201105820413李书金 毕业论文

毕业论文（设计）

步进电动机驱动的位置调节机构设计

姓 名 李书金

学 号 201105820405 年 级 2011 专 业 电气工程及其自动化 系 （院） 汽车学院 指导教师 李玉廷

2015 年 月 日

临沂大学2015届本科毕业设计

摘 要

步进电机的控制种类有很多，在这里我是基于单片机来设计了一个步进电机控制系统。我的设计是由ATC52单片机，步进电机，led灯和集成芯片ULN2003等元件组成。通过led灯来显示步进电机的正反转及速度。我的设计采用的是模块化设计，结构简单，便于操作，通过这个设计来展示步进电机在机电一体化中的广泛应用。

关键词：单片机ATC5；步进电机；

灯；集成芯片ULN2003；

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Abstract

There are many types of control of stepping motor, and here I was to design a microcontroller based stepper motor control system. My design is composed of ATC52 microcontroller, stepper motor, LED lights and ULN2003 integrated chip and other components. Through the LED light to display the rotation direction and speed of the stepper motor. The design is modular in design, simple structure, convenient operation, through this design to display the step motor has been widely applied in electromechanical integration.

Keywords:MCUATc5; Stepping motor;LED integrated chip ;ULN2003 lamp

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目 录

摘 要 .......................................................................................................................................... 1 1 背景意义及研究现状 ............................................................................................................ 3

1.1背景意义 ..................................................................................................................... 4 1.2 研究现状 .................................................................................................................... 4 2步进电机的分类、结构、工作原理 ..................................................................................... 4

2.1 步进电机的概念 ....................................................................................................... 4 2.2 步进电机的结构及工作原理 ..................................................................................... 4

2.2.1 结构 ................................................................................................................ 4 2.2.2 工作原理 .......................................................................................................... 5

3 系统硬件电路设计 .............................................................................................................. 5

3.1 单片机的选择 ............................................................................................................ 5

3.1.1单片机的引脚功能 ........................................................................................... 6 3.1.2 主要特性： ..................................................................................................... 6 3.2 步进电机的选择 ........................................................................................................ 7 因本次设计的要求，我选用了四相五线的步进电机28BYJ-48，具体说明如下: ..... 7 3.3 控制系统组成 ............................................................................................................. 8 3.4工作状态区LED灯功能介绍 .................................................................................... 9 3.5步进电机控制系统原理图 .......................................................................................... 9 3.6pCB板图 ..................................................................................................................... 10 4系统软件的设计 ................................................................................................................... 11

4.1 系统软件程序设计 ................................................................................................... 11 设计总结 .................................................................................................................................. 16 目录 .......................................................................................................................................... 16 谢辞 .......................................................................................................................................... 17

1 背景意义及研究现状

自人类步入电气时代以来，电动机因其在不用位置传感器和速度传感器的条件下就可以实现定位的优越条件一直被广泛的应用于生产生活中。

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1.1背景意义

步进电动机因其独特的特点在高度定位、高分解性能、高响应性的机械系统中。在当今要求自动化，生劳动力，高效率的年代，我们的生产中已经布满了步进电机的踪影。作为机电一体化中的执行机构，更是被广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，人们对步进电机的需求越来越大，所以研究步进电机的控制系统有着深远的意义。

1.2 研究现状

步进电机被发明于1830年到现在已有185年的历史，在这近200年的发展过程中，经过不断的改良，使得今天的步进电动机已经被广泛地应用于高精度，高分辨率，机械系统，所述柔性控制的信赖的高响应。自动化，人力，工作效率高，在机器的制造过程中，可以很容易地找到步进电机的痕迹，特别要注意的速度，位置控制，柔性控制的情况步骤精确操作命令使用最多步进电机。

2步进电机的分类、结构、工作原理

2.1 步进电机的概念

步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能够将电脉冲信号转化为角位移或线位移，而且具有迅速起动，制动，正反转和调速，步距角精度高，停止时能自锁等特点，在机电一体化中广泛应用。

