指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院自动控制原理课程设计报告设计题目：单位（二级学院）：自动化学院学生姓名：专业：自动化班级：学号：指导教师：设计时间：2010 年 6 月重庆邮电大学自动化学院制目录目录 (2)一、设计题目 (3)1题目内容 (3)2实现目标 (3)3设计要求 (3)4 设计安排 (3)二、设计报告正文 (3)1步进电机的概论 (4)2步进电机的驱动控制系统 (6)3系统设计思路 (10)4步进电机的控制电路 (13)三、设计总结 (15)四、参考文献 (16)一、设计题目1题目内容基于51单片机的步进电机调速设计2实现目标1)具有与PC机串口通信的功能；2)具有与数码管显示或者LED指示灯显示状态（数码管显示的速度并不代表电机实际速度，只是一个感性的认识）3设计要求1)绘制原理图，PCB;2)完成单片机所有代码编写；3)设计PC机简易显示界面；4设计安排三个人一组，为期一周，小组成员合作，共同完成设计要求。

二、设计报告正文摘要：步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或者线位移的电磁机械装置。

在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

它具有快速启停能力，在电机的负荷不超过它能提供的动态转矩时，可以通过输入脉冲来控制它在一瞬间的启动或者停止。

由于其精确性以及其良好的性能在实际当中得到了广泛的应用。

本文首先介绍了步进电机的分类、技术指标、步进电机的工作原理以及步进电机的驱动原理。

然后主要以51系列单片机AT89S52为控制核心设计了步进电机（型号42BYG016）控制系统，从系统的硬件电路以及软件的设计方面实现了通过液晶对步进电机的加速，匀速，减速以及正反转做出显示。

经过对所设系统的测试，结果表明仿真控制系统的随动性能好，抗干扰能力强，稳定性好。

【关键词】：单片机、步进电机、串口通信、液晶显示1步进电机的概论1.1工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行机构。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

步进电机多应用在需要精确定位的场合。

1.2励磁方式步进电机的励磁方式分为全步励磁和半步励磁两种。

其中全步励磁又有一相励磁和二相励磁之分；半步励磁又称为——一二相励磁。

假设每旋转一圈需要200个脉冲信号来励磁，可以算出每个励磁信号能使步进电动机前进1.8°，简要介绍如下。

1)相励磁——在每一个瞬间，步进电机只有一线圈导通。

没送一个励磁信号，步进电机旋转1.8°，这是三项励磁方式中最简单的一种。

表2.1 一相励磁顺序表2)二相励磁——在每一个瞬间，步进电动机有两个线圈同时导通。

每送一个励磁信号，步进电机就旋转1.8°。

1.3步进电机的分类1)磁阻式步进电动机(反应式)：是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元件，定转子磁路均由软磁材料制成，只有控制绕组，基于磁导变化而产生转矩，其性能特点是步距角小，起动和运行频率较高，断电时无定位转矩，消耗功率较大。

2)感应子式永磁步进电动机：转子为感应子式结构型式，也称混合式，兼顾永磁式和磁阻式两类电机优点，它具有步距角小，有较高的起动和运行频率的特点。

需要正负脉冲供电，消耗功率较小，有定位转矩。

3)永磁式步进电动机：凡在结构上采用永久磁钢的步进电动机，其特点是控制功率小，电磁阻尼大，步距角大，起动频率低，需要正、负脉冲供电，有定位转矩。

4)电磁式步进电动机：无需一般步进电动机所需的专用电源，施加直流电即可工作，控制简便，应用于监测系统中。

1.4步进电机的技术指标1.4.1步进电机的静态指标1)相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。

常用m表示。

2)拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3)步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。

θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。

四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

4)定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）5)保持转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。

此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

1.4.2步进电机的动态指标1)步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。

用百分比表示：误差步距角*100%。

不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2)失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

称之为失步。

3)失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4)最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5)最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6)运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。

2步进电机的驱动控制系统控制系统的组成方框图如下：2.1脉冲信号的产生脉冲信号由单片机AT89S52的I/O口产生，一般的脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

本实验采用的占空比为0.5。

2.2信号分配感应子式不仅以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍两种，具体分配如下：二相四拍为，步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。

本设计采用步距角为1.8度。

2.3功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。

步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。

平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。

因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。

步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。

电压对力矩影响如下：2.4功率放大细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

2.5步进电机的硬件电路图2.5.1 AT89C51 外围电路设计AT89C51 外围电路设计包含有三部分的设计：键盘模块，晶振模块及复位模块。

1）键盘设计：有两种考虑方式，需要上拉电阻的方式和不需要上拉电阻的方式。

由于单片内部设有小的上拉电阻，当外围电路很小时，是可以不考虑前一种方式的。

最后我们选择了第一种方式。

下图中为单片机系统,其P1.0-P1.7口分别连接到LCD1602的D0-D7引脚,与P3.2,P3.3,P3.4,P3.5相连的按键开关分别控制步进电机的加速,减速, 正转，反转。

P2.0,P2.1,P2.2分别接 LCD1602的RS,RW,E引脚。

2.62.7图1 步进电机的键盘与LCD设计图2）晶振设计。

晶振有一个石英晶体和两个二极管组成。

他们形成一个电容三点式振荡器。

二极管一般选择20-40pF。

其连接方式为石英晶体与两二极管并联的形式：图2 步进电机的晶振设计3）复位电路设计：一般复位也有两种形式：上电直接复位和手动按键复位。

我们选择了上电直接复位。

2.5.2 步进电机与驱动电路连接设计采用L297和L298实现的步进电机驱动电路见图4，该电路为固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动方式，适用两相双极性步进电机，最高电压46V，每相电流可达2A。

用一片L298和一片L297配合使用，可驱动更大功率的两相步进电机。

L298的 IN1 –IN4分别与单片机的输出端口连接，L298 的 OUT1 –OUT4分别与步进电机的四相输入相连接。

加入的八个二极管起到续流的作用，当步进电机由于某种原因突然停止运转时，其内部的电感将产生与之前时刻同向同大小的一个电流，这个电流通过二极管流失掉了，如果没有这八个二极管，L298将很容易被烧坏。

L298是一款比较昂贵的芯片。

图3 步进电机的驱动电路3系统设计思路此次我们设计的是一个步进电机控制系统，主要有51系列单片机AT89S51，串行输入/输出接口，LCD显示器，以及其他元件设计而成。

通过开关来控制系统的启动，停止，加速，减速，以及转向工作，同时液晶也会在实验板上象征性的显示相应的速度。

注意，LCD显示的速度并不代表点击实际速度，只是给大家一个感性的认识。

最后根据思路所设计出来的硬件电路和编写了相应的程序，详细的设计将会在下面说明。

图4 步进电机原理图AT89C51的功能可引脚介绍：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

1．主要特性：· 8031 CPU与MCS-51 兼容· 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)· 全静态工作：0Hz-24KHz· 三级程序存储器保密锁定· 128*8位内部RAM· 32条可编程I/O线· 两个16位定时器/计数器· 6个中断源· 可编程串行通道· 低功耗的闲置和掉电模式· 片内振荡器和时钟电路2．管脚说明：V CC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。