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系统简介

本文设计的是一种基于单片机的步进电机控制系统。步进电机是一种常用的机电元件，其转动控制是通过向相绕组输送电脉冲信号来控制电机向一定的方向转动，每个脉冲信号都能使电机转动指定的角度。步进电机的位置误差不会积累，运行可靠、结构简单、可以快速启停等优点，而且容易实现开环精确控制，所以被普遍运用于各个经济领域。
本篇毕业设计报告简单介绍了一种利用51单片机、驱动芯片ULN二零零三、LED数码管按键等元器件组成的一个单片机步进电机控制系统设计方案，并进行了深入探讨了硬件软件作用原理。步进电机是一种非常常见的电机种类，本文简单介绍了电机的发展经历和中国的各方面应用大概情况，同时也讨论最常见的应用驱动技术。通过对步进电机的工作原理探讨分析，提出了基于单片机的硬件设计总方案，并对电路各板块进行详细设计研究讨论。最终，本文重点阐述控制系统的软件设计部分，包括程序编写和如何优化等各方面，围绕步进电机控制系统的设计方案详细展开，旨在提供一种可行的实现方案和实践指南。

关键词：步进电机；单片机；速度控制；电机驱动

1 绪 论

1.1 步进电机的发展过程
步进电机又称脉冲电动机或阶跃步进电机，在自动化控制系统中具有广泛的应用。因其功能很强大且应用范围很广泛，已然成为了一种非常优秀的电机类型代表。特别是在电机控制方面，步进电机更是备受青睐。随着时间的进程，电机技术的不断发展和应用场景的不断扩展，步进电机已经被广泛运用于各个经济领域，包括工业自动化、医疗设备、信息技术、智能家居等领域。其高精度、高可靠性和低噪音等特点，使得步进电机成为电机控制领域的重要组成部分。在实际应用中，步进电机通常与其他传感设备、控制器和人机界面等组合使用，以实现更加复杂和精细的运动控制和定位操作。步进电机是一种无需反馈的电路就可以去实现转速和转向的控制电机，其中的位值产生的误差不会一直去积累、运行可靠、结构简单、可以快速启停等优点，其广泛应用在办公服务如打印机。步进电机已经成为现代控制系统中不可或缺的重要组成部分。
尽管近年来步进电机得到了广泛的应用，但其原理的确早在很久以前就已经有了。早在与步进电机同时期，电磁铁以及柱塞泵也在不断的向前的发展。在20世纪20年代，弗罗曼提出了一种用电磁铁吸引力去变成为旋转力的办法，就是通过机械凸轮接触点实现励磁相位的切换，这就是步进电机的最早的雏形。从上世纪20年代起，步进电机开始走进实际生产中，例如被英国海军用于定位控制和遥控等方面。因此，步进电机已经拥有了一个悠久的历史，并且在多个领域得到了成功的应用，其影响和地位在整个电机控制领域中也越来越重要。
在1952年，美国的GE公司卡尔开发出了混合式步进电机。该电机最初的设计灵感源于一种发电机，其结构与现代的两相混合式步进电机非常相似。当时，该电机被用于低速同步电动机的领域。该技术随后被其他公司发展，超级电气公司和西格玛公司开发出了两相1.8度步距角的混合型步进电机，适用于小电流、高电感、恒压驱动，仅需要换相脉冲300pps即可。这种混合型步进电机不仅延续了步进电机的优点，还具有更高的精度和更大的输出扭矩，因此在各种应用中广泛使用，如电子设备、打印机、机器人等领域。混合型步进电机的发明和应用极大地推进了电机控制技术的进步，成为了机电一体化和自动化领域的重要组成部分。
随着半导体二极管和MOS半导体的问世，集成电路开始出现并得到运用，七十年代后，由于数字电路的低成本和高可靠性，步进电机自1977年问世以来已广泛应用于医疗、数控、机器人、3D打印机等行业。
1.2步进电机的发展过程
