内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题 目：基于学生姓名：学 号：专 业：自动化班 级：自动化指导教师：
AT89C51单片机的步进
06-3班 电机控制系统内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
基于AT89C51单片机的步进电机控制系统
摘要
步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，它能按照控制脉冲的要求，迅速起动，制动，正反转和调速。具有步距角精度高，停止时能自锁等特点，因此步进电机在自动控制系统中，特别是在开环的控制系统中得到了日益广泛的应用。
本文以单片机和环形脉冲分配器为核心设计的步进电机控制系统，通过软硬件的设计调试，实现步进电机能根据设定的参数进行自动加减速控制，使控制系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象；同时它能准确地控制步进电机的正反转，启动和停止。硬件是以AT89C51单片机为核心的控制电路，主要包括：环形脉冲分配器、键盘显示电路、步进电机的驱动电路等。软件部分采用C语言编程，主要包括键盘显示程序、步进电机的调速程序、停止判断程序等。
关键词：步进电机控制系统；调速；单片机
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目录
摘要 ............................................................................................................................................. I 第一章 引言 .............................................................................................................................. 1
1.1 课题提出的背景和研究意义 ...................................................................................... 1 1.2 课题的主要研究内容 .................................................................................................. 2 1.3 本章小结 ...................................................................................................................... 2 第二章 步进电机控制系统设计 .............................................................................................. 3
2.1 步进电机的原理 .......................................................................................................... 3
2.1.1 三相单三拍通电方式 ........................................................................................ 3 2.1.2 三相双三拍通电方式 ........................................................................................ 5 2.1.3 三相六拍通电方式 ............................................................................................ 6 2.2 环形脉冲分配器 .......................................................................................................... 8 2.3 续流电路 .................................................................................................................... 12
2.3.1 二极管续流 ...................................................................................................... 13 2.3.2 二极管—电阻续流 .......................................................................................... 14 2.4 步进电机驱动电路 .................................................................................................... 15 2.5 步进电机的变速控制 ................................................................................................ 17
2.5.1 变速控制的方法 .............................................................................................. 19 2.6 步进电机在自动生产线中的应用 ............................................................................ 20 2.7 本章小结 .................................................................................................................... 22 第三章 控制系统硬件设计 .................................................................................................... 23
3.1 硬件系统设计原则 .................................................................................................... 23 3.2 控制系统组成 ............................................................................................................ 23 3.3 主要元件的选择 ........................................................................................................ 24
3.3.1 单片机的选择 .................................................................................................. 24 3.3.2 EPROM的选择 ................................................................................................ 25 3.3.3 可逆计数器的选择 .......................................................................................... 27 3.4 控制系统接口电路的设计 ........................................................................................ 27
3.4.1 环形脉冲分配器设计 ...................................................................................... 27
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3.4.2 显示电路设计 .................................................................................................. 29 3.4.3 外部复位电路设计 .......................................................................................... 30 3.5 控制系统整体电路设计 ............................................................................................ 31 3.6 本章小结 .................................................................................................................... 31 第四章 控制系统软件设计 .................................................................................................... 32
4.1 软件系统设计原则 .................................................................................................... 32 4.2 步进电机控制系统功能设计 .................................................................................... 32 4.3 主程序设计 ................................................................................................................ 33
4.3.1 主程序工作过程 .............................................................................................. 33 4.3.2 主程序工作流程图 .......................................................................................... 34 4.3.3 定时器T0中断程序流程图 ........................................................................... 34 4.4 Proteus仿真 ................................................................................................................ 37 4.5 显示程序设计 ............................................................................................................ 39 4.6 键盘程序设计 ............................................................................................................ 39 4.7 调速程序设计 ............................................................................................................ 41
4.7.1 20BY步进电机参数 ........................................................................................ 41 4.7.2 步进电机转速与频率的关系 .......................................................................... 41 4.8 本章小结 .................................................................................................................... 42 第五章 结束语 ........................................................................................................................ 43 参考文献 .................................................................................................................................. 44 附录 .......................................................................................................................................... 46
附录A 系统程序（C） ................................................................................................... 46 附录B 20BY步进电机转速与定时器定时常数关系表 ................................................ 59 附录C 控制系统电路图 ................................................................................................. 62 致谢 .......................................................................................................................................... 63
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第一章 引言
1.1 课题提出的背景和研究意义
由于步进电机不需要位置传感器或速度传感器就可以实现定位，即使在开环状态下它的控制效果也是令人非常满意的，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因此步进电机在计算机外围设备、数控机床和自动化生产线等领域中都得到了广泛的应用。
对于一个步进电机控制系统而言，总希望它能以最短的时间到达控制终点。因此要求步进电机的速度尽可能地快，但如果速度太快，则可能发生失步。此外，一般步进电机对空载最高启动频率都是有所限制的。当步进电机带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。根据步进电机的矩频特性可知，启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。当步进电机启动后，进入稳态时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动时有一个加速的过程。从高速运行到停止也应该有一个减速的过程，防止步进电机因为系统惯性的原因，而发生冲过终点的现象。为此本文以单片机作为控制核心，实现步进电机的自动加减速控制，使系统以最短的时间到达控制终点，而又不发生失步的现象。因为步进电机的转速正比于控制脉冲的频率，所以调节步进电机的转速，实质上是调节单片机输出的脉冲频率【1】。
由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制，非常适合采用微机进行控制。步进电机工作时，失步或者过冲都会直接影响其控制精度。研究步进电机的加减速控制，可以提高步进电机的响应速度、平稳性和定位精度等性能，从而决
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