2.2 步进电机的结构及工作原理

2.2.1 结构

步进电机分为转子和定子两部分:

1:定子是硅钢板堆放,6定子磁极,每个2相反的两极(N,S)组成的一对,总共3对。定子的牙齿有三个励磁绕组,几何轴分别与转子齿轴。0,1/3 2/3(ππ,两个相邻转子齿轴之间的距离是沥青PI)说,即A和B与1牙齿,2牙齿交错1/3 PI,3 C和牙齿交错2/3π,神经末梢5牙齿对齐,(一个是一个,牙5是1牙齿)。

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2:转子是由软磁性材料,外表面均匀分布着小,和相同的定子齿牙,和相同的大小,相同的时间间隔。

2.2.2 工作原理

电机的U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。 如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。

步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,直流电源的变量组成、相序控制电流,这个电流步进电机供电,步进电机可以正常工作,为步进电机驱动电源分为时间、相序控制器

。以反应式步进电机为例：

如果是B,C,这不是亢奋时,磁场,牙齿是符合(1、转子没有任何力量都一样)。如果B,C,没有电,和2个牙齿应该与B,当转子转向正确的后1/3π,牙3和C抵消1/3π,牙齿4和一个偏移量(πππ1/3)= 2/3。如果C是A,B,没有电,和3牙齿应该与C,转子转向右边1/3圆周率后,牙齿4和抵消1/3π对齐。如果A是B,C,没有电,牙齿4是一致的,转子转向右边1/3后,B、P C,一个电源,4牙(1牙齿牙之前)转移到一个阶段,电动机的转子将音高,如果按下A,B,C,……电动马达,步(每脉冲)1/3 PI,向右转。根据A、C、B…电,电机反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系，而方向由导电顺序决定。

然而,目前,平稳,噪音和减少角度考虑。这是常用A-AB-B-BCC-CA-A导电状态,所以,最初的1/3圆周率π是1/6的阶跃变化。即使通过相电流的组合,1/3阶段到1/12 1/24 PI,PI,基于细分驱动的基本理论。不难推出:M相励磁绕组定子,转子齿轴和轴分别为1 / M / M……(m - 1)/ m,1。根据电动机的顺序可以是正反演控制——这是旋转的身体状况。理论上,只要符合这个条件我们可以做任何相步进电机,因为成本和其他方面考虑,市场通常两个或三个,四个或五个。

3 系统硬件电路设计

3.1 单片机的选择

本次设计选用c52作为CPU。C52单片机的结构简单，可以在程序员闪电擦除超过数万次类型实现。易于使用，并且是完全兼容所有的特征mcs5l系列微控制器。该装

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置采用ATMEL公司的高密度非易失性存储器制造技术制造，与工业标准MCS-51指令集和输出管脚兼容。由于多用8位CPU和FLASH存储器组合在单个芯片中，ATMEL公司的ATC52单片机是一种非常有效的为很多嵌入式控制系统提供了高度的灵活性和低成本的解决方案。

3.1.1单片机的引脚功能

（1）VCC（40）：电源+5V。 （2)VSS(20):地面,也称为接地。

(3)XTL1(19)和XTL2(18):振荡电路。(4)PSEN(29):ROM芯片选择信号,活性低。 (5)啤酒/学监(30):地址锁存器信号输出终端/ EPROM程序的脉冲输入。 (6)RST / VPD(9):复位输入信号/备用电源输入。 (7)EA / VPP(31):内部/外部ROM (8)P0(39-32):双向I / O端口。

(9)P1(1 - 8):准双向口I / 0共同之处。

3.1.2 主要特性：

通过mcs—51汇编语言兼容4 k字节编程flash memorylife:1000写/擦除周期数据保留时间:静态工作:0 hz-24hz三个级别程序内存锁,128 * 8日内部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,低功耗空闲和掉电模式,芯片上的振荡器和时钟电路 1.振荡器特性：

XTAL1 XTAL2是反向放大器的输入和输出。反向放大器可以作为片上振荡器配置。但因外部时钟信号的不同对振荡器有不同的要求， 当采用外部时钟源驱动器件时，XTAL2不接。在保证脉冲高低电平宽度的条件下，对外部时钟信号的脉宽无要求。 2.芯片擦除：

