毕业论文(设计)基于单片机的步进电机控制系统设计与研究.doc
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1、诚信声明本人郑重声明:本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的,在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名: 年 月 日毕业设计任务书设计题目: 基于单片机的步进电机控制系统设计与研究 系部: 机械工程系 专业: 机械电子工程 学号: 112021107 学生: 指导教师含职称: 副教授 1课题意义及目标 学生应通过本次毕业设计,综合运用所学过的根底理论知识,在深入了解步进电机工作原理的根底上,掌握单片机控制系统的设计,包括驱动器和上位机软件的设计,为学生在毕业后从事机电控制系统设计工作打好根底。2主要任务1根据设计要求,设计控制系统总体方案;2设计控制器硬件电路
2、,提交实物;3设计上位机软件;4调试;3主要参考资料1袁任光,张伟武.电动机控制电路选用与258实例M.北京:机械工业出版社,2005. 2李夙.异步电动机直接转矩控制M.北京:机械工业出版社,1998. 3王鸿钰.步进电机控制入门M.上海:同济大学出版社,1990.4张友德.单片微型机原理、应用与实验M.上海:复旦大学出版社,2005.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1前期准备及开题2021-03-022021-03-252整体方案的论证及检验2021-03-262021-04-153硬件电路的制作2021-04-162021-05-154软件及论文的编写2021-05-162021-
3、05-315论文的修改及毕业辩论2021-06-012021-06-05审核人: 年 月 日基于单片机的步进电机控制系统设计与研究摘 要:随着我国工业的快速开展,步进电机在很多领域受到了广泛的应用,对步进电机的控制要求也越来越高;步进电机作为一个动力元件,其控制器的好坏,直接影响到步进电机运行的稳定性,进而影响到整个系统。本文研究一种基于STC89C52RC单片机和L298N驱动芯片的步进电机控制系统的设计,控制系统可以控制步进电机以给定速度进行任意合理的角度的旋转,有按键输入模块和1602液晶屏显示模块进行人机交互,同时控制系统还可以选择通过串口和基于VB语言的上位机软件进行通信,进而控制步
4、进电机的运动。经调试,该系统可以实现预期的控制目标,驱动器也可以和上位机软件通信来控制步进电机,具有一定的实用价值。关键字:单片机,步进电机,串口通信,VB语言,L298NDesign and research of Stepping motor control system based on MCUAbstract: With the rapid development of industry in our country, Stepping motor is widely used in many areas, the control requirements of the Steppin
5、g motor is bec-oming high and higher. Stepping motor as a power element, its controller is good or bad, directly affect the stability of the stepping motor, and then affect the whole system. In this thesis, we study a control system of stepping motor which based on the STC89C52RC MCU and L298N drive
6、r chip, the control system can control a stepping motor at a given speed for any reasonable angle of rotation, key input module and 1602 LCD display module for human-computer communication, at the same time control system can also communicate with PC software based on VB la-nguage by a serial port ,
7、 it can also control the Stepping motor to move. After de-bugging, the system can achieve the expected target, and the controller can commu-nicate with the PC software to control the Stepping motor, and it has some practic-al value.Keyword: MCU, Stepping motor, Serial communication, VB language, L29
