基于单片机的步进电机伺服控制器的设计（参考论文）

成绩 基于单片机的步进电机伺服控制器的设计

题 目

课 程 名 称 院 部 名 称 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 毕业设计地点 毕业设计学时 指 导 教 师

【注：根据毕业设计大纲第四项具体要求撰写毕业设计报告】

目 录

1设计任务和要求 .................................................................................................. 3

2设计思路 .............................................................................................................. 4

3系统硬件设计 ...................................................................................................... 5

3.1 硬件电路的工作原理 ..................................................................................... 5

3.2步进电机模块 .................................................................................................. 5

3.3控制模块 .......................................................................................................... 6

3.4主要元件介绍： .............................................................................................. 6

4软件编程 ............................................................................................................ 11

5 调试过程与结果 ............................................................................................... 20

5.1正转结果显示： ............................................................................................ 20

5.1.1正转加速： ................................................................................................ 21

5.1.2正转减速： ................................................................................................ 21

6 总结与体会 ....................................................................................................... 24

7 参考资料 ........................................................................................................... 26

8 附录 ................................................................................................................... 26

1设计任务和要求

单片机毕业设计是考察学生利用所学过的专业知识，进行综合的电机控制系统设计并最终完成实际系统连接，能够使学生对电气与自动化的专业知识进行综合应用，培养学生的创新能力和团队协作能力，提高学生的动手实践能力。最终形成一篇符合规范的设计说明书，并参加综合实践答辩，为后期的毕业设计做好准备。

本次设计考核的能力主要有：

1) 专业知识应用能力，包括电路分析、电子技术、单片机、检测技术、电

气控制、电机与拖动、微特电机及其驱动、计算机高级语言、计算机辅助设计、计算机办公软件等课程，还包括本专业的拓展性课程如变频器、组态技术、现场总线技术、伺服电机等课程。

2) 项目设计与运作能力，团队协作能力，技术文档撰写能力，PPT汇报与

口头表达能力。

3) 电气与自动化系统的设计与实际应用能力。 要求完成的工作量包括： 1) 现场仿真演示效果。

2) 学生结合课题进行PPT演讲与答辩。 3) 学生上交课题要求的各类设计技术文档。

2设计思路

电路基本理论:

步进电机是一种将电脉冲转变为角位移的执行机构，通俗一点讲：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。可通过控制脉冲数来控制角位移量，从而达到准确的定位目的。通过对步进电机的软件设计和硬件设计包括步进电机的结构、原理及应用，根据原理和硬件的设计利用c语言编写程序，经过反复运行和调试，实现单片机对步进电机的控制。

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。

基于单片机和proteus的步进电机控制电路的基本组成如图所示：

根据设计要求，采用的方案如下。硬件部分实现电机转动，包括控制开关模块；电机转动模块。软件部分实现对步进电机的控制功能，主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动。电源驱动89C51单片机，在89C51中装

载程序，通过开关按键来输入信号，89C51向驱动电路提供信号使步进电机动作。

3系统硬件设计

3.1 硬件电路的工作原理

总电路图

通过对开关k1 k2 k3的开关，来实现对步进电机的正反转和停止，通过k4 k5来进行加减速，并且有相应的LED灯的显示。

3.2步进电机模块

功能：单片机输出的程序通过转换器和电机驱动器给步进电机一个脉冲信号，使步进电机实现正转与反转。

3.3控制模块

功能：通过控制台实现对单片机程序的开与关

3.4主要元件介绍：

3.4.1步进电机：

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。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。

步进电机28BYJ48：

步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信 号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。。。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC- CD-DA-AB-。。。），八

拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。）

四相步进电机有两种运行方式，一、四相四拍；二、四相八拍。

要想搞清楚四相八拍运行方式下步进电机的转速如果计算，需要先清楚两个基本概念。

1、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

2、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

这两个概念清楚后，我们再来计算转速，以基本步距角1.8°的步进电机为例（现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8°），四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过0.9°，如果每秒钟接收400个脉冲，那么转速为每秒400X0.9°=360°，相当与每秒钟转一圈，每分钟60转。 由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口，如下：

