安工步进电机控制系统毕业论文 - 图文

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 专 科 毕 业 论 文

步进电机控制系统

Stepping motor control system

系（院）名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称：

2013年 5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

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作者签名： 日 期：

目录

中文摘要、关键词.................................................... 1

英文摘要、关键词 ................................................... 2 引 言 .............................................................. 3 第一章 步进电机概述................................................ 4

1.1步进电动机的特点 .............................................. 4 1.2步进电机控制系统 .............................................. 4

第二章 方案的论证 .................................................. 5

2.1 步进电机的选择 ................................................ 5 2.2 单片机的选择 .................................................. 5 2.3 步进电机驱动电路的设计 ........................................ 5 2.4 数码管显示电路的设计 .......................................... 6

第三章 硬件电路设计................................................ 8

3.1 硬件设计思路 .................................................. 8 3.2总体设计框图 .................................................. 8 3.3单片机系统 .................................................... 9 3.3.1 单片机概述 .................................................. 9 3.3.2 AT89S52单片机 ............................................. 10

3.4 步进电机 ..................................................... 15 3.4.1 步进电机概述 ............................................... 15 3.4.2 步进电机的特性 ............................................. 16 3.4.3 步进电机的种类 ............................................. 16 3.4.4 永磁步进电机的控制 ......................................... 17 3.4.5 与直流电机的比较 ........................................... 19

3.5 外围电路设计及分析 ........................................... 21 3.5.1 键盘控制电路 ............................................... 21

3.5.2步进电机驱动电路 ........................................... 23 3.5.3 LED数码显示电路 ........................................... 24

3.6 步进电机控制系统电路图 ....................................... 26 3.7 步进电机控制系统实物图 ....................................... 27

第四章 软件设计 ................................................... 28

4.1 程序设计思路 ................................................. 28 4.2程序流程图 ................................................... 28 4.2.1 主程序流程图 ............................................... 28 4.2.2 读键盘子程序流程图 ......................................... 29 4.2.3 键盘处理子程序流程图 ....................................... 30 4.2.4 电机控制中断程序流程图 ..................................... 30 4.2.5 数码显示中断程序流程图 ..................................... 31

第五章 调试与改进 ................................................. 33

5.1 调试与改进 ................................................... 33 5.2 运行结果 ..................................................... 34

结 论 .............................................................. 35 致 谢 .............................................................. 36 参考文献 ........................................................... 37 附录1 .............................................................. 38 附录2 .............................................................. 39

步进电机控制系统

摘 要：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，它广泛用

于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括单片机最小系统、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块等功能模块的设计，以及硬件电路在电路板上的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

关键词： 步进电机、单片机、转速控制、方向控制

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Stepping motor control system

Abstract：With the development of microelectronics and computer technology, stepping motor demand grows day by day, it is widely used in the printer, electric toys consumer products and NC machine tools, industrial robots, medical equipment and other mechanical and electrical products, the national economy in various fields have application. The stepping motor control system, to improve the control accuracy and response speed, save energy and so on all has the important meaning.

The design of the control system, the hardware design and software design of two parts. Among them, the hardware design includes single chip microcomputer minimum system, the keyboard control module, stepping motor drive module, digital display module function module design, and hardware circuit in the realization of the circuit board. Software design including the main program and each module control program, and ultimately realize the stepping motor rotation direction and rotational speed control, and stepping motor rotation speed dynamic display on LED digital tube. This system has the intelligent, practicability and reliability of the characteristics.

Key words：Stepping motor; single-chip microcomputer; speed control;direction control

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引 言

步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。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，当有脉冲输入时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。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

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第一章 步进电机概述

1.1步进电动机的特点

一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

1.2步进电机控制系统

设计的步进电机控制系统有以下功能： 1. 步进电机的启停控制 2．步进电机的正反转控制 3. 步进电机的加速控制 4. 步进电机的减速控制 5. 步进电机转速的动态显示

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第二章 方案的论证

2.1 步进电机的选择

方案一：选择反应式步进电动机（VR）。

采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。

方案二：选择永磁式步进电动机（PM）。

转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

方案三：选择混合步进电动机（HB）。

这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

由于永磁式步进电机的动态性能比较好，而且结构相对比较简单，价格适中，是电子业余爱好者中常用的步进电机。故在此选用永磁式步进电机。

2.2 单片机的选择

方案一：选择ARM7TDMI S3C44BOX单片机

S3C44BOX单片机包含ARM7TDMI处理器。ARM7TDMI处理器是ARM公司通用的32位微处理器家族的成员之一，是一种高性能、廉价、低功耗的RISC处理器，同时又具有非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。 方案二：选择AT89S52单片机

AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。它的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于AT89S52的结构简单、价格适中、高性能，故在此选择AT89S52单片机。

2.3 步进电机驱动电路的设计

方案一：使用多个功率放大器件驱动电路

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通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。

方案二：使用ULN2803八NPN达林顿连接晶体管驱动电机

ULN2803八NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。广泛用于计算机，工业和消费类产品中。所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容。

由于ULN2803八NPN达林顿连接晶体管的结构简单而且能为步进电机提供脉冲信号，进而将脉冲转化为步进角度，从而能控制步进电机转动。故选择ULN2803八NPN达林顿连接晶体管作为所需单片机。

2.4 数码管显示电路的设计

方案一：共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

方案二：共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。在本设计中所采用的是共阳极LED数

码显示器，其内部结构如图2-12所示：

图2-12 LED数码管结构图

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在本设计中，数码显示电路通过交替向P2.6和P2.7输出低电平，使得与这两个端口连接的三极管交替导通，从而为数码管提供电源，也实现了数码管的动态扫描。通过P1口输出段选信号，控制了数码管显示的内容。

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第三章 硬件电路设计

3.1 硬件设计思路

步进电机控制系统共分为四个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、步进电机驱动模块。

单片机最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

键盘控制模块包括启停键、方向控制键、加速键和减速键，分别与单片机的P2.0、p2.1、p2.2和P2.3相连。实现对步进电机的控制。并且键盘上连接有发光二极管，以指示键盘状态。

数码显示模块采用共阳极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利用三极管为数码管的com端提供高电平。单片机的P1口提供数码管的段选信号，P2.6和P2.7控制数码管的位选信号。

步进电机驱动模块选用八NPN达林顿连接晶体管2803为步进电机提供脉冲信号，驱动步进电机转动。该模块与单片机的P3.4—P3.7相连。

3.2总体设计框图

总体设计框图如图2-1所示。

键盘控数码显示AT89S52 图2-1总体设计框图

电机驱动

说明如下：

1.单片机接受键盘信息，改变系统内部变量值。

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2.单片机输出脉冲信号，控制步进电机转动。

3.单片机根据步进电机实际转动值，控制数码管显示。

3.3单片机系统

3.3.1 单片机概述

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。

近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，8051系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS –51系列中的8051内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、At mel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051的许多特性。这样，8051就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为8051系列。8051单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。

单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O

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接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。

单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域 ，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 3.3.2 AT89S52单片机

8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。

很多公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89S52， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的89S52指的是ATMEL公司的 AT89S52单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入），AT89S52的性能相对于8051已经算是非常优越的了。

AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。它的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控器， AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

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图2-2 AT89S52引脚图

单片机内部结构图为如图2-3所示：

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图2-3单片机内部结构图

1．主要特性：

?与MCS-51 单片机产品兼容 ?8K字节可编程flash存储器 ?寿命：1000写/擦循环 ?全静态工作：0Hz-33Hz ?三级加密程序存储器 ?256*8位内部RAM ?32可编程I/O线 ?三个16位定时器/计数器 ?八个中断源 ?全双工UART串行通道 ?低功耗空闲和掉电模式 ?看门狗定时器 ?双数据指针 2．管脚说明： VCC：供电电源。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高

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八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如表2-1所示：

表2-1 P3口的部分功能口 口管脚 P3.0 RXD P3.1 TXD P3.2 /INT0 P3.3 /INT1 P3.4 T0 P3.5 T1 P3.6 /WR P3.7 /RD 外部数据存储器写选通 外部数据存储器读选通 记时器1外部输入 记时器0外部输入 外部中断1 外部中断0 串行输出口 备选功能 串行输入口 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位信号输入端。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于两个机器周期的高电平是，就可以完成复位操作。下图所示的复位电路兼有上电复位和按钮复位的双重功能，并且在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，增强了复位

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电路的抗干扰能力，二极管的起到快速泄放电容电量的作用，满足短时间多次复位操作的需求。

