基于-单片机步进电机控制_-开题报告书.doc

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师学院学士学位论文〔设计〕开题报告
学生
方 健
所在院系
机电与控制工程学院
所在班级
0801
指导教师
万里光
学生学号
41
专业方向
电气工程及其自动化
开题时间
2021．12.1
导师职称
讲师
论文题目
基于单片机的步进电机控制系统设计
文献综述：
前言局部
在现代工业和经济生活中，随着工业自动化的开展，电机的应用也越来越广泛，日益成为我们日常生活中不可缺少的一局部，无论是交通工具，还是家用电器都离不开电机的运转。步进电机作为电机的一种，可以靠开路控制做准确的定位，在一些重要的领域有着普通电机不可替代的作用。普遍应用于电脑的外设及工业生产的自动化机具设备中，如NC车床、切割机，此外机器人的各个关节控制也大量的使用步进电机。
近些年来，由于步进电机的控制精度不断提高，越来越多有较高控制精度要求的系统也开场采用步进电机，步进电机的应用围进一步扩大。对于小功率步进电机,一般采用单片机与专用步进电机驱动器联合工作的方式，单片机产生脉冲,控制停启、正反转，变速等,专用步进电机驱动器那么进展脉冲环形分配及功率驱动，这种控制方式降低本钱,缩小体积,简单方便,易于实现。
本论文的目的是设计出基于单片机的步进电机控制系统，包括系统硬件和软件的设计，程序的编写和调试以及实物的焊接。以单片机作为控制系统的核心，设计一个控制系统，通过单片机输出不同的脉冲信号，实现电机的不同运行。在实际中，能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。通过介绍系统的软硬件构成及其特点，详细论述了怎样通过单片机控制其输出来控制步进电机的运转，并对应地在数码管上显示出来。还系统地介绍了步进电机的组成、工作原理和控制方法。同时也对单片机进展了简单的介绍。
单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器〔MCU〕，就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、输入输出〔I/O〕接口电路、中断、串行通信接口等主要计算机部件集成在一块芯片上，组成单片微型计算机。它的出现是计算机开展史上的一个重要里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。51系列单片机是国目前应用最广泛的一种8位单片机之一。经过20多年的推广与开展，51系列单片机形成了以个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍承受及应用，51单片机的开展又进入了以个新的阶段。许多专用功能芯片的核集成了51单片机，与51系列单片机兼容的微控制器以IP核的方式不断地出现在FPGA的片上系统中。近年来，基于51单片机的嵌入式实时操作系统的出现与推广，说明了51系列单片机在今后的许多年中依然会活泼如故，而且在很长一段时间中将占据嵌入式系统产品的低端市场。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的平安保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
单片机有两种根本构造形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储器合用一个存储空间的构造，称为普林斯顿构造或称为诺依曼构造。另一种是将程序和数据存储器截然分开而分别寻址的构造，称为哈佛〔Har-vard〕构造。目前的单片机采用哈佛构造的较多。按数据总线的宽度，单片机分为4位、8位、16位以及32位等。
步进电机是一种将电脉冲转化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〔及步进角〕。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而到达调速的目的。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、停顿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，电机那么转过一个步距角。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，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它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。
步进电机分三种：永磁式〔PM〕，反响式〔VR〕和混合式〔HB〕永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反响式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等兴旺国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反响式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。
总结局部
将功能强大而应用简单的单片机与应用广泛而运行准确的步进电机结合起来，实行单片机对步进电机的有效控制具有很深远的意义，可以通过简单的程序进展复杂的操作，按照我们的要求控制电机的运行。在日常生活中，将两者结合设计的系统应用在有一定要求的实物中，不仅可以节约本钱，而且功能完善，平安可靠。虽然步进电机的研究已经很成熟了，然而为了满足工业开展的需要，拥有不同功能的步进电机被不断地创造出来，这就决定了我们要熟练地对电机进展控制。