橙 1 1 0 黄 0 1 1 粉 0 0 0 蓝 十六制（P1口） 0 0x08 0 0x0c 0 0x04 0 0 0 0 1

1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0x06 0 0x02 1 0x03 1 0x01 1 0x09 所以可以定义正转励磁序列为A->AB->B->BC->C->CD->D->DA uchar code FFW[]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09}; //反转励磁序列为AD->D->CD->C->BC->B->BA->A

uchar code REV[]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01}; 步进电机28BYJ48的主要技术参数：

3、四相步进电机的脉冲分配规律

目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序 与波形分别如图1 a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。

3.4.2 89C51单片机

Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压‘高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。 89C51单片机部分引脚功能介绍：

XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在89C51 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。89C51/8031正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。

XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。 RST/VPD（9脚）：

RST：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。 RST/VPD（9脚）：

VPD ：RST引脚的第二功能，备用电源输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入该引脚，为RAM提供备用电源，以保证RAM中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。 EA/Vpp（31脚）：

Vpp：对8751片内EPROM固化编程时，编程电压输入端（12-21V）。 P0口：

漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。 P0口可作为一个数据输入/输出口；

在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线。 P1口：

带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。 P3口：

带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。

4软件编程

4.1主流程图

开始 按键 判断按键 （k2==0） If（k1==0） IfIf（k3==0） If（k4==0） If（k5==0） 正转

反转 停止 加速 减速 按键 4.2主要程序： #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code FFW[]= {

0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09 };

uchar code REV[]= {

0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01 };

sbit K1 = P3^0; sbit K2 = P3^1; sbit K3 = P3^2; sbit K4 = P3^3; sbit K5 = P3^4; void DelayMS(uint ms) {

uchar i; while(ms--) {

for(i=0;i<120;i++); } }

void SETP_MOTOR_FFW(uchar n) {

uchar i,j; int M=25;

for(i=0;i<5*n;i++) {

for(j=0;j<8;j++) {

if(K3 == 0) break; P1 = FFW[j]; if(K4 == 0) {

P0=0xf6; DelayMS(20); }

else if(K5 == 0) {

P0=0xee; DelayMS(100); }

else DelayMS(50); if(K4 == 1&&K5 == 1) {

P0 = 0xfe; } }

} }

void SETP_MOTOR_REV(uchar n) {

uchar i,j; int M=25;

for(i=0;i<5*n;i++) {

for(j=0;j<8;j++) {

if(K3 == 0) break; P1 = REV[j]; if(K4 == 0) {

P0=0xf5; DelayMS(20); }

else if(K5 == 0) {

P0=0xed; DelayMS(100); }

else DelayMS(50); if(K4 == 1&&K5 == 1) {

P0 = 0xfd; }

} } }

void main() {

uchar N = 50; while(1) {

if(K1 == 0) {

P0 = 0xfe;

SETP_MOTOR_FFW(N); if(K3 == 0) break; }

else if(K2 == 0) {

P0 = 0xfd; SETP_MOTOR_REV(N); if(K3 == 0) break; } else {

P0 = 0xfb; P1 = 0x03; } } }

4.3程序分块介绍：

4.3.1正反转的控制字设定： uchar code FFW[]= {

0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09 };

uchar code REV[]= {

0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01 };

本列4组步进电动机工作于8拍方式

正转励磁序列为A->AB->B->BC->C->CD->D->DA 反转励磁序列为AD->D->CD->C->BC->B->BA->A 正转：

sbit K1 = P3^0; 反转：

sbit K2 = P3^1; 停止

sbit K3 = P3^2; 加速：

sbit K4 = P3^3; 减速：

sbit K5 = P3^4; 4.3.2延时程序： void DelayMS(uint ms) {

uchar i;

