù)增長。步進電機最早是在上世紀初由英國人開發(fā)，它是一種依靠電磁氣隙變化來產(chǎn)生磁矩的磁鐵裝置。由于西方資本主義對造船業(yè)的競爭，致使電機的集約化迅速發(fā)展。到目前為止，在全世界范圍內當屬日本生產(chǎn)的步進電機性價比最高，也是步進電機最大的生產(chǎn)—制造—出口國之一REF_Ref2429\r\h[1]。步進電機被廣泛應用在日常生活中，最常見應用于數(shù)控車床和機器人，可以直接將數(shù)字脈沖信號轉換成角位移或線位移REF_Ref9597\r\h[2]。輸出轉矩較小是早期步進電機的不足之處，不夠滿足工業(yè)生產(chǎn)標準。隨著工業(yè)的發(fā)展，先進的步進電機技術不斷更新，已成為控制系統(tǒng)中不可替代的單一驅動力REF_Ref2478\r\h[3]。除了在數(shù)控機床的應用，在其他領域內也有涉及，例如打印機、繪圖儀，自動化生產(chǎn)線的傳動馬達等等。1.2電機控制方式的發(fā)展歷程20世紀80年代末，隨著多功能低成本微型計算機REF_Ref2520\r\h[3]的問世，步進電機的控制方式發(fā)生了質的變化。早期電機的控制方式較為繁瑣、復雜，需要大量的電氣元件搭建，而且設計出的控制系統(tǒng)具有唯一性，即一套控制系統(tǒng)只能有一種或兩種的控制方式。更不利的是后期調試過程中，容易造成大量電氣元件的損壞，增加設計成本。另一方面，后期要想滿足其他的控制要求就需要改變原有的控制電路，重新設計控制系統(tǒng)，然后再次進行大量的調試，最終得到滿足控制要求的系統(tǒng)。隨著計算機計算能力的不斷提升，對于實現(xiàn)自動化或半自動化控制系統(tǒng)有了巨大的革新變化。利用軟件編程就可以實現(xiàn)多種控制步進電機的控制方式，后期可根據(jù)控制要求來更改計算機的編程，利用電腦進行仿真模擬、運行調試從而實現(xiàn)控制需求。這不僅提高了設計師的工作效率，而且節(jié)約了相當大的成本。1.3課題主要研究內容在本研究設計中使用四相步進電機。通過電源模塊給予系統(tǒng)動能，利用紅外裝置遠距離遙控，使得微處理器接收到控制信號，再通過內部編程處理產(chǎn)生電信號，控制驅動電路產(chǎn)生控制電機的驅動信號，以達到精準控制電機。本研究設計內容如下：設置五個獨立按鈕控制電路，使步進電機實現(xiàn)相應功能為復位、正轉、反轉、加減速。設置單片機連接五個發(fā)光二極管，顯示當前實現(xiàn)的功能（便于識別程序運行狀態(tài)）。（3）數(shù)碼管指示電機的運行狀態(tài)（正反轉及轉速檔位）。（4）安裝紅外一體式遙控裝置可以在不接觸的情況下實現(xiàn)上述功能。另通過編程實現(xiàn)對步進電機的旋轉圈數(shù)的遠程遙控。第2章控制系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)框架的制定本研究設計采用單片機作為核心硬件，通過軟硬件協(xié)調獲得步進電機的正反轉、復位、以及加減速度控制，再通過5個發(fā)光二極管按鍵顯示當前的電機運行狀態(tài)，使用一體式紅外遙控裝置作為遠端控制。通過程序編程實現(xiàn)上述功能的同時還可以精確控制電機的旋轉圈數(shù)以及正轉直接到反轉的切換，該設計的總體框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體設計框圖2.2主控核心芯片的選擇單片機自20世紀70年代問世以來，已被廣泛的應用于航空航天、伺服控制系統(tǒng)、智能家居、機電一體化設備、自動化流水線、智能精密儀表等各個方面REF_Ref2572\r\h[4]。從系統(tǒng)的硬件結構來考慮，需要按裝便攜，拆卸更換方便，并且體積不易過大，因此，直插式封裝形式最為理想，不僅可以和插座分離，也方便程序燒錄以及后期檢修保養(yǎng)。從設計成本考慮，經(jīng)濟適宜，耐受性好。從工作可靠性的方面來考慮，使用的芯片要適宜一定的特殊工作環(huán)境，通常要具備良好的化工污染防范和高溫高壓承受能力。自身的功耗要低且在一定的電磁干擾環(huán)境中具備良好的抗干擾能力。根據(jù)其適用的工作溫度范圍，常見的單片機芯片可分為普通型、工用型、軍用型。出于實用性以及抗干擾性等方面，本研究設計選用入門級的普通型單片機芯片即可。