1、四川理工学院毕业设计（论文基于单片机的步进电机控制系统 设计与制作学 生：刘瑞刚学 号：11011030111专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机电 2011.1指导教师：赵献丹四川理工学院机械工程学院二 O 一五年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：基于单片机的步进电机控制系统设计与制作学院：机械工程 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机电 2011.1 学号： 11011030111 学生： 刘瑞刚 指导教师：赵献丹 接受任务时间： 2015.3.3 系主任 （签名） 院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1）设计内容：步进电机驱动及控制电
2、路设计、焊接，编制控制程序，整机调试，电路图一张，设计说明书一份（40 页以上）。2）设计要求：1）、实现步进电机的正反转及调速控制。2）、采用 Protues 绘制电路图。2指定查阅的主要参考文献及说明（1）51 系列单片机相关书籍（2）电子技术相关书籍（3）电路板焊接相关书籍（4）其他相关参考资料3进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅相关参考资料，完成开题报告 2015.3.32015.3.152 控制电路设计、焊接 2015.3.162015.4.153 编写程序，整机调试 2015.4.162015.5.154 编写设计说明书 2015.5.162015.6.15 毕
3、业设计（论文）的修改、答辩的准备 2015.6.22015.6.21摘 要步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移执行机构。步进电机驱动器每接收一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定角度。因此可以通过输出的脉冲频率来控制步进电机的速度。改变脉冲的输入顺序就可以改变步进电机的转动的方向。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的 微型计算机系统。单片机具有高集成度，体积小，高可靠性，控制功能强，低功耗
4、等特点。本次设计控制系统包括硬件和软件两部分。其中硬件包括步进电机的控制模块，步进电机驱动模块，LED 显示模块。软件采用了 keil uvision4 编程工具和 Protues 画图工具。本次设计是以 51 系列单片机 STC89C52 为核心来设计步进电机控制模块，以 L297 与 L298 为核心设计步进电机的驱动模块。按键作为一个外部中断源设置了步进电机启动、停止、正反转、加速、减速功能。关键词：步进电机；单片机；L297；L298IABSTRACTStepper motor is actuators that turns electrical pulse signal into a
5、ngular displacement or linear displacement. When the stepper driver receives a pulse signal, it will drive a stepper motor to set the direction of rotation of a fixed angle. So we can output pulse frequency to control the speed of the stepper motor. We can change the direction of the rotation of the
6、 stepper motor when it changes the input sequence of the pulse.MCU is a kind of integrated circuit chips, that is to use very large scale integrated circuit technology with data processing ability of the central processor CPU, RAM, RAM, read-only memory ROM, a variety of I/O mouth and interrupt syst
7、em, timer/counter function integration to a piece of silicon consisting of a small and perfect microcomputer system. MCU has high integration, small size, high reliability, strong control function, low power consumption, etc.The control system includes two parts of hardware and software in this desi
8、gn. It consists of stepper motor control module, stepper motor driver module, LED display module in hardware. Software uses the keil uvision4 programming tools and Protues drawing tools. This design is based on 51 series microcontroller STC89C52 to design the stepper motor control module as the core
9、, with L297 and L298 as core design of stepper motor driver module. Button sets the stepper motor start, stop, forward, inversion, acceleration and deceleration function that as an external interrupt source.Keywords: stepper motor; MCU ; L297; L298II目录第 1 章 绪论 .1第 2 章 控制模块设计及硬件选择 .32.1 系统总体设计 .32.2
10、.1 步进电机的分类 .32.2.2 步进电机的特点 .42.2.3 步进电机原理及控制 .52.2.4 步进电机细分驱动原理 .62.3 单片机控制电路 .102.3.1 STC89C52RC 引脚功能说明 .112.3.2 晶振 .142.3.3 复位电路 .152.3.4 单片机最小系统 .162.3.5 数码管 .16第 3 章 驱动模块设计及硬件选择 .213.1 L297 工作原理介绍 .213.1.1 L297 各引脚功能说明 .233.1.2 L297 驱动相序的产生 .243.2 L298 的工作原理 .253.3 光电隔离器 .313.5 驱动模块的总体设计 .333.6
11、L297 与 L298 操作说明 .363.6.1 板子跳线器说明 .363.6.2 按键说明 .363.6.3 基本功能描述 .363.6.4 接口说明 .373.6.5 电机接线 .37第 4 章 系统调试 .39第 5 章 结论 .41致谢 .44III附录 A：参考程序 .45第一章 绪论0第 1 章 绪论国家的发展在很大的程度上依赖于先进的制造业，一个国家的制造业水平的在一定的程度上可以体现国家的实力，所以大多数国家都非常重视大力发展制造业。第二次世界大战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术都有了迅速的发展，并且在制造业中得到了越来越多的应用，先后出现了数控（NC）、计算
12、机数控（CNC）和柔性制造系统（FMS），计算机辅助设计与制造（ CAD/CAM）、计算机集成制造系统（ CIMS）等多项制造技术与制造模式，推动着世界制造业进入一个崭新的阶段。而在这些技术环节中具有很多优点的步进电机就是一个重要角色，比如在数控技术中就得到了广泛的应用。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电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内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 6。正是由于步进电机具有突出
13、的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛的应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日剧增，在各个国民经济领域都有应用。比如在数控系统中也取得了很大的发展。虽然与发达国家相比我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但在我国占用非常重要的地位，并起了很大的作用。我们国家的数控系统在初期就是以单片机为数控核心，以步进电机为执行元件。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度的闭环数控系列从而达到很高的加工精度。除了在数控系统得到广泛的应用近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发
14、生的革命性的变革。优点明显的步进电机被广泛的应用在电子计算机的许多外围设备中。为了的到良好的控制性能对步进电机的控制研究就一直没有停止过许多重大的技术得以实现。上世纪 80 年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而四川理工学院毕业设计（论文）1且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化
15、的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现了步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环形分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方案之外。但在一些不需要高精度的控制，而只是满足一般的工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：1.系统硬件结构简单，成本低;2.系统的功能较为齐全;3.系统适应性强；4.系统的抗干扰性强，可靠性高；本次论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都是用硬件实现，虽然电路可以做到高集成度，可价格较贵功能也相对单一，并且一旦设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路。采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运
16、用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需要改变控制要求，一般只需要改变软件就能适应新的环境，并且在本次设计中利用数码管动态扫描技术，把显示电路和按键电路有机的结合起来，而且为了抗干扰，提高可靠性，加入了光耦。第二章 控制模块设计及硬件选择2第 2 章 控制模块设计及硬件选择2.1 系统总体设计 本论文所选的步进电机是两相四线步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机。控制步进电机，实现了软件与硬件的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱
17、动线路。由于单片机的强大功能还可以设计大量外围电路，按键作为一个外部中断源设置了步进电机启动、停止、正反转、加速、减速等功能。环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。本方案有以下优点：1.单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响。2.用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用一种电路实现了两相步进电机的控制的驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性。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
18、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。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 1。2.2 .1 步进电机的分类 步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和
19、多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。 (1)反应式步进电机 (Variable Reluctance，简称 VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型； 四川理工学院毕业设计（论文）3(2)永磁式步进电机 (Permanent Magnet，简称 PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电； (3)
20、混合式步进电机 (Hybrid，简称 HB)混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种步进电机在工业领域中得到广泛应用 1。由于本设计的设计目的更注重整个系统的
21、有机结合，所以采用混合式步进电机。2.2.2 步进电机的特点 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。 步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。 2.2.3 步进电机原理及控制 由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备- 步进电机控制驱动器，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按