图2-4 复位电路

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 晶体震荡器电路如图2-5所示，

图2-5晶体震荡器电路图

3．振荡器特性：

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XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

4．芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89S52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

因此在本次设计中用AT89S52来作为该系统的核心处理芯片。 如图2-6：

P1.0-p1.7接数码P3.4-P3.7接电机驱EA接+5v X1,X2接晶振AT89S52 P2.0-p2.3接键盘控Reset接复P2.6,P2.7接数码管

图2-6 AT89S52外围电路图

3.4 步进电机

3.4.1 步进电机概述

步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，

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其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。

使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。

正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 3.4.2 步进电机的特性

步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说，步进电机有如下优点：

1．不需要反馈，控制简单。

2．与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。 3．没有角累积误差。 4．停止时也可保持转距。

5．没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。 6．即使没有传感器，也能精确定位。

7．根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点。 8．难以获得较大的转矩 9、不宜用作高速转动

10．在体积重量方面没有优势，能源利用率低。

11．超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 3.4.3 步进电机的种类

目前常用的步进电机有三类： 1、反应式步进电动机（VR）。

采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。

2、永磁式步进电动机（PM）。

转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的

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吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

3、混合步进电动机（HB）。

这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。 3.4.4 永磁步进电机的控制

在本设计中，我们以常用的永磁式步进电机为例。来介绍如何用单片机控制步进电机。图2-7是35BY型永磁步进电机的外形图，图2-8是该电机的接线图。

图2-7 35BY型永磁步进电机外形图 图2-8 35BY型永磁步进电机接线图 从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有 5根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将 COM 端标识为C，只要 AC、AC、BC、B C，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将 COM 端接正电源，那么只要用开关元件（如三极管） ，将 A、 A、B、B轮流接地。表2-2 列出了该电机的一些典型参数：

表2-2 35BY型永磁步进电机参数

型号 35BY48S03 步距角 7.5 数 4 相压 12 电流 0.26 7 电阻 4电最大静转距 180 定位转距 65 转动惯量 2.5 有了这些参数，不难设计出控制电路，因其工作电压为 12V，最大电流为 0.26A，因此用一块开路输出达林顿驱动器（ULN2803）作为驱动，通过 P3.4~P3.7来控制各线

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圈的接通与切断。开机时，P3.4~P3.7 均为高电平，依次将 P3.4~P3.7 切换为低电平即可驱动步进电机运行，注意在切换之前将前一个输出引脚变为高电平。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间，而要改变电机的转动方向，只要改变各线圈接通的顺序。改变转速，只要改变 P3.4~P3.7轮流变低电平的时间即可达到要求，这个时间不应采用延时来实现，因为会影响到其他功能的实现。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。 按要求，最低转速为 20 转/分，而上述步进电机的步距角为 7.5，即每 48 个脉冲为 1 周，即在最低转速时，要求为960脉冲/分，相当于 62.5ms/脉冲。而在最高转速时，要求为 100转/分，即 48000 脉冲/分，相当于 12.5ms/脉冲。可以列出下表：

表2-3 步进电机转速与定时器定时常数关系

转速 单步时间(ms) TH0 120 62.5 59.52380921 52 56.81818122 82 54.34782623 09 52.08333324 33 4 425 50 48.07692326 08 46.29629627 28

3 44.64285718

TL0 F 29 33 3C 40 B6 74 59 80 C 52 59 50 EC 55 49

14 ? ? 13.44086093 22 13.29787294 34 13.15789495 74 13.02083396 33 12.88659797 94 12.75510298 04 12.62626299 63 2 D100 12.5 3 0 2 D8B 1 D14 1 D9B 0 D20 0 DA1 F D20 F ? C9C ? 表中不仅计算出了 TH1和 TL1，而且还计算出了在这个定时常数下，真实的定时时间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。 表中 TH1 和TL1 是根据定时时间算出来的定时初值，这里用到的晶振是 11.0592M。有了上述表格，程序就不难实现了，使用定时/计数器 T0为定时器，定时时间到后切换输出脚即可。 3.4.5 与直流电机的比较

输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。在此我们只讨论直流电动机。 1 直流电动机的分类

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型：

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a．他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，永磁直流电机也可看作他励直流电机。

b．并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

c．串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

d．复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 2、直流电动机的特点

a．调速性能好

所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。

b．起动力矩大

可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

c．可逆运行

当直流电动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时直流电动机可作为直流发电机运行。 3、直流电动机的工作原理