}

while(ms--) {

for(i=0;i<120;i++); }

4.3.3正转部分

void SETP_MOTOR_FFW(uchar n) {

uchar i,j;

int M=25;

for(i=0;i<5*n;i++) {

for(j=0;j<8;j++)

{

if(K3 == 0)

P1 = FFW[j]; if(K4 == 0) { } else

{ } else

DelayMS(50); P0=0xee; DelayMS(100); if(K5 == 0)

//减速

P0=0xf6; DelayMS(20);

//加速 break;

}

}

}

if(K4 == 1&&K5 == 1) { }

P0 = 0xfe;

按照正转励磁序列A->AB->B->BC->C->CD->D->DA进行通电，转动n圈，在转动过程中，按下加速按钮，电机加速，对应的LED灯会亮，按下减速，电机减速，对应的LED灯会亮，如果按下停止按钮，会立刻停止转动，亮停止灯。 4.3.4反转部分：

void SETP_MOTOR_REV(uchar n) {

uchar i,j;

int M=25;

for(i=0;i<5*n;i++) {

for(j=0;j<8;j++)

{

if(K3 == 0)

P1 = REV[j]; if(K4 == 0) { } else

if(K5 == 0) P0=0xf5; DelayMS(20);

break;

}

}

}

{ } else

DelayMS(50);

P0=0xed; DelayMS(100);

if(K4 == 1&&K5 == 1) { }

P0 = 0xfd;

按照反转励磁序列为AD->D->CD->C->BC->B->BA->A进行通电，转动n圈，在转动过程中，按下加速按钮，电机加速，对应的LED灯会亮，按下减速，电机减速，对应的LED灯会亮，如果按下停止按钮，会立刻停止转动，亮停止灯。 4.3.5主程序： void main() {

uchar N = 50; //运转圈数

while(1) {

if(K1 == 0)

{

P0 = 0xfe; //LED1点亮，正转指示灯 }

SETP_MOTOR_FFW(N); if(K3 == 0) break;

//电动机正转

}

}

else if(K2 == 0) {

P0 = 0xfd; //LED2点亮，反转指示灯 } else {

P0 = 0xfb; //LED3点亮，停止指示灯 }

P1 = 0x03;

SETP_MOTOR_REV(N); if(K3 == 0) break;

//电动机反转

5 调试过程与结果

5.1正转结果显示：

5.1.1正转加速：

5.1.2正转减速：

5.2反转结果显示：

5.2.1反转加速：

5.2.2反转减速：

5.3停止结果显示;

在仿真过程中要注意元件的选择，还有仿真跟实物存在的差异，仿真的数据不一定就适合实物，所以要根据实物来进行修改，通过不断的调试才能符合要求，在连接电路时要看好引脚。

6 总结与体会

在做本次毕业设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在做单片机毕业设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。

其次，在这次毕业设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：CAD制图、汇编语言、模拟和数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次毕业设计的又一收获。后，要做好一个毕业设计，就必须做到：在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；

要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的毕业设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。

发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

通过这次毕业设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。

通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为一名自动化专业的学生，单片机的毕业设计是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。

虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。

我认为这个收获应该说是相当大的。觉得毕业设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。

7 参考资料

[1] 侯文霞. 变频调速技术在中央空调控制中的应用[J].机床电器.2002第二期.

[2] 韩常. PLC编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社,2005.

[3] 吴启红、胡洪、谭斌.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术—实操指导书.机械工业出版社，2007

[4] 岳庆来、周锋、吴启红、胡洪.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术.

机械工业出版社，2006

8 附录

总电路图：

7 参考资料

[1] 侯文霞. 变频调速技术在中央空调控制中的应用[J].机床电器.2002第二期.

[2] 韩常. PLC编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社,2005.

[3] 吴启红、胡洪、谭斌.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术—实操指导书.机械工业出版社，2007

[4] 岳庆来、周锋、吴启红、胡洪.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术.

机械工业出版社，2006

8 附录

总电路图：

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