根據(jù)上述不同方面的分析，本次設計的控制系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為核心控制器，并且考慮了成本和軟件編程的難易程度。2.3外部執(zhí)行機構的選擇步進電機作為一款理想的開環(huán)控制元件，可以將數(shù)字信號直接轉換成角位移或是線位移REF_Ref4065\r\h[5]。系統(tǒng)負載在額定范圍內變化時，電機的轉速僅受控于脈沖信號。這是一種良好的線性關系，況且步進電機只有周期性誤差，沒有累計誤差的顯著特點，在對速度、位置等因素要求嚴格的控制系統(tǒng)內很容易通過控制電機實現(xiàn)。該設計的控制系統(tǒng)基本電壓設定為5V，選用的是四相五線減速步進電機28BYJ-48作為受控對象REF_Ref5261\r\h[6]。這是一種四相八拍的步進電機，額定運行工作電壓為5V~12V，步進電機連續(xù)工作的前提是連續(xù)的脈沖信號。電機每接收到一次或一段脈沖信號時都改變一次的一個或兩個及以上的運動狀態(tài)。內部繞組通電后，電機轉子按固有的機械特性旋轉，循環(huán)一周后完成一個齒距REF_Ref5551\r\h[7]。2.4驅動器的選擇優(yōu)質的控制系統(tǒng)，通常都有一個“大腦核心”，而驅動就相當于“心臟”。強有力的驅動裝置，可以給系統(tǒng)提供穩(wěn)定、精準的脈沖信號。考慮到控制系統(tǒng)精度需求，使用ULN2003REF_Ref3353\r\h作為“心臟”，為步進電機提供所需的電脈沖信號。選用直插式芯片有利于后期實物的焊接。

第3章硬件電路設計3.1硬件電路構成 構成系統(tǒng)硬件的電路為1個52單片機作為系統(tǒng)的核心控制器，1個5V-DC四相八拍的步進電機作為系統(tǒng)輸出，1個以ULN2003為核心的驅動電路，5個發(fā)光二極管作為電源指示燈，5個獨立按鍵控制系統(tǒng)輸入，1組數(shù)碼管顯示當前電機的運行狀態(tài)（正反轉），同時顯示電機的速度檔位。3.2步進電機系統(tǒng)模塊步進電機系統(tǒng)構成有多種形式，一般可分為邏輯控制電路系統(tǒng)和軟件控制電路系統(tǒng)。本設計利用微處理器進行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，即步進電機。一般來說，步進電動機的總轉角與輸入脈沖電流數(shù)成正比REF_Ref11041\r\h[8]。當累計輸入足夠的脈沖電流信號時，電動機的轉速和脈沖電流工作頻率保持穩(wěn)定嚴格的對應關系，不受工作電壓振蕩和負載的影響。由于步進電機能直接執(zhí)行數(shù)字輸入，尤其適用于單片機系統(tǒng)控制。3.2.1步進電機的分類在實踐應用中運用最多的步進電機是永磁式步進電機（PM）和混合式步進電機（HB）REF_Ref11325\r\h[9]REF_Ref3733\r\h。本研究設計選用的是28BYJ-48四相八拍步進電機，這是一款永磁式的，其額定電壓為DC5V-12V，減速比為1:64REF_Ref11518\r\h[10]。每接受到4096個電脈沖信號，外部的軸體正好轉動一周。3.2.2工作原理使用四相八拍的電動機，其運作機制是利用專用的驅動電源在四個繞組上按設定的順序依次施加脈沖信號電壓。本次設計中的步進電機的脈沖相序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。3.3AT89S52單片機系統(tǒng) 本研究設計的控制系統(tǒng)是以AT89S52單片機為核心處理器建立。該系統(tǒng)簡單，編程燒錄便攜。AT89S52的DIP封裝如圖2所示。圖2DIP封裝引腳圖3.4鍵盤控制模塊 鍵盤在應用單片系統(tǒng)中可作為輸入數(shù)據(jù)和傳送指令的另一種方式，他的基本組成單元是按鍵。每個獨立按鍵單獨使用，利用機械觸點連通和關斷控制電路。本次設計按鍵狀態(tài)采用高低電平來辨識，高電平為按鍵斷開狀態(tài)，低電平為按鍵閉合狀態(tài)。為了保證微控制器在按鍵時只判定一次按鍵動作，必須消除抖動電壓的不良影響。一般而言，消除抖動有兩種方式：軟件系統(tǒng)和硬件資源REF_Ref13114\r\h[11]。因為硬件消除抖動電路太過復雜，故不在此使用。