大致应用了“通电导体在磁场中受力的作用”的原理，励磁线圈两个端线同有相反方向的电流，使整个线圈产生绕轴的扭力，使线圈转动。

要使电枢受到一个方向不变的电转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换， 即进行所谓“换向”。 为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，

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就可以使电动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理。 4、直流电动机的控制

a．转动方向控制

转动方向控制有两种方法：1、改变磁场方向；2、改变电流方向（即改变电源的正负极）。

b．转速控制

直流电动机转速n=(U-IR)/Kφ 。其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。

直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。

PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的\占空比\，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。设电机始终接通电源时，电机转速最大为V max，且设占空比为D=t/T，则电机的平均速度Va为： VD=VmaxD。

由公式可知，当改变占空比D=t／T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。 在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。

3.5 外围电路设计及分析

3.5.1 键盘控制电路

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，

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利用了机械触点的合、断作用。

一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为5—10ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。

按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。

为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。其原理图如图2-9所示：

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图2-9键盘控制模块原理图

3.5.2步进电机驱动电路

本系统的设计目的为了高效控制步进电机的转动，因此需要将脉冲转化为步进角度，才能控制步进电机转动，我们在这里采用ULN2803为步进电机提供脉冲信号。

ULN2803八NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。广泛用于计算机，工业和消费类产品中。所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容。它的管脚连接图如图2-10所示:

图2-10 ULN2803管脚连接图

其主要特性为：

表2-4 ULN2803主要特性表

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步进电机驱动电路的工作过程是：首先从P3口输出00010001B，由于单片机与ULN2803连接只用到了P3.4—P3.7，所以ULN2803与单片机连接的四个管脚中只有一个管脚处于导通状态，其他管脚处于断开状态。这样就使得与ULN2803连接的步进电机只有一个引出端导通。通过循环左移或右移P3口的输出值，轮流给步进电机各引出端通电，即可实现步进电机的转动。设计如图2-11

图2-11 步进电机驱动原理图

3.5.3 LED数码显示电路

发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新型显示器件。在单片机系统中应用

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非常普遍。

LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。LED数码显示器有两种连接方法：

（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。

在本设计中所采用的是共阳极LED数码显示器，其内部结构如图2-12所示：

图2-12 LED数码管结构图

在本设计中，数码显示电路通过交替向P2.6和P2.7输出低电平，使得与这两个端口连接的三极管交替导通，从而为数码管提供电源，也实现了数码管的动态扫描。通过P1口输出段选信号，控制了数码管显示的内容。如图2-13所示：

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图2-13 数码显示电路

3.6 步进电机控制系统电路图

通过上述对步进电机控制系统设计与分析，步进电机控制系统总体设计电路如图2-14所示：

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图2-14 步进电机控制系统总体设计电路图

3.7 步进电机控制系统实物图

步进电机控制系统实物图如图2-15所示：

图2-15 步进电机控制系统实物图

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第四章 软件设计

4.1 程序设计思路

步进电机控制系统的软件需要同时完成读取键盘、处理键盘、控制步进电机转动、控制数码管动态显示等任务，这就必须通过中断技术来实现。

在本设计中，主程序采用查询方式扫描键盘端口，检测按键动作是否发生，若有按键动作则处理键盘，根据按键值修改相应参数值，实现键盘的实时处理功能。定时器0中断服务程序控制步进电机的转动：根据当前速度进行计算并查表得到T0定时时间常数，设置TH0和TL0的值，达到对转速精确控制的目的；根据转动方向控制位的值，控制脉冲信号循环移动的方向，达到对转动方向控制的目的。定时器1中断服务程序用来完成数码管动态显示当前转速的任务。

4.2程序流程图

4.2.1 主程序流程图

步进电机控制系统的主程序在对整个系统初始化后主要完成读键盘和处理键盘的功能，如图3-1所示：

开始初始化系统参数设置T0、T1读键盘等待中断处理键盘

图3-1 步进电机控制系统主程序流程图

系统上电复位后，先调用初始化子程序，对步进电机各端口，相关参数进行初始化，设置T0、T1工作方式控制字和时间常数。初始化完成后，步进电机处于停止状态，T0、T1定时器处于关闭状态。然后循环调用读键盘子程序和键盘处理子程序，等待中断，以便实现步进电机转动控制和转速的动态显示。