我国工业发展水平与西方发达国家相比起步较晚，在中国步进电机技术发展的历程中，从20世纪50年代后期开始，我国高等院校和研究机构开始进行步进电机研究，随后逐渐扩大到大规模生产。通过自主设计、生产和应用半导体器件，我国在电路设计和驱动方面取得了新的突破和长足进步。这其中的七十年代中期到八十年代中期的研究工作尤为重要。通过大量的研究工作，不断开发出不同类型的高性能电机，并将其作为产品广泛使用。由此，步进电机技术在我国得到了快速发展，成为机电一体化和自动化领域中的重要组成部分。
国外的工业设备驱动大多不采用扭矩大的步进电机，因为考虑到成本、功能和效率等问题，直流电动机和少量的交流电机成为了更为优选的选择。不过，在小功率场合下，步进电机仍然是常用的驱动方式，例如在打印机、复印机和一些生产工业器材的生产装备上。这是因为步进电机具有结构简单、精度高、控制方便等优点，并且适合于需要较高精度和较为复杂运动的应用场景。因此，步进电机在小功率驱动中具有不可替代的作用。在过去那段时间里，国内在大功率的工业设备驱动上，仍然使用大力矩步进电机，只有少部分有实力的公司才和国外一样进行了替换。
目前，虽然生产步进电机的厂家遍地开花，但少有能够自主研发的专业人员，部分的生产厂家连基本的基础设备都没有，只能进行仿制。发展至今，我国已经拥有比较成熟的理论，而且基础理论与设计方法也在逐渐完善，生产的产品也逐渐丰富起来，性能参数也逐渐追上国外同类产品。
经过我国多年的发展，不仅使得步进电机得到广泛运用，也使得其功能愈加强大。相信随着科学技术的不断发展，将会有更多的领域用到步进电机。
1.3课题目的和意义
由于步进电机可以将数字脉冲信号直接转化为角位移，因此在制造数控机床时被广泛应用，避免了A/D转换过程，因而被视为优秀的数控机床执行元件。在目前的数控生产领域中，步进电机已成为控制系统的主要选择。因此，提高步进电机定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。这是因为，定位精度的提高能够让步进电机在运动过程中更精确地控制所需的角度和位置，从而提高了系统工作的精度和效率。因此，在步进电机的应用中，提高其定位系统的精度是非常必要的。
步进电机可以通过输入脉冲频率的改变来实现调速，步进电机以简单低成本的开环系统应用于打印机、自动化设备、控制装置等领域，并因技术进步需求增加，使高性能驱动器与控制系统研发尤为关键。这样做可以进一步提高步进电机定位系统的精度，降低其误差率，增强其运动的稳定性和可靠性。因此，在步进电机应用的众多领域中，研发先进的步进电机驱动器及其控制系统是至关重要的，也是未来步进电机技术发展的一个重要方向。
1.4课题的内容
该课题是基于51单片机的步进电机控制系统，利用单片机作为核心控制器，设计利用按键进行电机运行状态的控制，包括启动/停止、转向和加减速等功能。此外，系统还采用了数码管来显示步进电机的转向和速度等级等信息。通过这种方法，用户可以直接控制步进电机的运行状态，而且可以清晰地了解步进电机的运行状态信息。
本次控制核心采用软件控制单片机输出脉冲信号以驱动和控制步进电机。借助单片机的计时/计数功能，产生多种频率和占空比的脉冲信号，实现对电机的可控制性，包括运行状态和速度等参数，并且可以通过程序实现电机的启动/停止/转向和加减速等功能。同时，方便用户观察电机，设计了数码管显示电路，通过实时显示电机的转向和速度等级等信息，使用户可以及时了解电机的运行情况，并且可以方便地进行控制和调整。因此，本次设计采用软件控制单片机输出脉冲信号驱动电机，并且害设计了数码管显示电路，具有可操作性强、实时性好、控制精度高等优点，可以满足实际应用的需要。