8、8N目 录1 绪 论11.1 步进电机及其开展11.2 步进电机在我国的应用及前景11.3 本设计要研究的内容22 总体方案设计32.1 步进电机控制原理32.2 步进电机的驱动32.2.1 基于电子电路的控制42.2.2 基于PLC的控制42.2.3 基于单片机的控制52.3 硬件方案的提出与选型62.3.1 单片机的选型62.3.2 显示模块的选型72.3.3 驱动芯片的选择83 硬件电路设计103.1 STC89C52RC单片机及外围电路设计103.1.1 STC89C52RC单片机管脚介绍103.1.2 STC89C52RC单片机最小系统123.2 显示模块设计133.3 电机驱动电路
9、设计143.4 电源稳压模块设计154 单片机软件设计174.1 Keil UV3软件使用174.2 主程序工作过程204.3 初始化程序设计204.4 步进电机控制算法设计224.4.1 步进电机的正反转224.4.2步进电机的调速234.4.3 串口接收函数编写244.5 显示程序设计254.6 键盘程序设计295 上位机软件设计335.1 上位机与下位机通信协议的制定335.2 串口通信控件使用346 系统调试与结果显示36参考文献38致谢391 绪 论1.1 步进电机及其开展步进电机是工业过程控制及仪表中主要执行元件之一1,又称阶跃电动机或脉冲电动机,步进电机在结构上和普通电机一样也是
10、由定子和转子组成,只是它具有像齿轮一样的突起相锲合的转子和定子,只需要开环控制,不需要昂贵的速度反响传感器和位置反响传感器就可以对角度和速度进行开环的较高精度的控制。步进电机以结构简单、稳定性好、相对本钱低廉而受到了人们的青睐。步进电机控制系统己经在国民经济、工业生产等领域有了广泛的应用2。步进电机定子本质上就是一个线圈,当线圈通电时,定子线圈便会产生一个磁场,又因为转子上有磁钢,线圈组成的定子的磁场方向与转子磁钢上的一对磁极的磁场方向会有一个夹角,步进电机转子便会转过这个夹角的度数。所以,只要按照步进电机要求的规律给电机定子通电,电机定子就会按照这个脉冲的规律轮流产生磁场,转子也就跟着磁场一
11、步一步地转动,在供应步进电机连续的脉冲时,步进电机便会连续旋转3。步进电机在近80年的开展历史中。依据其自身结构和工作原理出现了反响式、永磁式和混合式三种不同的种类。近年来磁阻式和永磁式步进电机由于他们各自的缺点而应用的越来越少;而混合式步进电机兼有二者的优点,所以得到了更加广泛的应用,并逐步代替前两种步进电机。1.2 步进电机在我国的应用及前景步进电机因为其众多突出的有点,广泛地应用在各种机电产品中。如使用在数控系统中,我国数控系统初期就是采用了结构简单、价格廉价的以单片机为数控系统核心,步进电机为执行元件的解决方案,很受我国广阔中小型企业的欢送。而且,采用步进电机作为执行元件,不仅可以应用
12、于经济型的开环数控系统,配合先进的检测和反响元件还可以组装成高精度的半闭环和全闭环数控,进而可以大大的提高加工精度。步进电机除了在数控系统中得到了非常广泛的应用,由于单片机近年来的快速开展,使得步进电机的控制发生了革命性的变革,控制电路简单、精度高、本钱低等优点明显的步进电机被广泛应用在许多场合中,例如打印机、存储器存取机构、卡片阅读机、通信和雷达设备、摄影系统、光电组合装置等。步进电机用途这么多,良好的控制性能对于步进电机来说也就极其重要了,对步进电机的控制系统的研究一直在进行着,步进电机早期的控制系统采用集成电路的控制回路,定型之后就不容易更改,消耗大量元器件、调试安装复杂,系统很难进行改
13、良和升级,而基于单片机的控制系统那么通过软件的算法来控制步进电机,能够更好地发挥步进电机的潜力4。1.3 本设计要研究的内容通过此毕业设计,可以对以前所学各种控制工程、机电传动等课程的根底理论知识进行综合,要求在深入了解步进电机工作原理的根底上,掌握单片机控制系统的设计流程,包括驱动器和上位机软件的设计,为学生在毕业后从事机电控制系统设计工作打好根底。1深入了解步进电机工作原理。2掌握单片机控制系统设计。3选择一款步进电机,设计其控制系统总体方案。4控制系统可以控制步进电机以电机允许的任意速度进行任意合理的角度的旋转。5设计一款小的上位机软件,控制器要和上位机软件进行通信,用上位机软件也可以控
14、制步进电机,控制器上要有模式选择即上位机控制模式和控制器本地控制模式功能。6设计控制器软硬件电路,最后提交实物。2 总体方案设计2.1 步进电机控制原理三相步进电机为结构原理见图2.1,电机的定子上有六个均布的定子线圈,每个定子线圈上有5个小齿,这样,定子上共有30个齿,相邻两齿之间夹角为12。转子是由由均布着40个齿的磁钢制成。且定子和转子齿距相同。由于定子齿数30个和转子齿数40个的比值不是整数,会有错位情况的发生,通电后便会有运动的趋势。利用电磁学原理, 在三项绕组中的某相绕组通电时, 相应的定子线圈产生磁场, 与转子磁钢形成的磁场相互叠加,如果此时转子与定子小齿有一个夹角,没有对齐的话
15、,在二者磁场的共同作用下, 转子就会转过这个夹角,使得二者对其,也就是走了一步。窗体顶端1-定子 2-转子 3-定子绕组图2.1 步进电机结构原理图 本次毕业设计采用的是两相四线制的精密42步进电机,其步距角可以小至0.9度,其工作原理与3相步进电机完全一样,价格更加实惠,实物图与一角硬币对照如图2.2。2.2 步进电机的驱动步进电机由于其特殊原理与构造必须加驱动电路才能工作,驱动电路将直接影响电机工作是否稳定,常用的步进电机驱动有基于电子电路的控制、基于PLC的控制、和基于单片机的控制三种5。图2.2 本毕业设计用到的步进电机实物图2.2.1 基于电子电路的控制基于电子电路的步进电机控制系统