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4.2.2 读键盘子程序流程图

读键盘子程序流程图如图3-2所示：

开始读键盘与初始值比较不相等延时10ms再次读键盘与初始值比较不相等保存键值到临时变量读键盘相等相等与临时变量比较不相等保存临时变量值相等退出

图3-2读键盘子程序流程图

首先初始化实际键值参数为0FH，然后扫描P2口，与初始值比较，相等则说明没有键按下，不相等则软件消抖，以便确认是否真的有键按下。延时10ms后再次扫描P2口，第二次与初始值比较，若相等则表明前一次比较不相等是由抖动产生；如果相等则表明确实有键按下。此时保存键值到临时变量。接着第三次扫描键盘并与临时变量比较，若相等则循环，这是为了确保每一次按键只执行一次相应的处理程序。最后从临时变量取出键值送实际键值参数，为键盘处理子程序做准备。

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4.2.3 键盘处理子程序流程图

按键处理子程序流程图如图3-3所示：

开始取出键值P2.3是否按下否P2.2是否按下否P2.1是否按下否P2.0是否按下否退出是TR0取反，通过启停T0启停步进电机是取反方向控制位改变电机转动方向是修改速度参数值，加速是修改速度参数值，减速

图3-3键盘处理子程序流程图

键盘处理子程序开始时要从存放实际键值的参数中取出刚读取到的键值送到累加器A，依次判断累加器A的低四位。若检测到低电平，则说明与该位对应的按键按下，从而转到相应的处理子程序段，完成相应的操作，实现相应的功能后返回。若没有检测到高电平，则返回。

步进电机的启停控制通过启停定时器0来实现，因为定时器0控制着脉冲信号的输出，关闭定时器0也就阻止了脉冲信号的输出。 4.2.4 电机控制中断程序流程图

定时器中断0服务程序流程图如图3-4所示：

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开始保护现场根据当前转速查表设定TH0根据当前转速查表设定TL0判断转动方向控制位的值是0循环左移脉冲信号并输出是1循环右移脉冲信号并输出恢复现场退出

图3-4定时器中断0服务程序流程图

定时器中断0服务程序的中断时间由当前的转速决定。进入中断程序后，首先要保护现场，再根据当前速度进行计算并查表得到T0定时时间常数，设置TH0和TL0的值。然后判断转动方向控制位的值，如果是0则控制脉冲信号循环左移并输出，如果是1则控制脉冲信号循环右移并输出。最后恢复现场，返回，等待下次中断。

通过用当前转速控制中断时间，控制了脉冲的输出频率，也就到达了控制步进电机转动速度的目的；通过检测方向控制位的电平，选择脉冲信号的循环左移或循环右移，控制了步进电机各引出端的接通顺序，也就到实现了步进电机转动方向的控制。 4.2.5 数码显示中断程序流程图

定时中断1服务程序流程图如图3-5所示：

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开始保护现场P2.6置1，关闭个位数码管取出当前转速值，求出十位的值根据十位值查表取出段选信号并输出P2.7清0，显示十位延时1msP2.7置1，关闭十位数码管根据个位值查表取出段选信号并输出P2.6清0，显示个位重新设定T1初始值恢复现场退出

图3-5定时中断1服务程序流程图

数码显示中断程序的定时时间为1ms。进入中断程序后，首先要保护现场，然后关闭个位数码管，根据当前转速求出十位与个位的值。查表得到十位的字段码送P1口，控制十位上的数码管显示。然后延时1ms，接着关闭十位数码管，查表得到个位的字段码送P1口，控制个位上的数码管显示。最后重新设置定时时间，恢复现场并返回。

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第五章 调试与改进

5.1 调试与改进

在系统完成后测试系统，检查硬件和软件是否能够协调运行，并对系统出现的情况进行分析，看是否能够达到系统创作之初所设想的效果，如达不到则重新修改系统的硬件结构或者修改软件的程序部分，直到达到设计需要为止。

本系统的设计思路为：首先从整体上划分出各功能模块，然后硬件和软件同时进行依次完成各个功能模块，最后将各个模块联系起来完成整个系统。

在硬件调试的过程中，遇到了很多问题。主要有：

1.设计好单片机最小系统后，上电复位，程序不能正常运行，检查后发现单片机的31引脚未接高电平。31脚为内外程序存储器选择控制端，当保持低电平时，只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器；31脚保持为高电平时，单片机优先访问内部程序存储器，PC值超出内部程序存储器最大值时才执行外部程序存储器内的程序。修改电路板，使单片机31引脚接上高电平后问题解决。

