(完整版)基于单片机控制的步进电机调速系统的设计开题报告

一、课题简介（基本内容）：

1 步进电机的概念 

步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。

2 步进电机的分类 

步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；反应式步进一般为三相，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。在欧美等发达国家80 年代已被淘汰；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。这种步进电机的应用最为广泛。

3 步进电机的调速的控制原理 

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。如图 2 所示步进电机是数字控制电机，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，因此非常适合于单片机控制。

4  步进电机调速控制方法的应用及原理 

实现步进电机升降速控制的方法有很多 比较常见的有以下种：1直线形加减速控制。这种方法计算简单、节省资源。但是加速、匀速和减速过程不能光滑过渡 这样势必会影响系统的运行质量和寿命。所以此种方法适用于处理较慢 要求不高的场合2指数形加减速控制。这种方法符合步进电机的固有规律 但是计算实现比较麻烦 适用于处理速度要求较高的场合形3 S 曲线加减速控制。这种方法根据实际情况升速过程采用慢、快、慢的过程来控制步进电机 降速过程则正好相反。适用于平稳性要求较高的场合 

直线形加减速控制 匀加减速控制是指加速度保持不变，速度以线性规律上升或下降。这种控制方法软件实现比较简单，适应于速度变化较大的快速定位，但是这种方法不完全符合步进电机的速度变化规律，所以效果并不是很理想。 

指数形加减速控制 指数曲线控制是指在加速或减速时，步进电机的速度呈指数曲线变化。在开始时加速度最大，随着时间的推移，加速度逐渐减小，在理想情况下应该减小为零，这种方法符合步进电机的矩频特性，快速响应性能好，升降时间短，但当速度变化较大时平衡性比较差。

S 曲线加减速控制 S 曲线加减速控制速度呈抛物线变化。在加速启动时，加速度由大变小；在减速停止过程中，加速度由小变大，该法综合了匀加减速控制和指数曲线控制，充分利用步进电机本身特性，缩短了升降速时间，又具有较强的响应性，是一种比较好的方法。

5  单片机介绍 

早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用14－15。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用，32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80年代提高了数百倍。目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90年代中期的专用处理器。大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上，而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows 和 Linux 操作系统.

6  步进电机的调速的实现

步进电机的速度由单片机发送的脉冲频率决定，而脉冲频率可以通过软件延时和硬件定时两种方式实现。 通过调用标准延时子程序产生脉冲的方法称软件延时，该法首先设置两个字节作为延时程序的入口地址，再根据需要延时的时间长短给这两个字节赋值，则单片机就会按照设置的延时时间不断地产生脉冲信号控制步进电机转动。软件延时的方法程序简单、思路清晰，而且不占用单片机的硬件资源，但是在延时过程中一直占用着单片机的 CPU 的宝贵时间，CPU 不能处理来自外部传感器的各种事件。通过使用单片机的定时/计数器 T0 或 T1，定时产生脉冲的方法称为硬件定时，该法首先根据定时的时间长短设定定时器的工作模式，然后输入定时器的定时常数，则定时器就会定时溢出，单片机就会每溢出一次就产生一个脉冲信号控制步进电机转动。硬件定时的方法既需要硬件（定时/计数器 T0 或 T1），又需要软件来产生所需频率的脉冲信号，是一种软硬结合的方法，虽然占用了一个定时器，但是提高了 CPU 的利用率，CPU 在定时器没产生溢出时运行其它程序。

