2007届毕业论文（设计）题目：基于单片机的步进电机控制系统系别：自动化系专业：港口物流设备与自动控制班级：09港控11*名：***目录前言一、步进电机控制原理 (2)1.1步进电机的分类和主要参数 (2)1.1.1步进电机的分类 (2)1.1.2步进电机的一些基本参数 (2)1.2步进电机的原理 (3)1.2.1步进电机基本控制原理 (3)1.2.2步进电机控制系统原理…………………………………………… 3.二、设计方案－硬件电路设计 (4)2.1方案论证与比较 (4)2.2理论设计 (5)三、步进电动机的单片机控制 (7)3.1脉冲分配 (8)3.1.1通过软件实现脉冲分配 (8)3.1.2通过硬件实现脉冲分配 (10)四、步进电动机的运行控制 (11)4.1步进电动机的位置控制 (11)4.2步进电动机的加、减速控制 (14)五、总结 (20)参考文献及外文资料前言步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：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（及步进角）。
通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。
在步进电机的单片机控制系统中，要求能实现以下三个基本控制任务：控制换相顺序：步进电机的通电换相顺序要严格按照步进电机的工作方式进行。
也称为脉冲分配，实现脉冲分配的方法有两种：软件法和硬件法。
控制步进电机的转向：通过改变通电的相序来实现。
控制步进电机的转速：通过调节脉冲频率来实现。
一、步进电机控制原理1.1步进电机的分类和主要参数1.1.1步进电机的分类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一步一步运行的。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
1.1.2步进电机的一些基本参数：（1）电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
（2）步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。
（3）保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
（4）DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。
DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。
1.2步进电机的原理1.2.1步进电机基本控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D相的通断。
(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
1.2.2步进电机控制系统原理典型的步进电机控制系统如图1.1所示，主要是由步进控制器，功率放大器及步进电机等组成。
脉冲步进电机控制器功率放大器步进电机负载图1.1 步进电机控制系统的组成二、设计方案－硬件电路设计2.1 方案论证与比较1、本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为四相六线制的步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）方案一：使用多个功率放大器件驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。
方案二：使用L298N芯片驱动电机L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图2.2），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
图2.2 L298N芯片2、数码管显示电路的设计方案一：串行接法设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，但要使用SIO，发送数据时容易控制。
方案二：并行接法使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。
2.2 理论设计综合以上选取的方案，总的流程如图2.3所示。
图2.3 控制系统总流程1、步进电机驱动电路通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图2.4所示。
图2.4 步进电机的驱动电路图通过MCS-51单片机的P1.0~P1.5口对L298N的IN1～IN4口和ENA、ENB口发送方波脉冲信号，起时序图如图2.5所示。
图2.5 时序图2、数码管显示电路的设计数码管的显示驱动使用74LS164，通过MCS-51单片机的串行口对DATA和CLK发送数据。
图2.6 数码管显示电路的设计图3、4x4键盘电路在设计中，使用了标准的4x4键盘，其电路图如图2.7所示。
单片机的P0口为键盘的接口。
尽管设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，我们使用了4x4的键盘。
图2.7 4x4键盘电路图三、步进电动机的单片机控制步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。
在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。
其基本控制作用如下。
(1)控制换相顺序步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。
通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。
（2）控制步进电动机的转向通过前面介绍的步进电动机原理我们已经知道，如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电动机就正转；如果按反序通电换相，则电动机就反转。
（3）控制步进电动机的速度如果给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔时间越短，步进电动机就转的越快。
3.1脉冲分配实现脉冲分配（也就是通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。
3.1.1通过软件实现脉冲分配软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。
图3-1是用这种方法控制五相步进电动机的硬件接口例子。
利用8051系列单片机的P1.0~P1.4这5条I/O线，向五相步进电动机传送控制信号。
下面以五相步进电动机工作在十拍方式为例，说明如何设计软件。
这10个控制字如表3-1所列。
图3-1 用软件实现脉冲分配的接口示意图表3-1 五相十拍工作方式的控制字通电状态P1.4(E) P1.3(D)P1.2(C)P1.1(B)P1.0(A)控制字AB 1 1 1 0 0 FCH ABC 1 1 0 0 0 F8H BC 1 1 0 0 1 F9 BCD 1 0 0 0 1 F1H CD 1 0 0 1 1 F3H CDE 0 0 0 1 1 E3H DE 0 0 1 1 1 E7H DEA 0 0 1 1 0 E6H在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电动机就会转动一个齿距角。
每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。
程序就是根据这个原理进行设计的。
用R0作为状态计数器，来指示第几拍，按正转时加1，反转时减1的操作规律，则正转程序为：CW： INC R0 ；正转加1CJNE R0，#0AH，ZZ ；如果计数器等于10修正为0MOV R0，#00HZZ： MOV A，R0 ；计数器值送AMOV DPTR，#ABC ；指向数据存放首地址MOVC A，@A+DPTR ；取控制字MOV P1，A ；送控制字到P1口RETABC： DB 0FCH，0F8H，0F9H，0F1H，0F3H ；10个控制字DB 0E3H，0E7H，0E6H，0EEH，0ECH反转程序为：CCW： DEC R0 ；反转减1（反序）CJNE R0，#0FFH，FZ ；如果计数器等于FFH修正为9MOV R0，#09HFZ： MOV A，R0MOV DPTR，#ABC ；指向数据存放首地址MOVC A，@A+DPTR ；取控制字MOV P1，A ；送P1口RET软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法同时进行其他工作，所以，人们更喜欢用硬件法。
3.1.2通过硬件实现脉冲分配所谓硬件法实际上是使用脉冲分配器芯片，来进行通电换相控制。
脉冲分配器有很多种，这里介绍一种8713集成电路芯片。
8713有几种型号，如三洋公司生产的PMM8713，富士通公司生产的MB8713，国产的5G8713等，它们的功能一样，可以互换。
8713是属于单极性控制，用于控制三相和四相步进电动机，可以选择以下不同的工作方式。
三相步进电动机：单三拍，双三拍，六拍；四相步进电动机：单四拍，双四拍，八拍。
8713可以选择单时钟输入或双时钟输入；具有正反转控制,初始化复位,工作方式和输入脉冲状态监视等功能;所有输入端内部都设有斯密特整形电路,提高抗干扰能力;使用4~18V支流电源,输出电流为20mA。
8713有16个引脚。
各引脚功能如表3-2所列。
表3-2 8713引脚功能12 D；三相用13，12，11脚，分别代表A，B，C1314 工作方式监视。
0为单三（四）拍；1为双三（四）拍；脉冲为六（八）拍15 输入脉冲状态监视，与时钟同步16 电源8713脉冲分配器与单片机的接口例子如图3-2所示。