1、 本科毕业设计（论文）题 目：步进电机的远程实时控制系统设计学 院： 机械电子工程学院 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 二 O 一 二 年 五 月 二 十 日南京林业大学本科毕业设计（论文）摘 要以步进电机为控制对象，完成一套基于485总线步进电机转速远程实时控制系统。该系统以上位机（PC机）和下位机（单片机控制系统）组成。通过Visual Basic 的串行通信控件MSComm和RS485总线完成两者之间的通信。 上位机发出控制指令，通过串行口通信，由下位机完成两台步进电机的速度与方向控制，并实现步进电机速度的实时显示。上位机要发出正转、反转、加速、减速及检测速度等指令
2、。因为是远距离的通讯，指令的传输要通过485总线，而数据的发送和接收则要依靠Visual Basic的通信控件。 通过通信接口，用户可以利用计算机与下位机进行联机，而从仪器上取得数据或设置，直接控制仪器的操作，而计算机又在数据处理上又是单片机本身所不能及的，所以研究此系统是必要的，实时运行的结果表明该系统的实用性和可靠性。关键词 ：单片机；步进电机；串行通信 南京林业大学本科毕业设计（论文）ABSTRACTThe integral design of a set of speed remote real-time control system is designed , which uses
3、stepper motors as the controlled object . The system is composed of personal computer and single chip microcomputer , which realizes communication with the Visual Basic serial communication controls and RS485 bus. The personal computer sends out the control commands and shows the real time velocity
4、graph , and the single chip microcomputer controls the speed and direction of two stepper motors through serial communication. The personal computer sends control command such as forward ,backward, accelerate, decelerate the speed and direction detection. Because it is in long-distance communication
5、s, direct transmission through 485 bus, and the display image data and data transmission and reception will have to rely on Visual Basic drawing, Communication Control. Equipment provided by the communication interface, the user equipment can be used with computer equipment on-line, from the device
6、access to data, or set up, even the direct control of equipment operation, in the computer data processing equipment is not their own and, the study of this system is necessary. The experimental results show the practicability and reliability of the system.Key words : single chip microcomputer ; ste
7、pper motor ; serial communication南京林业大学本科毕业设计（论文）目 录摘 要 .ABSTRACT.1. 绪论 .11.1 课题背景及目的 .11.2 国内外同类研究状况 .11.3 课题研究的主要内容 .22. 系统方案设计 .32.1 功能技术指标分析 .32.2 步进电机的正、反转与加、减速控制方案 .32.3 步进电动机速度检测的方案 .42.4 步进电机速度实时显示方案 .42.5 本章小结 .43. 硬件设计 .53.1 串行通信的硬件介绍 .53.1.1 MAX485 芯片介绍 .53.1.2 RS-485 标准的优点 .73.2 单片机与 PC
8、机串行通信系统构成 .83.3 步进电机的介绍 .93.3.1 步进电机的基本特点 .103.3.2 步进电机的工作原理 .113.3.3 步进电机的单片机控制原理 .123.4 本章小结 .144. 软件设计 .154.1 开发环境、工具介绍 .154.1.1 Visual Basic 6.0 .154.1.2 Visual Basic 的编程特点 .154.2 VB 控件的介绍 .174.3 窗体设计 .194.4 功能设计 .214.4.1 VB 程序流程图 .214.4.2 通信协议模块 .224.4.3 初始化模块 .224.4.4 控制代码发送模块 .224.4.5 速度调节模块
9、.244.4.6 附加功能模块 .244.5 基于 VB 实现开关量的控制 .264.6 软件抗干扰措施 .264.6.1 指令冗余及软件陷阱 .264.6.2 数字滤波 .274.6.3 RS-485 串行通信抗干扰 .284.7 本章小结 .315. Proteus 软件仿真 .32南京林业大学本科毕业设计（论文）5.1 Proteus 软件介绍 .325.1.1 Proteus 仿真软件组成 .325.1.2 Proteus 的工作过程 .335.1.3 Proteus 软件所提供的调试手段 .335.2 基于 Proteus 对本系统的仿真 .345.3 本章小结 .376. 结论 .