現(xiàn)階段利用軟件系統(tǒng)來消除抖動。軟件系統(tǒng)去抖動的基本原理是利用時間延遲來消除抖動的不良影響。如圖3所示，四個獨立按鍵按順序聯(lián)接構成鍵盤控制電路。圖3鍵盤控制模塊原理圖3.5數(shù)碼管顯示模塊一般來講，按組數(shù)分有1位、2位和4位的LED數(shù)碼管REF_Ref13327\r\h[12]，常用聯(lián)接方法有兩種：共陰極和共陽極。共陰極聯(lián)接就是用導線將數(shù)碼管的負極串聯(lián)起來，形成共陰極的com端。當其正極是高電平時，數(shù)碼管導通發(fā)光；反之。正極是低電平時，數(shù)碼管不導通發(fā)光。同理，共陽極數(shù)碼管是將正極端串聯(lián)，負極是低電平時，數(shù)碼管導通發(fā)光。如圖4所示，本研究設計的數(shù)碼管選用共陽極聯(lián)接，以晶體管開關特性為驅動。圖4數(shù)碼管顯示模塊原理圖3.6驅動電源模塊本設計的驅動電路，采用ULN2003芯片REF_Ref13539\r\h[13]為步進電機提供脈沖信號?，F(xiàn)今不管是工業(yè)生產(chǎn)還是家用電器內部都含有微處理器來集中控制，但控制器不能直接控制設備輸出，一般采用適合的驅動模塊作為中介，上端受微處理器控制，下端控制輸出設備進行工作。ULN2系列產(chǎn)品是由可流過大電流，承受大電壓的達林頓管陣列REF_Ref13728\r\h[14]，是一種可控型大功率器件，因其功能強大而得到廣泛應用。其管腳圖如下圖5所示。圖5ULN2003管腳圖3.7紅外遙控模塊紅外遙控模塊其基本組成比較簡單，一般為紅外信號發(fā)射器和紅外接收器兩部份組成。紅外遙控的最大距離為15m，接受載波的頻率為38KHz。紅外信號發(fā)射器直接使用一體式紅外遙控器，其集成度現(xiàn)已十分完善，且體積小、容易方便攜帶；可以直接使用按鍵發(fā)射控制信號。紅外信號接收器這里選用的是HX1838。一方面，考慮到器件成熟度：這是一款使用較多的紅外接收裝置，內部集成化程度高，由紅外二極管，信號增益電路、濾波器和解調器等組成REF_Ref117\r\h[15]REF_Ref117\r\h。另一方面，考慮到實際可能會在特殊環(huán)境工作，其硬件特性符合設計目的。簡單介紹一下紅外接收器的使用方法。如圖6所示，三根引腳，兩根輸入輸出，一根使能端。輸入輸出端分別連接電路的V和GND，使能端聯(lián)接單片機的外部中斷P3.2（EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(————),INT0)）口即可。微處理器接受到脈沖信號后，信號下降沿激活內部中斷0開始解碼，接著內部中斷0控制步進電機的動作REF_Ref13960\r\h[16]。圖6紅外遙控模塊原理圖

第4章控制系統(tǒng)軟件分析與設計 控制系統(tǒng)軟件部分主要完成遠程紅外信號的接收、解碼、處理、生成控制電機的驅動信號控制步進電機動作、使得數(shù)碼管指示當前運動狀態(tài)以及通過讀取按鍵信息控制電機來達到任務要求。因此，合理實現(xiàn)這些功能就需要單片機內部中斷和軟件編程相結合。在本研究設計編程中，程序采取循環(huán)掃描的模式檢測程序運行狀態(tài)。當按鍵動作產(chǎn)生時，程序應立即根據(jù)按鍵定義的參數(shù)進行賦值，達到控制系統(tǒng)要求，實現(xiàn)設計目的。4.1主程序流程圖 如圖7所示，該設計的控制系統(tǒng)是由初始化、控制信號類型、判斷信號、處理信號幾部分組成。圖7控制系統(tǒng)主程序流程圖4.2紅外信號子程序流程圖 如圖8所示，紅外信號子程序采用循環(huán)掃描的方式，每當有按鍵按下時，微處理器接收紅外信號并做相應處理與設定值進行對照完成相應狀態(tài)變化。圖8紅外信號子程序流程圖4.3按鍵信號子程序流程圖 如圖9所示，先初始化變量，接著循環(huán)檢測程序，當按鍵按下后觸發(fā)中斷子程序運行，然后進行相應的操作，軟件延時消除抖動電壓?？刂贫〞r器T0運行，由于電機只受脈沖控制，而T0實現(xiàn)脈沖的輸出，所以T0中斷后，電機立即停止運動。圖9按鍵信號子程序流程圖4.4控制系統(tǒng)中斷程序流程圖 電機運行速度確定中斷服務程序的動作時限。中斷程序輸入后，要鎖存當前值，依照當前鎖存參數(shù)設定上限TH0和下限TL0。判斷當前值，然后執(zhí)行操作，最后退出返回主程序。定時器中斷0服務程序流程，如圖10所示。