因此，本课题的研究具有十分重要的意义。
参考文献
[1]蒙, 毛建东.单片机原理及应用[M].中国轻工业, 2021.2
[2]周向红. 51系列单片机应用与实践教程[M]. : 航天航空大学, 2021.5
[3]郭天祥. 51单片机C语言教程[M]. : 电子工业, 2021.12
[4]素行.模拟电子技术简明教程[M]. 高等教育, 2021.7
[5]谭浩强. C 语言设计[M]. : 清华大学, 2005.7
[6].数字电子技术[M]. : 大学，2021
[7]建领.51单片机开发宝典[M].电子工业, 2021
[8]X益民.步进电机的单片机控制系统的设计[D].：科技学院, 2005

开题报告(正文)：
一、论文题目
基于单片机的步进电机控制系统设计
二、研究的目的和意义
2.1、研究目的
综合运用所学的?单片机原理与应用?理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力，以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。
2.2、研究意义
〔1〕、了解单片机的部构造、组成，学习单片机的工作原理以及以及部工作状态，并熟悉在不同时刻，单片机的输入输出情况。
〔2〕、了解步进电机的分类和用途，掌握步进电机的部构造以及工作原理，并学习使用单片机简单控制步进电机的正传、反转、加速、减速，以及简单了解国外步进电机的开展状况。
〔3〕、使用keil和proteus等软件进展系统的仿真，锻炼自己的编程能力，并通过软件的调试纠正自己编程的缺点。
三、国外现状和开展趋势与研究的主攻方向
3.1、国外现状
步进电机最早是在1920年由英国人所开发，1950年后期晶体管的创造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。以后经过不断改进，使得今日步进电机已经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、需要准确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得做多。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开展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国名经济领域都有应用。
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，而步进电机那么有定位和运转两种根本状态，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、频率以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，在绕组电源的鼓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、准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。步进电机已经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。
现在比拟常用的步进电机包括反响式步进电机〔VR〕、永磁式步进电机〔PM〕、混合式步进电机〔HB〕和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反响式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，单噪声和振动都很大。反响式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反响式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
3.2、开展趋势与主攻方向
步进电动机的开展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的开展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的开展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。
    任何一种产品成熟的过程，根本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的开展已归结为单段式构造的磁阻式、混合式和爪极构造的永磁式三类。爪极电机价格廉价，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性
    较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相8极50齿的电动机，步距角1.8°／0.9°〔全步／半步〕；　还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业兴旺国家的磁阻式步进电动机已极少见。
    步进电机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、公司、SANYO　DENKI和MINEBEA及NPM公司,日本山社等，特别是日本公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量〔含国外独资公司〕近2亿台。
    另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型本钱低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相PM型电动机比两相电动机的性能要好。