PEROM数组的电力和三个锁可以被正确的组合的控制信号,并保持啤酒销低水平10 ms。广泛的芯片擦除操作,代码写“1”,在任何非空存储字节编程重复过去,操作必须执行。此外,ATC51稳态逻辑,静态逻辑零频率条件下的低功耗模式,支持两种软件可选。

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即空闲模式和断电模式。空闲模式下，CPU休息，但其他系统仍旧工作。断电模式下，节省内存，并冻结振荡器，其他芯片功能也无法使用。知道下一个硬件复位。

3.2 步进电机的选择

因本次设计的要求，我选用了四相五线的步进电机28BYJ-48，具体说明如下: 步进电机类型28 byj48四相八步进电机,电压是DC5V - 12 v。当应用于步进电机控制的一系列连续的脉冲,可以不断旋转。每个脉冲信号到一个或两个线圈激励与步进电机对应的状态改变一次,结果一定角相对于转子(一步)。当电源状态更改完成一个周期,以及转子齿距。四相步进电机可以运行在不同模式的电力,一个电动模式(常见的单相绕组(A-B-C-D-A)4„),双(双相绕组(AB-BC-CD-DA-AB)4„„)八、

(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A„)红线连接到5 v的电源,橙色线与P1.3口接,P1.2

的黄线连接端口,粉色线与P1.0端口，P1.1端口连接蓝线。通过ULN2003放大和相应的接口连接到电动机

如下：

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橙 1 1 0 0 0 0 0 1

顺序刚好相反

黄 0 1 1 1 0 0 0 0 粉 0 0 0 1 1 1 0 0 蓝 0 0 0 0 0 1 1 1 十六制（P1口） 0x08 0x0c 0x04 0x06 0x02 0x03 0x01 0x09 3.3 控制系统组成

控制系统的硬件电路主要有c52单片机，LED工作状态指示灯，环形脉冲分配器，步进电机驱动电路，5v电源及复位，操作按键。系统硬件框图如图3.3所示。

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电源及复位按键控制电路c52环形脉冲分配器步进电机控制电路步进电机LED灯工作状态显示

3.4工作状态区LED灯功能介绍

1绿灯---步进电机正转指示灯 2黄灯--步进电机反转指示灯

3红灯--步进电机转速等级指示灯（低速亮一个红灯，中速亮两个，高速亮三个）

3.5步进电机控制系统原理图

如图3.5所示

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图3.5

3.6pCB板图

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临沂大学2015届本科毕业设计 312512162271234567101112131415163843221112345671211240393837363534333231302928272625242322211234567101112131415161718192012222221112121111211216151413121110924563224123111234567821521

图3.6

4系统软件的设计

4.1 系统软件程序设计

步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务，从而控制步进电机转动，以达到控制转动角度和位移之目的。第一步就是要判断旋转方向，然后向相应的控制程序。正向和反向控制程序分别根据控制序列，输出相应的控制模型的要求，再加上脉冲宽度延时程序其程序流程图如下图所示：

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图4.1 程序流程图

程序编写： D0 EQU 0 D2 EQU 2 ORG 0000H START: LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 0100H

MAIN: MOV P2,#00H ;等待信号

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MOV P0,#FFH MOV R2,#0 MOV R3,#0 MOV R4,#0 CLR IT0 SETB EA SETB EX0 LJMP MAIN

INT0: JNB P2.0,ZHENG; JNB P2.1,FAN ; JNB P2.2,JIA ; JNB P2.3,JIAN ; JNB P2.4,TIN ; RETI

ZHENG: MOV R2,#1 ; MOV DPTR,CHA MOV A,D0 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A ACALL YAN0 CPL P0.0 CPL P0.2 ACALL YAN0 CPL P0.0 CPL P0.1 ACALL YAN0 LJMP ZHENG

FAN: MOV R2,#0 ; MOV DPTR,CHA MOV A,D2 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A