16、中,电机需要的脉冲信号的产生和分配都需要由专门的电路实现。此种控制电路虽然电路设计简单,但是其功能依然功能强大。控制系统由三局部组成:脉冲信号的产生、分配电路和功率放大电路6。系统组成如图2.3所示。该方案大多通过大规模集成电路来实现,功能相对较单一,功能一旦实现,不容易更改,即使需要微调下控制方案,也必须需重新设计整个电路,因此灵活性不高。2.2.2 基于PLC的控制PLC也叫可编程逻辑控制器,是工业自动化上常用的控制器。基于PLC的控制系统通常由3局部组成,PLC是核心控制单元,通过对其编写程序来到达让其输出特定的脉冲;脉冲分配器,将PLC产生的脉冲按照步进电机需要的规律分配给各定子绕组对
17、应的功率放大器件,功率放大器件负责将脉冲信号放大,使得功率满足步进电机的驱动要求。图2.3基于电子电路控制系统一般情况下,采用PLC控制的步进电机多采用硬件的环形分配器,这样只需要使用少量的输出口就可以控制电机,也不占用PLC的定时器,PLC还可以完成很多其他的任务。假设果系统本钱预算很紧张,对速度要求也不是很高的情况下,可以采用PLC的梯形图软件模拟环形分配器的功能,这样虽然多占用PLC输出口和其他资源,但却节省了硬件上本钱。2.2.3 基于单片机的控制单片机由于价格低廉、使用简单、功能强大、型号众多而受到越来越广泛地应用,采用单片机来控制步进电机。可以到达对步进电机的最正确控制。系统中采用
18、单片机IO口直接去控制步进电机驱动芯片,用软件模拟环形脉冲分配器。由于单片机的处理功能较为强大,还可设计较为复杂的人机交互电路,按键作为输入工具,设置了步进电机正反转、角度、速度输入等功能,显示器及时显示正反转速度、角度等,同时还可用上位机软件控制,采用上位机模式和本地模式完成对步进电机的最正确控制。本方案有以下优点:(1)通过单片机硬件定时器0产生脉冲,用软件模拟环形分配器,软硬件结合,合理高效。(2)单片机可以在系统编程,对步进电机控制系统的升级和修改快速方便。(3)单片机的强大功能和快速的执行过程使的显示电路、输入电路。上位机通信电路等外围电路有机的组合,大大提高系统的使用舒适性。4采用
19、上位机模式和本地模式两种控制模式,适用范围更加广泛。2.3 硬件方案的提出与选型2.3.1 单片机的选型1STM32f103单片机STM32F1系列属于32位的ARM微控制器,是意法半导体公司出品的,其内核是Cortex-M3。 其工作频率可调,可以满足更多应用,最高可达72MHz,具有有单机器周期的乘法和基于硬件电路的除法运算功能,具有128K字节的Flash存储器,共12个DMA通道,有多个定时器,有AD和DA转化,有SPI,UART,USB,CAN等多个通讯接口。2STC89c52单片机STC89C52RC单片机是采用8051核的ISP在系统可编程芯片,其管脚分布兼容标准MCS-51,指
20、令系统也兼容,片内含8K 字节的的Flash只读存储器,可反复擦写10万次,便于系统屡次升级,可在系统编程,配合PC端的STC-ISP软件即可将用户的程序代码下载进单片机内部。采用PDIP-40的双列直插封装形式实物图如图2.4所示。便于使用万能板手工制作。图2.4 STC89C52RC单片机实物图STM32f103单片机功能及其强大,使用灵活,但因其价格比拟高,步进电机控制系统算法的运算量也不多,没必要用32位的处理器,而且STM32f103单片机功能强大意味着使用复杂,故不使用此单片机,STC89C52RC单片机因其使用简单,资料丰富,资源也足够步进电机控制系统使用,因而选用双列直插封装的
21、STC89C52RC单片机。2.3.2 显示模块的选型13.2寸TFT彩屏TFT显示屏因显示图像色彩丰富,分辨率高,显示速度快、亮度高等优点受到了广泛地应用,常用于 等数码产品和便携式设备中,由于其每个像素点都是有源的即每个像素点都可单独受控,所以其显示的色彩更加逼真,又叫真彩屏,其中3.2寸TFT彩屏常用在各种嵌入式设备中。实物如图2.5所示。图2.5 3.2寸TFT真彩屏 2数码管数码管也称LED数码管,早先常用的数码管都是7段数码管,后来随着人们对显示精度要求的提高,出现了7段数码管,可以多显示一个小数点,使得显示精度提高,显示内容更加丰富。数码管又分为共阴和共阳数码管,这是按照公共端的
22、连接方式来定的。以图2.7中共阳极数码管为例,数码管的公共端阳极接到+5V电源上,数码管的阴极串联限流电阻后接到单片机IO口上,当端口输出低电平时,对应的LED变回发光,高电平时不发光,例如给图2.6中b、c、f、g端口低电平,其他端口为高电平时,数码管b、c、f、g对应的LED发光,表示“4,以此类推,数码管可显示从0到9的数字及从a到f的字母。图2.6 数码管管脚图由于数码管的价格廉价、寿命高、使用简单、一般不会损坏,在电器特别是家电领域应用极为广泛。现在几乎所有人的家里都有数码管的影子。31602液晶屏1602液晶也叫1602字符型液晶。它分为上下两排、每排16个5X7的点阵,共可显示3
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