基于单片机的步进电机控制系统设计开题报告

1.前言

    在电气时代的今天，电动机一直在现代的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现有的90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机.电动机与人们的生活密切相关，而步进电机作为机电一体化的关键产品之一，是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电动机。步进电机最大的特点是“数字化”，它是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机,其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例.通过改变电脉冲频率，可在大范围内进行调速.同时，该电机还能快速起动、制动、反转和自锁。此外，步进电机易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统.步进电机只需采用最简单的开环控制就可取得非常高的控制精度,且这种系统不需要反馈信号，系统硬件实施比较简单。

    采用低价的单片机控制系统，可直接对步进电机进行控制，省去了昂贵的专用步进电机控制器，简化了硬件线路，降低了成本，提高了系统的可靠性。

2.主题

步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易.以后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 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 ，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

单片机是现代电子技术的新兴领域，它的出现极大的推动了电子工业的发展。已经它成为电子系统设计中组为普遍应用的手段。近年来单片机技术得到了突飞猛进的发展,各种的单片机开发工具层出不穷，比如虚拟仿真技术。这种新型的应用技术,在原理图设计阶段就可以对对单片机应用设计进行评估，检验所设计电路是否能够达到要求的技术指标,功能需求，还可以通过改变电子元器件的参数达到是电路设计最优化的目的.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。由于它做成的产品外围器件少,但功能却十分丰富，单片机只需要与适当的软件和外部设备相结合便能成为一个单片机控制系统.手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1—2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。

单片机实现的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域。步进电机是数字控制电机,将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下,根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差,因此步进电机适用于单片机控制。步进电机通过输入脉冲信号进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲总数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。

    通过理论知识的学习，查阅相关资料,学会元器件选择，通过实际动手安装与调试有关控制电路等过程,掌握电子线路设计的很多方法。应用电子技术实现步进电机的控制功能得到广泛应用，可以起到巩固所学知识,加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的效果。

3.总结

根据该设计要实现的基本功能，需要按照以下步骤来实施.

1.翻阅设计电压表及语音播报功能的资料，熟悉应该设计的电路图和程序的设计，学习别人的设计方法。

2.在proteus上设计出原始的电路图并用keil编程软件写出初始的C程序，并进行不断地调试和改进。

3.将程序下载到仿真图里进行仿真，通过仿真的效果进行相关的调试和改进，力求达到完美的效果。

4.购买元器件进行焊接制作，并将程序下载到实物中的单片机中进行实际效果的调试，直到达到预期目的为止。

4.参考文献

    [1］ 阎石 数字电子电路[Z］ 北京：广播电视大学出版社 1992

    ［2］ 实用电子电路手册[M］ 北京:高等教育出版社 1992

    ［3] 童诗白 模拟电子技术基础[M] 北京：高等教育出版社1982

    ［4］ 李巡 MCS-51 系列微型计算机原理与应用[M]北京航空航天大学出版社2001，10-1

    [5］ 张毅钢 MCS-51 单片机应用设计[M］ 哈尔滨工业大学出版社2008，4-1

    ［6] 周航慈 单片机应用程序设计技术［M] 北京航空航天大学出版社2011,2-1

    ［7] 赵长德 李华 李东MCS—51/98 单片机原理与应用[M] 机械工业出版社1900，1—1

    ［8] 赵志英 张友德 单片微型机原理、应用与实验［M］ 复旦大学出版社2008,1-1

1. 研究的目的和意义

    步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机,其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例.通过改变电脉冲频率,可在大范围内进行调速。同时,该电机还能快速起动、制动、反转和自锁。此外，步进电机易于实现与计算机或其他数字元件接口，适用于数字控制系统。步进电机只需采用最简单的开环控制就可取得非常高的控制精度，且这种系统不需要反馈信号，系统硬件实施比较简单。

    采用低价的单片机控制系统， 可直接对步进电机进行控制,省去了昂贵的专用步进电机控制器,简化了硬件线路，降低了成本,提高了系统的可靠性，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。所以,研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义.

2. 论文综述

步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。20世纪60年代后期,在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电机在众多领域的应用.在近30年间，步进电机迅速地发燕并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步电机、以及同步电机并列，从而成为电机的一种基本类型。 

我国步进电机的研究及制造起始于本世纪50年代后期.从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80年代中期以来,由于对步进电机精确模型做了大量研究工作,各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。

目前，随着电子技术，控制技术以及电机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号,每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电机.从广义上讲，步进电机是一种脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电机。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种自动化控制系统中。

通过理论知识的学习,查阅相关资料,学会元器件选择，通过实际动手安装与调试有关控制电路等过程,掌握电子线路设计的很多方法.应用电子技术实现步进电机的控制功能得到广泛应用,可以起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的效果.

3. 研究的方案及理论依据

    结合《数字电路技术》 、《电子技术基础课程设计》 、《模拟电子技术基础》 、《单片机》等有关知识进行设计。

    论文的研究方法：按照设计要求及相关器件的原理进行研究和修改.

论文的研究内容：步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机,其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例。通过改变电脉冲频率,可在大范围内进行调速。同时，该电机还能快速起动、制动、反转和自锁.

步进电机控制程序设计的主要问题有三个:

    第一、控制脉冲产生；

    第二、步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系； 

    第三、步数的确定。 

    作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以从这三个问题入手： 

   (1）控制脉冲的产生 

    在单片机控制步进电机时，一般来讲,控制是用软件产生的。方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。延时时间的长短由步进电机的工作频率决定。 

   (2）步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系产生时序脉冲的方法是： 

    a.单片机的 IO 端口，分别控制三相步进电机的 A B C 三相绕组 

    b。控制模式写出控制模型 

    c。制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。 

   (3）步数的确定 步进电机运行的步数可由步距角和需要转过的角度来计算：

式中：－步距角

－转子齿数 

N－拍数（一般三拍时N=m或六拍时N=2m)

m－控制绕组相数,m=3

4。 研究条件和可能存在的问题

（1）研究条件:与步进电机控制系统有关的参考书籍和网络资源.

（2)可能存在的问题：电路设计可能存在偏差，实际结果不够精确。

5. 日程安排

      第2-4周、查阅文献、熟悉单片机及编程语言;

      第5-9周、完成系统硬件设计；

      第10-16周、完成系统软件设计；

      第17-18周、写毕业论文。

签名:             年    月    日

教研室主任签名:           年   月   日

2．开题报告分两部分，文献综述和报告正文。文献综述要6篇以上相关文章阅读量，报告正文（2500字）应包括选题背景、研究目标与任务、拟定方案路线、撰写提纲及实施计划等. 

3．开题报告一式三份，一份交院系装入毕业论文档案袋，一份交指导教师，一份学生自存.