毕业设计-基于AT89C51单片机的步进电机控制及驱动电路设计.doc

基于AT89C51单片机的步进电机控制及驱动电路设计 引言 国内控制器的研究起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。总体上来说，国内研究取得很大的进步，但无论从控制器还是从控制软件上来看，与国外相比还是具有一定差距。 传统上由纯电路设计的步进电机控制和驱动电路一般较复杂，成本又高，而且一旦成型就难于修改，可移植性差，难以适应一些智能化要求较高的场合。单片机的普及与应用，为步进电机的应用开辟了广阔的前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，将会避免复杂电路的设设计，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性、可靠性及多功能性。 本文主要介绍了步进电机的基本原理及AT89C51单片机的性能特点。设计主要研究了一种基于AT89C51单片机和ULN2003驱动芯片的步进电机控制及驱动电路系统。该系统可分为：控制模块、驱动模块、显示模块、人机交互模块四大部分。其中采用AT89C51单片机作为控制模块的核心，利用单片机编程实现了对步进电机启动停止、正转反转、加速减速等功能的基本控制。驱动模块由芯片ULN2003A驱动步进电机工作；显示部分由七段LED共阴数码管组成；人机互换部分由相应的按键实现相应的功能。通过实际测试表明本设计系统的性能优于传统步进电机控制器，具有结构简单、可靠性高、实用性强、人机接口简单方便、性价比高等特点。 目录 1设计原理及方案 4 1.1 设计原理 4 1.2 设计方案 4 1.2.1 方案一 5 1.2.2 方案二 6 1.2.3 方案比较及选择 7 2 设计实现 8 2.1 主要元器件介绍 8 2.1.1 四相六线步进电机的介绍 8 2.1.2 AT89C51单片机芯片介绍 10 2.1.3 ULN2003芯片介绍 10 2.1.4 LED七段数码管介绍 11 2.2 步进电机控制及驱动系统电路设计实现 11 2.2.1 硬件设计 11 2.2.2 软件设计 16 3 电路调试 16 3.1 软件的仿真 16 3.2 硬件电路的调试 17 4 数据分析及总结 18 4.1 测试数据及说明 18 4.2 总结 19 参考文献 20 附录 21 1设计原理及方案 1.1 设计原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 1.2 设计方案 设计要求：设计步进电机控制器硬件电路图，并使用相应的软件实现硬件和软件的仿真、调试。实现功能如下： （1）控制步进电机实现正转和反转； （2）控制步进电机转速； （3）设计步进电机的脉冲放大电路，能驱动相电压位12V、相电流位为0.4A的步进电机工作； （4）实现对步进电机圈数的预置； （5）同步显示步进电机所转圈数及速度。 根据步进电机的特点，步进电机的控制及驱动电路系统的设计可以有不同的方案。系统可以划分为：控制模块、驱动模块、显示模块、人机交互模块及电源电路五大部分，如图1步进电机控制驱动系统图所示。为实现各模块的功能，分别对两种不同的设计方案分别进行论证及比较，最终确定一个最优方案。 图1 步进电机控制驱动系统图 1.2.1 方案一 方案一：基于FPGA的步进电机控制器及驱动的电路设计。整个系统分为五个部分组成:FPGA系统中央控制器、驱动电路及步进电机、光电编码器、键盘输入液晶显示部分、以及电源电路组成，如图2所示。此方案是用基于FPGA的系统中央控制器产生的PWM环形脉冲信号经过驱动电路的信号分配以及功率放大传送给步进电机实现对步进电机的角位置或直线位移控制。键盘用于设定给定转速、位置。采用光电编码器对步进电机的转速、位置进行采样检测实现闭环控制。以上过程中的多个变量、参数可以在液晶显示屏上得到直观地反映。 图2 基于FPGA的步进电机控制器及驱动系统图 （1）控制器模块采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少