2 控制系统硬件设计

2.1 步进电机的概述
步进电动机又称又脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理。是一种开环控制的电机，常用于需要精密定位和控制转数的场合。步进电机的转动角度是以脉冲的形式输入的，每输入一个脉冲电机就会顺时针或逆时针转动一定的角度，转动的步进角度大小由电机设计时决定。步进电机不需要编码器或传感器进行闭环控制，因为其内部结构能够实现强制控制电机每次运行的步数。步进电机结构简单，容易控制，所以广泛应用于CNC设备、打印机、电子琴、自动售货机等领域。
2.1.1 步进电机的种类
常见的步进电机有三种：
（1）永磁式步进电机
永磁式步进电机（PM步进电机）主要由转子和定子两部分构成，其中定子通常采用线圈结构，转子则可选用磁铁或永磁铁材料。电机依靠带电线圈产生的磁场与转子上的磁铁相互作用，从而产生转矩，使电机运转。电机的方向则由通电电流方向的不同而决定，因为电流的方向会影响线圈带电后的磁场方向。改变电流方向即可改变永磁式步进电机的转向。其工作原理是依据线圈电流方向和磁铁磁场之间的相互作用，实现电机的转动控制。
永磁式步进电机具有许多优点，包括励磁功率小，效率高，运行平稳等。该电机的励磁电流相对于其他类型的步进电机要小，在持续运行时能够显著节约能源。此外，由于该电机的设计相对简单，使用的材料成本也较低，因此造价比较便宜。此外，永磁式步进电机的运行平稳且噪音较小，可以满足许多应用场合的需要。 尽管永久磁铁间的磁化间距比较难量测，同时也容易受到周围环境等因素的影响，但是通过设定较大的步距角来保证电机稳定性，从而实现电机良好的运行和准确的控制。
（2）反应式步进电机
反应式步进电机是传统步进电机之一，利用定子线圈产生的电磁脉冲场与转子上的软磁材料互动，产生旋转运动。该电机结构简洁，成本很低，步距角控制相对小。主要其设计缺陷导致的动态响应较差、效率低、容易发热且可靠性不高。由于有机械接触和摩擦，其运行时声音也偏大。另外，该类型步进电机在高速工作时精度容易下降，而且电机的控制需要使用专门的驱动器，不易进行自主控制。
（3）混合式步进电机
混合式步进电机将永磁式和反应式步进电机的优点相结合设计而成，该电机与反应式步进电机相比，其转子具有更强的磁性，因此能够产生更大的转矩，其步距角也相对较小。由于其磁力比较强，因此混合式步进电机的定位精度和控制能力均比较强。这种电机由于其设计特点，可以在低速方面发挥比较好的性能，并且精度也比较高，因此通常用于数控机床等方面。总的来说，混合式步进电机拥有许多优点，比如具有高转矩、较高精度、步距角小等特点，因此在自动化控制领域有着广泛的应用前景。
此次设计选择用的是28BYJ-48型步进电机属于永磁式步进电机。