典型硬件定时程序如下所示：

NH EQU 0H

NL EQU E0H

定义输出脉冲时间的初始值

WIDTH EQU EOH 定义脉冲宽度变化值

CLOCK EQU 250 定义加速脉冲数目

START MOV TMOD ，00000001B

设定定时器工作方式

MOV TL0 ,#NL

MOV TH0 ，#NH

MOV R2 ，TL0

MOV R3 ，TH0

CLR F0

SETB EA

SETB ET0 设定定时器 0 允许中断

SETB P1.0

MOV R1 ，#02H

判断是否送出完整脉冲

MOV R4 ，#CLOCK

SETB TR0

AJMP  $ 开始计时，等待中断

TIME：

CLR P1.0

CLR TR0

MOV TL0 ，R2

MOV TH0 ，R3

DJNZ R1 ，X1 判断是否送完一个脉冲

MOV R1 ，#02H

JB FO ，X2 判断是否送完加速脉冲

MOV A ，#WIDTH

ADD A ，TLO

MOV TL0 ，A

MOV R2 ，A

MOV A ，TH0A

DDC A ，#0H

MOV TH0 ，A

MOV R3 ，A 16 位十六进制加法

DJNZ R4 ，X2

SETB R4 ，X2

X2： SETB P1.0 P1.01，再次计数

X1： SETB TR0

OUT： RET

END

二、课题需解决的主要问题及难点：

1、通过键盘可设定步进电机转速； 

2、通过“启动/暂停”键设定电机启停； 

3、通过“正向”和“反向”按键改变电机的转向； 

4、通过位置检测光耦和光码盘控制步进电机某一位置停转。

三、本课题拟采用的研究手段：

1.设计手段

    1、收集、整理相关本毕业设计的资料，熟练掌握单片机以及本设计相关的各类芯

片的引脚、电器元件的功能，做出设计方案，对各种方案进行比较，选出最优方案，做

好设计准备。 

2、利用protel dxp2004绘制各模块电路图以及系统整体电路图，理解电路原理，

掌握工作过程。 

3、编写本设计的C语言程序，并用模拟软件进行仿真运行，遇到问题时反复修改

直到调试出最终的正确结果。

2.设计思路

系统电路由电源电路、复位电路、位置检测电路、晶振、步进电机、按键电路、驱

动电路、单片机、显示电路等组成。 

由ATC51单片机送出时钟脉冲和方向电平到环形分配器PPM8713，PPM8713是专用的

步进电机的步进脉冲产生芯片,它适用于三相和四相步进电机。环形分配器输出三相脉

冲信号经一级光电隔离器与步进电机工作强电隔离，提高了系统抗干扰能力。使用功率

放大器来提供步进电机的工作电流,将光电隔离器传送的弱电信号变为强电信号送往步

进电机，步进电机能够正常运行。 

用按键设定步进电机的启停、转速、转向,改变转速、转向都可以在动态运行中进

行，转速数值及转向都在LED数码管中动态显示。单片机利用外部中断来检测光耦中断

口和键盘/显示器接口芯片8279中断口。系统框图如下：

参考文献：

1 克劳斯贝伊特，沃尔夫冈施姆希.基本电 路M.北京:科学出版社，1999 年 9 月.

2阎石.数字电子技术基础M.清华大学出版社，1983 年

3陆心如.数字信号处理原理及应用M.北京:电子工业出版社， 1996 年 6 月

4 童诗白.模拟电子技术基础M.人民教育出版社，1981 年

5 王福瑞,等. 单片机微机测控系统设计大全[M] . 北京:北京航空航天大学出版社,1998.

6陈理壁. 步进电机及其应用[M] . 上海: 上海科学技术出版社,19.

7刘保延,等. 步进电机及其驱动控制系统[M] . 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.

8 季维发,过润秋,严武升等. 机电一体化技术[M] .北京:电子工业出版社,1995.

9 郭敬枢,庄继东,孔峰. 微机控制技术[M] . 重庆:重庆大学出版社,1994.

10 刘国荣. 单片微型计算机技术[M] . 北京:机械工业出版社,1996.

11 王福瑞. 单片微机测控系统设计大全[M] . 北京:北京航空航天大学出版社,1998.

12 何立民. 单片机应用技术选编[M] . 北京:北京航空航天大学出版社,1993.

13 Vizimuller, P.: ‘RF design guide-systems, circuits, and equations’ (ArtechHouse, Boston, MA, 1995)

14 Guiyun Tian. Foumdation and Application pf Microcontroller. 2004

  学生签名：  2012 年 3 月  10  日

   该生研究思路正确，方法措施可行，课题研究工作量饱满，深度广度基本符合要求，有一定实用价值，同意开题。

           指导教师签名：         2012 年  3  月  10 日