基于单片机步进电机控制系统的设计报告.docVIP

1、设计目的与要求 1.1、设计目的 （1）了解步进电机的结构和工作原理。 （2）进一步掌握步进电机的控制方法。 （3）进一步掌握单片机硬件和软件的综合设计方法。 （4）能够使用电路仿真软件进行电路调试。 1.2、设计要求实现功能 （1）电机工作方式为四相八拍； （2）实现电机的启、停功能； （3）实现电机的正、反转功能； （4）实现电机的加、减速功能. 2、、整体设计方案 2.1 、 系统总体方案 此次系统[4]。此次设计以单片机为核心，通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管来显示，可以显示速度以及方向。用数码管显示速度和驱动方式。电路主要通过三大块来设计，包括驱动模块设计、显示模块设计和按键控制模块设计。此次设计预期实现的功能简述如下几点： （1）、用按键来控制步机电机的工作状态； （2）、能够切换三种工作模式； （3）、在不同的工作模式下能通过按键控制其正转、反转、加速、减速并且在工作过程中能够切换驱动模式； （4）、显示器要实现在驱动选择时能显示电机在哪一种模式下工作，而且在速度加减时能显示其1-7个档位的速度，并在状态显示中可以见证速度的快慢； （5）、利用显示器显示电机的正反转情况。 具体操作方案：首先，先在查阅资料的基础上，进行总体的理论分析与设计；其次，根据预期达到期望功能的要求设计系统方框图；然后，结合设计一个KEIL软件编译调试，之后结合程序对所设计的控制电路在Proteus中选择好元器件连接好，检查无误之后进行仿真。根据仿真的情况，发现问题后进行相应的改正。 综合以上所述要求，此次系统设计框图主要共分为AT89C51单片机、显示电路模块、单片机最小系统（时钟电路和复位电路）、控制电路模块和驱动电路模块五个模块。具体框图如下图2-1所示。 图2-1 总设计方框图 2.2、主要元件的选择 2.2.1、单片机 AT89C51单片机 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机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。与MCS-51 兼容·4K字节可编程FLASH存储器 　·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24MHz 　·三级程序存储器锁定　　·128×8位内部RAM 　·32可编程I/O线　　·两个16位定时器/计数器 　·5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·寿命：1000写/擦循环 ①步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当转一圈后，没有累积误差，具有良好的跟随性[7]。 ②步进电机与驱动系统两部分构成的开环数控系统，既简单廉价，又非常可靠。同时它与角度反馈环节也可构成高性能的闭环数控系统。 ③步进电机的动态响应快，容易启动停止，转向与转速也容易控制。 ④速度在相当宽的范围内可以保持平稳调整，低速下仍然可以获得比较大的转矩，因此一般可以直接地驱动负载，不需要使用减速器。 ⑤步进电机要能运行仅仅只能使用脉冲电源来供电，是不可以拿交流电源和直流电源来使用。 ⑥步进电机会有失步和震荡现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 ⑦步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 （2）常见的步进电机可以分为三种：反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。 ①反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但出力小，动态性能相对较差[6]，当无电流供电时转子无自锁能力。一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 ②永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，出力比较大，动态性能好，但是其步距角一般相对较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度[6]。在驱动电路方面，永磁式步进电机需要双极性的驱动电路，因为永磁式步进电机的绕组电流要求正、反向流动。 ③混合式步进电机综