安徽工程大学毕业设计（论文）
引 言
步进电机在机电一体化的领域中有着广泛的应用，因此设计一款精度高，稳定性好的步进电机控制系统有非常重要的意义。步进电机是一种作为控制用的特种电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。因此非常适合单片机控制。
单片机是现代电子技术、计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。采用嵌入式系统集成器件，将电子系统的设计从单纯的硬件设计变为智能化的硬、软件设计，从而使现代电子系统软硬结合，具有智能化、系统功能，具有柔韧性及激励-运行-响应等特点。
本论文系统地介绍了一种利用AT89C52单片机作为控制器，实现对反应式步进电动机简易控制的方案。该控制系统具有电路简单可靠，通用性强，成本低廉，灵活方便等特点，性能优于传统的步进电机控制器。文中系统介绍了各模块的工作原理、工作方式和特点，给出了硬件和软件部分的设计。由于学生水平有限，时间也相对比较紧凑，故文中难免有不妥甚至错误之处，恳请各位指导老师批评指正。
- 1 -
基于单片机步进电机控制器的设计
第1章 绪论
1.1 设计的提出依据和意义
电机因其结构简单、价格低廉、机械特性较好、运行维护方便等优点在国民经济各行业中获得了广泛的应用。我国的电机总装容量约占全部用电设备总容量的75%以上，而耗电量约占总发电量的70%以上。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，在机电一体化的领域有着广泛的应用，因此设计一款精度高，稳定性好的步进电机控制系统有非常重要的意义。
1.2 计算机控制技术的发展
计算机控制技术的发展同计算机技术的发展有着紧密的联系，计算机每更新换代一次，计算机控制就前进一步，上一个新台阶。
从国际上的计算机控制技术发展来看，在进行计算机控制试验基础上，大体经历了集中式、分级式和分布式三个大阶段。
1965年以前，是计算机控制试验阶段。1952年，在化工生产中实现了计算机自动测量和数据处理，1954年开始用计算机构成开环控制系统。1957年在石油蒸馏过程控制中采用了计算机构成的闭环系统。1959年3月，世界上第一个规模较大的过程计算机控制系统在德克萨斯州的一个炼油厂正式投入运行，并取得成功。该系统的控制参数包括26个流量、72个温度、3个压力和3个成分。这一开创性的工作，唤起了人们对计算机控制的极大兴趣，使计算机厂家看到了新的市场，使工业界看到了新的自动化工具，使学术界发现了新的研究课题，因而有力地推动了计算机控制和计算机本身的进一步发展。由于当时的计算机是电子管计算机，计算机的性能价格比很低，而且体积大，可靠性差。1958年前后，计算机的平均故障间隔时间（MTBF）为50—100h，因此，当时计算机控制系统主要用来执行数据处理、操作指导和为模拟控制器提供最优设定值的监督控制等简单控制功能，而且实际应用的计算机控制系统为数非常少。
1965年到1969年是计算机控制进入集中控制的普及阶段。随着半导体技术的兴起，晶体管计算机取代了电子管计算机，计算机的可靠性和其他性能指标都有较大的提高，成本逐年下降，计算机在生产控制中的应用得到迅速的发展。1962年英国化学工业公司就成功地实现了一个DDC系统，其中数据采集量为244个，并控制129个阀门。由于DDC系统可以较好地发挥计算机控制的优势，所以DDC系统的实现无疑是计算机控制系统的一大进步。但这个阶段仍然主要是集中型的计算机控制系统，在高度集中的控制系统中，若计算机出现故障，将对整个装置和生产系统带来严重影响。虽然采用多机并用可以提高集中控制的可靠性，但会增加成本。
1970年以后进入大量推广分级控制的阶段。随着大规模集成电路（LLSI）技术的突破，微型计算机于1971年问世。微型计算机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段。由于微型计算机具有运算速度快、可靠性高、价格低廉和体积小等特点，因此，消除了长期阻碍计算机控制发展的计算机造价昂贵和可靠性低两大问题，并为计算机分散控制系统（DCS）的出现创造了条件。20世纪70年代中期出现的DCS成功地解决了传统集中控制系统整体可靠性低的问题，从而使计算机控制系统获得了大规模的
- 2 -
安徽工程大学毕业设计（论文）
推广应用。1975年世界上几个主要计算机和仪表公司，如美国的HoneyWell公司，日本的横河公司等几乎同时推出各自的DCS产品，并都得到广泛的工业应用。
20世纪90年代以后，随着现场总线控制技术的逐渐成熟、以太网技术的逐步普及、智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，使嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器方便地接入现场总线和工业以太网络，直至与Internet相连，计算机控制系统步入了分布式网络化的控制阶段。 1.3 单片机简介
单片机也被称为微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
随着近代超大规模集成电路的出现，单片机及其外围芯片有了迅速的发展。集成技术的最新进展之一是将CPU和外围芯片及其他控制部件集成到一个芯片之中，制成单片计算机(SCM)。近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊功能单元，如A/D、D/A转换器、通讯控制器、浮点运算单元等。因此，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统，如工业控制系统、数据采集系统、智能接口、功能模块等。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
作为微型计算机的另一个发展分支的单片微型计算机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机的控制器时，常常是在先满足功能需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。20多年来的应用实践表明，单片机性能稳定通过在单片机上运行的控制程序来代替模拟或数字电路硬件，可以提高系统的功效，并且改变了传统的控制系统设计思想和方法。从最近的统计数据也可以看出，世界上每年要有25亿片各种单片机投入使用。单片机是目前世界上使用量最大的微处理器。 1.4 设计的总体方案
本设计题目要求设计一个步进电机的控制器，按照题目要求系统可以分为五大模块。驱动模块、显示模块、复位模块、按键模块和单片机模块。系统方案如图1-1所示：
- 3 -
基于单片机步进电机控制器的设计
按键输入 单 片 复位电路 LED显示 机 驱动电路 步进电机
图1-1 总体方案图 - 4 -
安徽工程大学毕业设计（论文）
第2章 步进电机的选择
2.1 步进电机的特点
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单，并且非常适合于单片机控制。
步进电机的特点：
（1）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。
（2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
（3）步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。
（4）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大的转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。
（5）步进电机只能通过脉冲电源才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。 （6）步进电机存在振荡和失步现象，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，带惯性的能力较差。 2.2 步进电机的分类
步进电机可以分为3大类： （1）反应式步进电动机（VR)
反应式步进电动机一般为三相，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。反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的,转子中没有绕组。它的结构简单、成本低，步距角可以做得很小，但动态性能差。
（2）永磁式步进电动机（PM)
永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度。永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大动态性能好。转子的极数与定子极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。
（3）混合式步进电动机(HB)
混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。
由于反应式步进电机的性能价格比比较高，因此本毕业设计选择步进电机的类型为反应式步进电机。
- 5 -