圖10定時器中斷0服務程序流程圖第5章控制系統(tǒng)的調試與改進 5.1調試與改進 整體系統(tǒng)搭建完成后，進行初步測試。檢查硬件電路是否由斷連，虛焊的地方。對于軟件部分，先進行仿真，看是否達到設計要求，如果有差異或者不理想的情況，再次進行修改，直至程序滿足設計要求為止。此次系統(tǒng)設計的主要思路為：先搭建整體的框架，將流程圖設計出來，根據(jù)流程圖，去設計合適的硬件電路。具體的細節(jié)在后期調試時通過多次實驗來確定。軟件部分，利用專用的編程軟件，來編譯所需程序。首先通過仿真，測試程序的可行性，在下載到單片機里進行具體驗證，最后完成設計。在本研究系統(tǒng)設計硬件調試中出現(xiàn)有以下主要問題：（1）在搭建系統(tǒng)框架時，確認電機的控制模式和使用方法。作為系統(tǒng)的輸出很重要，也是后期確定控制方式的主要思路。（2）電源模塊，加了兩個電容，一個47μF的電解電容和一個0.1μF的陶瓷電容，構成一個去耦濾波電路，以獲得較為穩(wěn)定的直流電。軟件部分后期仿真時也出現(xiàn)些許問題，主要有：（1）編程時有些邏輯錯誤，查閱相關資料后經(jīng)過修改，編譯時達到無語法錯誤。（2）軟件去除抖動的方式選擇及延遲時間的設置。軟件部分完成編譯后進行模擬仿真，仿真結果能達到設計的要求后，再進行實物的檢驗。5.2運行結果 將仿真無誤，沒有語法錯誤的程序下載燒入單片機內，開始進行測試。剛開始按下正轉按鍵電機沒有動作，假定是硬件電路出現(xiàn)虛焊或者部分斷路，關閉電源開關用萬用表檢測，沒有發(fā)現(xiàn)故障點。又查閱資料后發(fā)現(xiàn)電機的相序連接有誤，經(jīng)過一系列的調整，最終確認電機的相序。連接通電后，電機正常轉動，又測試其他幾個運動狀態(tài)以及紅外遙控控制，電機也順利的實現(xiàn)設計要求。第6章總結本控制系統(tǒng)經(jīng)過前后多次修改，不管是硬件電路的搭建或是軟件的編程，終于達到滿意的設計要求。在系統(tǒng)硬件設計部分，將微處理器模塊、紅外遙控模塊、電機驅動模塊、數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤控制模塊等合理的和其他電氣元件進行組合連接，搭建出適合軟件運行的硬件平臺。在系統(tǒng)軟件設計部分，利用程序設計系統(tǒng)軟件完成了步進電機的控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，程序開機上電復位后自動運行。利用按鍵控制功能模塊的外部硬件電路系統(tǒng)，可以更改控制系統(tǒng)的主要參數(shù)，控制步進電機的起動和停止，轉速和旋轉方向；利用微處理器中的定時器T0，按照系統(tǒng)主要參數(shù)實時控制步進電機的旋轉；數(shù)碼管動態(tài)顯示。總體來說這次設計基本能達到預期的設計要求，能夠實現(xiàn)對步進電機的手動和遠端遙控控制。不管是設計經(jīng)驗還是對設計全局的統(tǒng)籌規(guī)劃都存在明顯的不足，所設計的控制系統(tǒng)還有許多不理想的地方，如利用紅外動態(tài)設置轉速的上限和下限等。從理論到實踐這一過程，不管是硬件電路平臺的搭建亦或是軟件控制的編程，從系統(tǒng)框架、確認硬件電路、分析計算、原理圖的繪制、實物焊接以及后期的檢查調試等等，直到最后完成控制系統(tǒng)的設計。科技一直在不斷革新，相應的控制系統(tǒng)也在逐步得到優(yōu)化和完善，將會使生產(chǎn)生活變得更加高效便利。參考文獻謝輝，唐勇．步進電機發(fā)展回顧與前景展望[J]．重慶三峽學院學報，2010，26(03)：110~113．田聰，蘇暢．基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]．電子測試，2017(22)：5~6+19．范月圓，劉華勇，李玉蘭．基于單片機的步進電機控制電路設計[J]．數(shù)字技術與應用，2016(10)：19~20+22．鞏自衛(wèi)．馬鈴薯勺鏈式排種器漏播檢測與自動補償系統(tǒng)的設計[D]．甘肅農業(yè)大學，2015．22~31．楊小崗，張小青，