正转 反转 加速 减速 停 正转 反转 13

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ACALL YAN0 CPL P0.0 CPL P0.1 ACALL YAN0 CPL P0.0 CPL P0.2 LJMP FAN

ZHENG1:MOV DPTR,CHA ; MOV A,D0 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.2 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.1 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 LJMP ZHENG

FAN1: MOV DPTR,CHA ; MOV A,D2 MOVC A,@A+DPTR MOV P0,A CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 CPL P0.0 CPL P0.1 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2

加减速正转 加减速反转 14

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CPL P0.0 CPL P0.2 CJNE R3,#0,YIA1 CJNE R4,#0,YIA2 LJMP FAN1

JIA: MOV R3,#1 ;加速 MOV R4,#0 CJNE R2,#0,ZHENG1 LCALL FAN

JIAN: MOV R4,#1 ;减速 MOV R3,#0 CJNE R2,#0,ZHENG LCALL FAN

TIN: LCALL MAIN ;停 YAN0: MOV R0,#25 LOOP00:MOV R1,#100 LOOP01:DJNZ R1,LOOP01 DJNZ R0,LOOP00 RET

YAN1: MOV R0,# 20 LOOP10:MOV R1,#100 LOOP11:DJNZ R1,LOOP11 DJNZ R0,LOOP10 RET

YAN2: MOV R0,#30 LOOP20:MOV R1,#100 LOOP21:DJNZ R1,LOOP21

DJNZ R0,LOOP20 CHA: DB 03H,06H,05H END

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设计总结

全文从步进电机的结构，工作原理，单片机和步进电机的选择等方面进行了系统的阐述，对原理理论和概念有了一个系统的分析和街市。并对电路和程序进行了设计。

1.硬件电路

单片机有很多类型，我的设计采用了c52的常用型号。由于该系列的单片机带有连个内部16位定时/计数器，从而很大限度的开发了单片机。再加上搭载的p0口可以快站芯片，很大限度的简化了我的设计。

2电机运转的信号表达

在我的设计中我选用了LED灯来表示电机的运转情况，而没有选择显示器，一是节省了成本而是指示灯能够更加直观的显示，且非常易懂，易于应用于生活实践中。LED灯采用了红黄绿三中颜色，色彩对比明显，易于观察。

3改进方法和进一步工作

从实际生活和生产出发我饿设计存在着一定的误差，对步进电机旋转的角度和速度的控制不是那么的精确。所以下一步的工作就是工作板的制作和调整，也就是将硬件电路进行参数的测量，以达到更加精确的目的。

目录

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[16]闫要岗, 骆光照, 李斐等. 一种新型步进电动机驱动器设计[J]. 微特电机, 2010, 38(10):51-. DOI:10.3969/j.issn.1004-7018.2010.10.016.

谢辞

通过本次毕业实习和毕业设计的实践，使我把大学四年当中所学的知识进行了归纳

与应用，在很大程度上提高了我的综合素质与工作能力，使我学会了利用所学的知识来解决具有一定技术难度的种种问题，锻炼了我的动手能力，使我不在是一个只会讲理论而不会动手的书呆子。最重要的是树立了敢于实践的思想，以及求知探索的科学精神，这是我最大的体会和收获。

到现在，本人的设计无论在显示方面，系统的稳定方面，以及按键操作方面都己经基本达到了预期的结果。这是一件令人无比欣慰的事情，在这个过程中我遇到了很多的困难，查阅了很多的资料，以及请教了很多的同学，所以最后我成功完成了我人生中的第一次毕业设计。从这次的设计过程中我看到了自己的很多不足之处，需要在以后的生活工作中改进提高。

在整个的设计过程中，我明白了知识的积累不是靠短时间内完成的，需要在平时的生活学习中认真耐心的去总结。一些生活中的小细节就会这你的工作学习中起到很大的作用。

当然我现在的设计的成功离不开李玉廷老师对我的悉心教导和指点，以及很多同学的热心帮助。最后祝愿老师在以后的生活中身体健康，家庭幸福，桃李满天下。

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