基于51单片机的步进电机控制系统设计

I基于51单片机的步进电机控制系统设计中文摘要步进电机是一种受脉冲信号控制，并且能将脉冲信号转化为相应的角位移或者线位移的数字电动机。由于步进电机具有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、成本低等优点，因此，被广泛使用于计算机外围电路、自动化控制装置以及其他的数字控制装置中，如打印机、钟表、数模转换设备等装置中。随着科学技术的快速发展，相应的控制系统也产生了很多种类，步进电机的身影在众多领域中可以看到。其中采用单片机作为控制核心的控制系统，由于其电路简单、成本低、可靠性强等优点，满足众多领域的需求，得到了大量的运用。因此，研究基于单片机的步进电机控制系统，具有重要的现实意义。本设计研究的是基于51单片机对步进电机的控制系统。通过单片机的I/O端口输出时序方波作为控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动芯片驱动步进电机进行不同的指令进行工作。根据不同的需要，通过按键电路来控制步进电机的启停、正反转和加减速等功能，并在数码管上实时显示步进电机的工作状态。本文给出了电路各个模块的电路图，并用Proteus的ISIS软件对控制系统的各个功能进行了仿真，并给出了相应的仿真结果图像。关键词：单片机；步进电机；电机驱动；控制系统IIAbstractSteppermotorcontrolledbyapulsesignal,andapulsesignalcanbeconvertedtothecorrespondingangulardisplacementorlineardisplacementofthedigitalmotor.Asthesteppermotorhasasteperrordoesnotaccumulate,reliable,simplestructure,smallinertia,lowcost,andtherefore,arewidelyusedincomputerperipheralcircuits,automaticcontroldevicesandotherdigitalcontroldevices,suchasprinters,watchesandclocks,digitaltoanalogconversionequipment,andotherdevices.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thecorrespondingcontrolsystemalsoproducedmanytypesofsteppermotorfigurecanbeseeninmanyareas.Whichusesmicrocontrollerasthecontrolofthecontrolsystem,becauseofitssimplecircuit,lowcost,highreliability,etc.,tomeettheneedsofmanyfields,wegetalotofuse.Therefore,basedonsingle-chipsteppermotorcontrolsystemhasimportantpracticalsignificance.Thedesignstudyis51single-chipsteppermotorcontrolsystem.Asacontrolsignal,thesignalthroughthechipULN2003steppermotordrivetoworkthroughthemicrocontrollerI/Oportoutputtimingsquarewave.Dependingontheneed,throughthekeycircuittocontrolthestartandstop,reversingandrampfunctionssuchassteppermotors,steppermotorsinreal-timedisplayanddigitalworkingcondition.Inthispaper,thecircuitdiagramofeachmodule,andwiththeISISProteussoftwareforeachfunctioncontrolsystemsimulation,andthesimulationresultsaregivencorrespondingimage.Keywords:microcontroller;steppermotor;motordrive;controlsystemIII目录中文摘要........................................................IAbstract.......................................................II1绪论.........................................................11.1步进电机及其发展过程....................................11.2步进电机在我国的应用及前景..............................21.3本设计的研究内容........................................31.4步进电机的性能指标及工作原理............................31.4.1步进电机的特点......................................31.4.2步进电机的种类......................................41.4.3步进电机的主要性能指标..............................51.4.4步进电机的工作原理..................................61.5步进电机控制系统的原理..................................82总体方案设计................................................102.1设计思路的选择.........................................102.2单片机芯片的选择.......................................122.3驱动电机芯片的选择.....................................122.4显示电路的选择.........................................132.5步进电机的选择.........................................133控制系统的硬件电路设计......................................153.1键盘控制电路...........................................153.2单片机最小系统电路.....................................163.3数码管显示电路.........................................183.4步进电机的驱动电路.....................................203.5步进电机的其他电路.....................................214控制系统的软件设计..........................................234.1主程序流程图...........................................234.2读按键子程序流程图.....................................244.3按键处理子程序流程图...................................254.4电机控制中断程序流程图.................................26IV5仿真与测试..................................................285.1仿真软件介绍...........................................285.2仿真的操作步骤..........................................285.3电路板的焊接.........................................295.4电路板的测试...........................................306结论与展望..................................................32致谢..........................................................34参考文献.......................................................35附录：系统总体电路图...........................................36系统仿真原理图..........................................37PCB打印图...............................................38原件清单................................................39程序...................................................4011绪论1.1步进电机及其发展过程步进电机是一种受脉冲信号控制，并且能将脉冲信号转化为相应的角位移或者线位移的数字电动机。由于电源每次输入电脉冲给该电机，该电机就会前进一小步，转动的方式是步进式的，所以称为步进电动机。由于电源输入的是脉冲式的电压，因此，有时也被称为脉冲电动机。在步进电机驱动能力范围内，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲个数成正比，不因电源电压、负载变化和环境条件等的变化而变化。所以其输出的角速度或线速度也与输入的脉冲频率成正比，通过改变输入脉冲频率的高低就可以调节步进电机的转速，并能控制步进电机的快速启动，暂停，正反转和加减速等。由于步进电机具有步距误差不积累、运行可靠、结构简单、惯性小、成本低等优点，因此，被广泛使用于计算机外围电路、自动化控制装置以及其他的数字控制装置中，如打印机、钟表、数模转换设备等装置中。虽然步进电机近些年来才被广泛使用，但其工作原理很早就被人们研究出来。其中，最早的可以追溯到法国人佛罗曼提出了将电磁铁的吸引力转化为力矩的方法。当时，激磁相的切换是采用机械式凸轮的接触点来完成，这就是步进电机最初的原理模型。后来逐步发展还出现了旋转线圈式的应用方法。二十世纪三十年代以后，步进电机的应用才逐渐开始，称为变磁阻型步进电机，被英国海军用作定位控制和远程遥控的装置。随着晶体管元件的快速发展，与之相结合使用的步进电机也得到了快速的发展和广泛的使用。1950年研制出二极管半导体，1964年开发出MOS半导体，特别是经过1950—1965年间半导体材料的高速发展后，由于价格低廉、可靠性高的逻辑数字电路得到广泛的应用，使步进电机的使用量也急剧增加。多年来，随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机技术的快速发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分的不断发展，使其在单片机控制，数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中都得到了广泛的应用。现如今，继直流电动机和交流电动机这两大类电机被广泛应用后，步进电机也已成为生活中最常用的第三类电动机。国内外围绕着步进电机