2.键盘设计完成后，在多次运行过程中发现按键是否按下难以直观准确判断，在此处进行改进设计，为每一个按键接上一个发光二极管，当有键按下时，相对应的发光二极管变亮，使得按键动作形象直观。

3.LED数码管设计完成后，调试过程中发现两个数码管显示较暗，并伴有闪烁，检查电路板后发现，两个数码管的公共端被一小滴焊锡连接在一起，从新焊接数码管的公共端后，问题解决。

软件测试的时候也有些问题，主要有：

1.键盘程序段设计完成后，调试运行，当按下加速键后，速度迅速增加到最高转速，多次调试问题没有解决，最后在老师的帮助下，发现键盘触发方式为电平触发，增加相应程序代码，将电平触发修改为边沿触发，从新运行程序，问题得到解决。

2.控制步进电机转动的程序段完成后，调试发现对步进电机速度的控制范围过小，查阅资料后发现设计思路不太合理，原先的设计思路是用主程序控制步进电机转动，采用延时方式控制步进电机速度，由定时器处理键盘；随即改进程序，主程序用来处理键盘，由定时器控制步进电机转动，步进电机转动速度由定时器定时时间决定。问题得到解决，不仅扩大了步进电机速度的控制范围，也使得单片机对步进电机速度的控制更加

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精确。

5.2 运行结果

连接好硬件电路，上电复位，程序开始运行。此时步进电机不转动，LED数码管不显示；按下启停键，步进电机开始转动，LED数码管显示数值25，即当前步进电机的转速为25转/分；此时每按下加速键一次，LED数码管显示数值加1，步进电机转动速度相应增加；此时每按下减速键一次，LED数码管显示数值减1，步进电机转动速度相应减少，直到减少到最低转动速度20转/分时不再减少，；此时若按下方向控制键，步进电机立即向相反方向转动，转动速度保持不变；此时若按下启停键，步进电机停止转动，LED数码管停止显示；若再次按下启停键，则步进电机按照停止前的速度和方向转动，LED数码管显示的速度也与停止前相同。运行结果正常，符合设计要求。

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结 论

经过老师耐心细致的指导，经过近一个月的努力，本次毕业设计课题步进电机控制系统告一段落。步进电机控制系统主要分为硬件设计和软件设计两个部分：

硬件设计主要是把单片机最小系统、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块等各个硬件功能模块及其它元件合理搭配并连接起来使其能够为软件运行提供一个硬件平台。

软件设计主要是通过编写程序代码，实现对整个系统的控制。在系统上电复位后程序自动运行，通过接受外部的键盘操作修改系统参数值，控制步进电机的启停，以及转速的增减和转动方向的改变；定时器T0根据系统参数控制步进电机的转动；定时器T1实现步进电机转动速度的动态显示。

本系统具有相当的实用功能,能基本符合实际应用需求，本次设计由于设计时间较短，个人能力以及精力等因素的限制，加之设计经验的不足，该系统还有许多不尽如人意的地方。该系统未能完全的实现设计的所有功能。如：利用键盘输入转速值实现转速的控制，动态设置最低转速和最高转速等。

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致 谢

经过老师耐心细致的指导，经过近一个月的努力，本次毕业研究课题步进电机控制系统告一段落。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

通过这次毕业研究，使我从一开始对系统的不太熟悉，到能开发一个简单的系统，在这整个过程中我学到了很多东西，掌握了一些常用的开发技能,也发现了大量的问题，有些在研究过程中已经解决，有些还有待今后慢慢学习。只要学习就会有更多的问题，有更多的难点，但也会有更多的收获。

近一个学期的研究，使我受益匪浅。我不仅了解了把理论设计转换成现实实物的整个过程。如：电路设计、分析计算、画电路图、焊接电路、检查调试、软件流程控制、编写调试软件、烧写软件到整个软硬件系统的调试，最后直到系统完成。为我以后的设计打下了一个好的基础。而且使我更加熟悉了整个研究的过程和一些软件及硬件设备的使用。对我以后面对这方面的工作有了很大的帮助。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ddn3.html