10、38致 谢 .39参考文献 .40南京林业大学本科毕业设计（论文）01. 绪论1.1 课题背景及目的随着生活水平的提高，人们对于环境的要求越来越高，自动化是未来的趋势。不管是工厂自动化、生产线自动化、测试自动化等，我们会用到很多的仪器和设备，其中就包括步进电机，已经广泛应用于各个领域，而具有远程控制的步进电机比例更是高，例如应用于卫星、雷达等领域的，航天“星星指向跟踪控制系统”中的运动控制部分，基于稀土永磁步进电机的双自由度(俯仰、方位)位置伺服系统，它是用计算机控制2台步进电机，每台步进电机代表天线运动的一个自由度，使天线指向任意给定位置，指向位置由旋转变压器测量。掌握步进电机的转速和方向控
11、制原理，在上位机PC机发出信号后，经过串行通信控件总线传送至单片机控制系统，从而对步进电机的转速和方向检测，并根据上位机发出的信号实行相应的指令以实现对步进电机的转速和方向的控制；同时，反馈信息，在PC机上得以显示，从而达到对步进电机的实时控制。1.2 国内外同类研究状况在工业自动控制、智能仪器仪表中，单片机的应用越来越广范。随着应用范围的扩大以及根据解决问题的需要，对某些数据要做较复杂的处理。由于单片机的运算功能较差，对数据进行较复杂的处理时，往往需要借助计算机系统。因此，单片机与 PC 机进行远程通信成为现在的主流。目前对步进电机远程实时控制主要是经过串行通信控件 RS-485 总线传送至
12、单片机控制系统，从而对步进电机的转速和方向检测，并根据上位机发出的信号实行相应的指令以实现对步进电机的转速和方向的控制；同时，反馈信息，在 PC 机上得以显示，从而达到对步进电机的实时控制。许多高校、业内人员也对步进电机远程实时控制系统进行了研究，取得了很大的进展，串行通信控件和单片机的应用使电机控制技术发生了根本的变化。如阴晓峰等，提出了以 TCU 下位机、便携式电脑为上位机、二者通过串行通信总线来实现车载信息在线监测的总体方案基于串行通信的车载信息在线监测系统 1。步进电机的远程实时控制系统已国产化,我国南京林业大学本科毕业设计（论文）1许多科研生产单位都已投入到开发生产的行列。多用于卫星
13、、雷达等，如航天“星星指向跟踪控制系统”中的运动控制部分，基于稀土永磁步进电机的双自由度(俯仰、方位) 位置伺服系统，使用计算机控制 2 台步进电机，每台步进电机代表天线运动的一个自由度，使天线指向任意给定位置，指向位置由旋转变压器测量 2。1.3 课题研究的主要内容掌握步进电机的转速和方向控制原理，在上位机PC机发出信号后，经过串行通信控件RS-485总线传送至AT89C51单片机控制系统，从而对步进电机的转速和方向检测，并根据上位机发出的信号实行相应的指令以实现对步进电机的转速和方向的控制；同时，反馈信息，在PC机上得以显示，从而达到对步进电机的实时控制。南京林业大学本科毕业设计（论文）2
14、2. 系统方案设计2.1 功能技术指标分析本文设计的控制系统是一种小型的集散型控制系统,上位机为微型计算机( PC 机) ,下位机为单片机控制系统。所要求实现功能如下:1) 单片机系统能够实现与PC 机的通信。2) 单片机系统能够驱动步进电机正、反转,加、减速,并完成电机转速检测。3) 上位机软件能够接收单片机传送的数据并进行数据处理,实时显示步进电机的速度状况。根据功能要求,初步分析该系统由以下几个模块组成:单片机最小系统模块、步进电机驱动电路模块、电机转速检测电路模块及通信电路模块。 系统结构框图如图1 所示:步进电机步进电机驱动器AT89C51单片机RS-485 PC 机传感器 调节电路
15、复位南京林业大学本科毕业设计（论文）3图2.1 系统的总体框图2.2 步进电机的正、反转与加、减速控制方案对于上位机所发送的步进电机控制指令,单片机采用查询方式,考虑到52 型单片机只有三个定时器,波特率发生器占用一个定时器(T2) ,步进电机转速的检测占用两个定时器,一个用于定时(T1) ,一个用于转速脉冲计数(T0) ,因此步进电机的步进脉冲采用延时方式传送;同时在上位机的控制程序中增加一个slider 控件,通过此控件控制下位机所调用的延时程序的循环次数,从而实现步进电机速度的控制。2.3 步进电动机速度检测的方案步进电机也称为数字/ 角度转换器,其转速可采用软件测速也可以采用硬件测速。
16、考虑在实际工业应用中,步进电动机在带负载运行时,采用软件测速误差较大,因此步进电动机的速度检测采用硬件测速。利用槽型光电开关和栅格编码盘来实现速度检测. 当步进电机带动栅格圆盘旋转时,测速光电开关获得一系列脉冲信号,这些脉冲信号通过单片机定时/ 计数器T0 计数,定时器T1 定时,这样就可以测得在一定时间内的脉冲数,通过单位转换就可以换算出转速。南京林业大学本科毕业设计（论文）42.4 步进电机速度实时显示方案考虑到单片机与PC 机的优、缺点,如单片机控制电机运转、步进电机的转速采集时很方便,但处理数据及实时显示时较困难,而PC 机正好与之互补,因此由单片机实现步进电机的速度与方向控制及转速的
17、采集,由PC 机接收单片机采集的数据完成数据处理及速度图的描绘。2.5 本章小结上面是对整个步进电机转速远程实时控制系统的方案设计，并根据设计的系统的总体框图，具体给出了各个模块的设计方案。3. 硬件设计3.1 串行通信的硬件介绍随着数据采集系统的广泛应用, 通常由单片机构成的应用系统, 如仪器仪表、智能设备等, 都需要PC 机之间交换数据, 实现与PC机之间的通讯功能,以充分发挥PC和单片机之间的功能互补, 资源共享的优势。以往常用的RS- 232协议在很大程度上已不能满足设计的要求, 如传输速率慢 ，传输距离短, 传输信号易受外界的干扰等缺点。而RS-485解决了这些问题，所以此次毕业设计串行通信的硬件就用到了RS485接口芯片。3.1.1 MAX485 芯片介绍MAX485是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器。MAX485的驱动器摆率
