【正文】 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與制作學(xué) 生：劉瑞剛學(xué) 號(hào)：11011030111專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班 級(jí)：指導(dǎo)教師：趙獻(xiàn)丹 四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院二O一五年六月四 川 理 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作學(xué)院：機(jī)械工程 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 11011030111 學(xué)生： 劉瑞剛 指導(dǎo)教師：趙獻(xiàn)丹 接受任務(wù)時(shí)間： 系主任 （簽名）　　院長(zhǎng) （簽名）1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 1）設(shè)計(jì)內(nèi)容：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路設(shè)計(jì)、焊接，編制控制程序，整機(jī)調(diào)試，電路圖一張，設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（40頁(yè)以上）。2）設(shè)計(jì)要求：1）、實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制。 2）、采用Protues繪制電路圖。2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說(shuō)明（1）51系列單片機(jī)相關(guān)書(shū)籍（2）電子技術(shù)相關(guān)書(shū)籍（3）電路板焊接相關(guān)書(shū)籍（4）其他相關(guān)參考資料3．進(jìn)度安排設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱起 止 日 期1查閱相關(guān)參考資料，完成開(kāi)題報(bào)告—2控制電路設(shè)計(jì)、焊接—3編寫(xiě)程序，整機(jī)調(diào)試—4編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)—5畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的修改、答辯的準(zhǔn)備—摘 要 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器每接收一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度。因此可以通過(guò)輸出的脈沖頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的速度。改變脈沖的輸入順序就可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)具有高集成度，體積小，高可靠性，控制功能強(qiáng)，低功耗等特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。其中硬件包括步進(jìn)電機(jī)的控制模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，LED顯示模塊。軟件采用了keil uvision4編程工具和Protues畫(huà)圖工具。本次設(shè)計(jì)是以51系列單片機(jī)STC89C52為核心來(lái)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制模塊，以L297與L298為核心設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。按鍵作為一個(gè)外部中斷源設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、加速、減速功能。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；L297；L298 ABSTRACT Stepper motor is actuators that turns electrical pulse signal into angular 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 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, readonly memory ROM, a variety of I/O mouth and interrupt system, timer/counter function integration to a piece of silicon consisting of a small and perfect microputer 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 design. 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, 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。 L298目錄第1章 緒論 1第2章 控制模塊設(shè)計(jì)及硬件選擇 3 3.1步進(jìn)電機(jī)的分類 3 4 5 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理 6 10 STC89C52RC引腳功能說(shuō)明 11 晶振 14 15 單片機(jī)最小系統(tǒng) 16 數(shù)碼管 16第3章 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)及硬件選擇 21 L297工作原理介紹 21 L297各引腳功能說(shuō)明 23 L297驅(qū)動(dòng)相序的產(chǎn)生 24 L298的工作原理 25 光電隔離器 31 驅(qū)動(dòng)模塊的總體設(shè)計(jì) 33 L297與L298操作說(shuō)明 36 板子跳線器說(shuō)明 36 按鍵說(shuō)明 36 基本功能描述 36 接口說(shuō)明 37 電機(jī)接線 37第4章 系統(tǒng)調(diào)試 39第5章 結(jié)論 41致謝 44附錄A：參考程序 45III四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論 國(guó)家的發(fā)展在很大的程度上依賴于先進(jìn)的制造業(yè)，一個(gè)國(guó)家的制造業(yè)水平的在一定的程度上可以體現(xiàn)國(guó)家的實(shí)力，所以大多數(shù)國(guó)家都非常重視大力發(fā)展制造業(yè)。第二次世界大戰(zhàn)后，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信息和自動(dòng)化技術(shù)都有了迅速的發(fā)展，并且在制造業(yè)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了數(shù)控（NC）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS），計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）等多項(xiàng)制造技術(shù)與制造模式，推動(dòng)著世界制造業(yè)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。而在這些技術(shù)環(huán)節(jié)中具有很多優(yōu)點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)就是一個(gè)重要角色，比如在數(shù)控技術(shù)中就得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動(dòng)等，并且用其組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？尚?，因此在打印機(jī)等辦公自動(dòng)化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用[6]。正是由于步進(jìn)電機(jī)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，所以成了機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛的應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日劇增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如在數(shù)控系統(tǒng)中也取得了很大的發(fā)展。雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，但在我國(guó)占用非常重要的地位，并起了很大的作用。我們國(guó)家的數(shù)控系統(tǒng)在初期就是以單片機(jī)為數(shù)控核心，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件。采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服執(zhí)行元件，不僅可以應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控伺服系統(tǒng)，而且也可以輔以先進(jìn)的檢測(cè)和反饋元件，組成高精度的閉環(huán)數(shù)控系列從而達(dá)到很高的加工精度。除了在數(shù)控系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用近年來(lái)由于微型計(jì)算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生的革命性的變革。優(yōu)點(diǎn)明顯的步進(jìn)電機(jī)被廣泛的應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)的許多外圍設(shè)備中。為了的到良好的控制性能對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制研究就一直沒(méi)有停止過(guò)許多重大的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。上世紀(jì)80年代以后，由于微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。原來(lái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路或者集成電路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計(jì)電路，不利于系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)?；谖⑿蛦纹瑱C(jī)的控制系統(tǒng)則通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)能夠更好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的潛力。因此，用微型單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的時(shí)代發(fā)展要求。還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)形分配器控制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動(dòng)、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動(dòng)三種常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方案之外。但在一些不需要高精度的控制，而只是滿足一般的工作要求的情況下，盡量使控制系統(tǒng)做到： ，成本低。 。 ；，可靠性高；本次論文就是采用這個(gè)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般步進(jìn)電機(jī)控制器都是用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然電路可以做到高集成度，可價(jià)格較貴功能也相對(duì)單一，并且一旦設(shè)計(jì)要求有所改變，就得改變整個(gè)硬件電路。采用單片機(jī)的軟件和硬件結(jié)合進(jìn)行控制，運(yùn)用其強(qiáng)大的可編程和運(yùn)算功能，充分利用單片機(jī)的各種資源，能靈活的對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制，如果需要改變控制要求，一般只需要改變軟件就能適應(yīng)新的環(huán)境，并且在本次設(shè)計(jì)中利用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，把顯示電路和按鍵電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，而且為了抗干擾，提高可靠性，加入了光耦。1第2章 控制模塊設(shè)計(jì)及硬件選擇 本論文所選的步進(jìn)電機(jī)是兩相四線步進(jìn)電機(jī)，采用的方法是利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能還可以設(shè)計(jì)大量外圍電路，按鍵作為一個(gè)外部中斷源設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn)： ，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響。 ，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的設(shè)定，用一種電路實(shí)現(xiàn)了兩相步進(jìn)電機(jī)的控制的驅(qū)動(dòng)，大大提高了接口電路的靈活性和通用性。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度的，并且通過(guò)數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速。另外通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制[1]。.1步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)。 (1)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(Variable Reluctance，簡(jiǎn)稱VR)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型； (2)永磁式步進(jìn)電機(jī)(PermanentMagnet，簡(jiǎn)稱PM)永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應(yīng)式)，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電； (3)混合式步進(jìn)電機(jī)(Hybrid，簡(jiǎn)稱HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增