本设计我们选择了28BYJ-48型四相五线减速步进电机。这款电机在空载状态下耗电量低于50mA，并带有64倍减速器，可以输出较大的扭矩，非常适合作为实验开发板的驱动器，特别是对于需要承载重负载的情况。
2.1.4 步进电机的主要性能指标
（1）步距角
步进电机的控制系统通过输入电脉冲信号来产生运动，此时转子旋转的机械角度称为步距角。步距角的大小会对步进电机的运转频率和启动特性产生影响。由于步距角度的变化不会长时间累积，仅依赖于输入的脉冲数量，因此，可以构成结构简单但精度一般的开环控制系统，也可以构成高精度的闭环系统。一般情况下，步距角越小，加工精度就越高。
（2）最大静转矩
步进电机的最大静态扭矩是指在一相通电的状态下，电机所能承受的最大外部转矩，也就是能够输出的最大电磁转矩。它是衡量步进电机负载能力的指标。一般来说，步进电机的最大静态扭矩与电流成正比，电流越大，最大静态扭矩越大，能承受更重负载，速度和稳定性更好。
（3）静态步距误差
静态步距误差是指步进电机空载时所测的步距角与理论的步距角之差。这一偏差是由于外部因素如电磁转矩的不均匀所导致，难以消除，只能通过不断地提升加工精度来降低。通常在空载情况下进行测定，静态步距角越小，表示电机精度越高。
（4）启动频率和启动矩频特性
步进电机的启动频率是指在无负载状态下，从静止开始突然启动并能够不失步地正常运行时允许的最大频率。启动矩频特性则是指在有外部负载扭矩的情况下，步进电机能够接受的最大阶跃脉冲输入频率和负载扭矩之间的对应关系，以保证步进电机的启动顺利并不失步运行。
（5）运行频率和运行矩频特性
运行频率是步进电动机从启动到平稳运转期间，其工作的最大值，在此值范围内，持续提高其工作的脉冲频率，而不会出现停顿现象。在步进电动机上电时，运行频率是反映其在定子线圈上电时，工作速度的一个主要指标。
运行扭矩频率特征是在电动机有负荷运转时，其工作频率和负荷扭矩的变化规律。这是反映步进电动机在带载情况下，能够承载多少负荷的一项关键性能指标。
2.2 硬件设计方案
2.2.1控制系统设计
（1）基于电子电路的控制
步进电机具有接收数字信号的特点，因此广泛应用于数字控制系统中。其中，硬件电路控制方式是相对常见的方式，它由数字逻辑单元组成的电子电路实现。这种方式具有电路结构简单、可靠性高、性能稳定等优点，能够满足基本的控制要求。然而，它也存在明显的局限性，例如功能较为单一，电路的功能无法更改，需要重新设计电路才能改变控制系统的功能，缺乏灵活性。系统组成如图2-3所示：

图 2-1 基于电子电路控制系统
（2）基于单片机的控制
基于单片机的步进电机控制采用软硬件相结合的方式，具有灵活可靠、功能多样等优点。如使用外围电路可实现步进电机的正反转、加减速、暂停等操作，并可通过显示电路显示状态。但系统硬件设计相对复杂，电路设计工作量也较大。系统组成如图2-4所示

图 2-2 基于单片机控制系统
（3）基于PLC的控制
作为目前工业领域中最广泛使用的一种自动化控制系统，PLC控制方式具备多种优势。首先，它采用了计算机技术，输出方波脉冲控制步进电机，使控制过程更加准确和高效。其次，软硬件环形分配器在各自的领域内表现出不同的优点和缺点。软件环形分配器虽然占用PLC资源较多，但电路结构简单，便于编程和维修；而硬件环形分配器则资源占用较少，但安装成本相对较高。最重要的是，PLC控制方式具有非常强的抗干扰能力和可靠性，使其在各种复杂工业环境下都能够稳定运行。然而，PLC控制方式在高频率下可能会出现精度较低的问题，需要针对具体情况进行调整和优化。根据需求，本设计决定采用基于单片机控制的方案来控制步进电机，经过对比上述三种控制系统方案，该方案更加灵活、可靠，且可以扩展更多外围电路来增加控制系统的多样性。
2.2.2总体设计框图
单键驱显电源控制系统（步进电机）由单片机、键盘控制模块、电机驱动模块、数码显示模块以及电源模块五个部分组成。键盘控制模块、电机驱动模块和数码显示模块是本次设计的重点。按键作为一个外部中断源，设置了步进电机的正反转、加减速、启停等功能，按键按下后，单片机检测到信号调用相应的按键程序控制驱动芯片ULN2003，进而控制步进电机，同时显示器显示正反转、速度等级等状态。
2.2.3单片机最小系统
STC89C51是一种可编程的8051核心芯片，工作频率高达80MHz，内置4kB Flash，可反复擦写10000次。它兼容标准的MCS-51指令集和80C51引脚布局，同时具备通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。通过PC控制程序，用户可以轻松地将程序代码下载到单片机中，无需使用通用编程器，速度也更快。简称：STC89C51。
图2-5是单片机最小系统电路图，是整个设计核心，它确保了基于单片机的其他功能能够扩展和实现。

图 2-5 单片机最小系统

3 控制系统的软件设计

在本次设计中，主程序采用了查询模式，实现了键盘的实时处理功能。为此，固定周期地扫描键盘端口，并检测是否有按键按下。当有按键按下时，程序会即时响应，根据修改后的参数值完成对键盘输入的实时处理。
同时，定时器T0中断服务程序也是本次设计的重要部分，用于控制步进电机的转速。具体而言，程序会根据当前显示的速度值，手动修改T0定时时间常数，并设置TH0和TL0的值，从而实现对步进电机转速的精准控制。此外，根据转动方向控制位的值，程序还可以控制脉冲信号的循环移动方向，从而实现步进电机转动方向的控制。这样，通过综合运用定时器、控制位和具体参数值的处理等措施，可以实现对步进电机的精密控制。
3.1 程序主流程
本系统确认上电复位之后，必须先要将必要参数确定初始化，然后再菜单查询，等待操作，按键按下后，程序便进入调用相应的子程序运行，主程序流程图如图3-1。

图 3-1主程序流程图

4 系统的组装与调试

系统的组装过程如下：
1）电解电容的注意事项
电解电容有正负极之分，所以焊接前需要判断其正负极，可以通过外观辨别，两种方法。一种是通过二极管的外观来识别，负极一般会有一条斜长的标志，也可以通过引脚的长度进行判断，长的一侧连接正极，短的一侧为负极。如果外观不明显时，就需要通过仪器进行测量了，将电容并在电源的输出端，通过观察电流表，来判断，当显示电流大是则说明该电容的正负极与电源相反。
（2）28BYJ48步进电机的接线
该步进电机一共有5根线，依次为红、橙、黄、粉、蓝5根线。其中红线为电源线，需要与+5V电源相连，其他4根则必须依次接ULN2803A的输出端，不能出错，不然会导致步进电机转动异常，甚至出现无法转动的情况。
（3）芯片供电
在给芯片上电之前必须再次检查一遍是否将供电的接线接反了，如是应及时纠正，如若不是则可以正常上电。
（4）延时参数的设置
当延时参数设置过小或者过大时均不能正常工作，应逐级改变延时参数的数值，测试出其正常工作的参数范围
完成进行调试：
在电路板焊接完成后，需要将事先编写好的程序文件烧入单片机芯片。之后，需要对实际物品进行检查，以确保它能够正确实现设计时所预想的功能。如果实际效果与预想的功能不完全一致，就需要检查系统的软硬件设计方案，并进行修改。这个过程需要不断尝试和调整，直到符合设计的要求为止。这是一个关键的步骤，旨在确保系统能够稳定运行，达到预期的目标。

5 结论

本文围绕着基于51单片机的步进电机控制系统设计，通过查阅文献和仿真，完成了以下工作：
（1）绘制电路原理图设计考虑元器件选型、电源供应和接口。符号库、连线方式等要遵循规范。程序编写需明确功能和硬件软件选型。定义、子程序、溢出及精度问题需注意。结构化设计有助于提高代码可读性、扩展性和维护性。
（2）按键控制步进电机各种转向/开始/停止等。
（3）该系统中的四位数码管能够显示当前步进电机的状态信息。其中，第一位可以显示电机的转动方向，而第二和第三位则可以显示当前的转速档位。
（4）四个红色LED指示电机转速
综上，本次设计达到了预期设计目标，具有一定的实用价值。

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