因此，当前最有开展前景的当属混合式步进电动机，而混合式步进电动机又向以下四个方向开展：
    开展趋势之一：继续沿着小型化的方向开展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。
    开展趋势之二：改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型构造，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30percent～40percent。
    开展趋势之三：对电动机进展综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。
    开展趋势之四：向五相和三相电动机方向开展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精细且复杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。
四、注意研究容、需重点研究的关键问题及解决思路
参考文献
五、完成毕业设计〔论文〕所必须具备的工作条件〔如工具书、计算机辅助设计、实验设备和实验环境条件等〕，解决的方法和预期到达的目标。
本次毕业设计需要介绍单片机的书籍，如?单片机原理及应用?、?51单片机C语言教程?，以及C语言编程书籍，进展仿真时需要keil、proteus软件，进展硬件焊接时需要电路板、单片机、步进电机、排插、锡丝、数码管、按钮开关、电烙铁等。
在进展方案的设计过程中，还要注意方案的选择，本设计能实现的功能模块分别为：单片机局部、时钟局部、控制驱动局部、显示局部：
〔1〕、单片机的选择
方案一：采用凌阳单片机。他具有以下特点：体积小 ，集成度高，可靠性好易于扩展，采用S制造工艺，功耗低，工作电压围大，并且能在较低的电压下工作，且能用电池供电，置2K SRAM,32K FLASH,丰富的中断源，具有较强的中断处理能力，强大的语音功能，可以语音读出测得的电压，以及当电压超过测量围时，可以语音提示，具有人性化，但是他的价格昂贵，不利于提高作品的性价比。
方案二、采用51系列的单片机。51系列单片机应用很广泛，集成度高，可靠性强，系统构造简单，价格低廉，易于使用等等优点，STC89C51系列的单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速低功耗的单片机，他的功能已完全能够实现本设计的要求，因此从各方面进展综合考虑，最终选用STC89C51单片机。
〔2〕时钟选择
方案一、直接利用单片机的定时器，通过编写程序完成定时功能。优点是不适用外围芯片，本钱低，缺点是软件复杂点，可靠性不高，断电后无法记录时间。
方案二、使用实时时钟芯片如DS1302、DS1307、PCF8485.优点是时间准确，耗电少，但是无主电源的情况下要有备用电池，确保时钟不停顿，一般应用在较为准确且高档的设备上。
从性价比上考虑，本设计直接利用单片机的定时时钟，通过编程实现定时的功能。
〔3〕驱动电路的选择
方案一、使用达林顿驱动芯片ULN2003，2003为极电极开路驱动芯片，能驱动4相步进电机，他的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。缺点是如果用于驱动直流电机的话只能按一个方向转动。换向要改变电机的接法。
方案二、使用驱动芯片L298， L298为H桥驱动芯片，可以为负载提供双向的电流。适合驱动2相或4相的步进电机，也可以驱动2台普通的有刷直流电机。驱动电流为2A，只用用298需要自己编写控制脉冲时序，而与297联合起来用只需单纯输入脉冲就可以，简单方便，但是相应的本钱增加了。综合本设计的需求，在满足本设计的要求下，选用方案一较为经济。
〔4〕显示电路的选择
方案一、采用LCD液晶显示，LCD液晶显示具有方便，美观、显示信息量大的特点，现在市场上集成度高的显示屏在编程方面也较为简洁，缺点是本钱较高。
方案二、采用LED数码管显示，数码管显示在、硬件连接方面显得较为复杂，在不同的应用场合下配合使用的芯片业不同，但是对于LCD液晶显示来说，在本钱方面占较大优势。根据本设计的要求，最终选择了方案二。
选择了适宜的方案后，再电脑上进展仿真设计，可以看到步进电机能按照预期的要求运转，焊接出来的系统，既能实现功能，又廉价经济，因此符合要求。
六、工作的主要阶段、进度与时间安排
序号
工作任务
起止日期
1
承受任务、准备资料，写出开题报告
12.1-12.15
2
学习单片机知识
12.15-12.30
3
学习步进电机知识
12.30-1.20
4
控制方案确实定
1.20-2.5
5
程序与仿真的设计
2.5-2.20
6
程序的调试
2.20-3.5
7
硬件电路的焊接
3.5-3.20
8
硬件电路的测试与修改
3.20-3.25
9
撰写论文
3.25-4.5
10
修改第三稿和定稿
4.5-4.15
11
完成论文和辩论提纲
4.15-4.25
12
定稿打印
4.25-5.10
七、参考文献
[1]蒙, 毛建东.单片机原理及应用[M].中国轻工业, 2021.2
[2]周向红. 51系列单片机应用与实践教程[M]. : 航天航空大学, 2021.5
[3]郭天祥. 51单片机C语言教程[M]. : 电子工业, 2021.12
[4]素行.模拟电子技术简明教程[M]. 高等教育, 2021.7
[5]谭浩强. C 语言设计[M]. : 清华大学, 2005.7
[6].数字电子技术[M]. : 大学，2021
[7]建领.51单片机开发宝典[M].电子工业, 2021
[8]X益民.步进电机的单片机控制系统的设计[D].：科技学院, 2005
指导教师意见：

签名： 年 月 日
指导小组意见：

组长签名： 年 月 日
说明
1．学生应在开题报告前，通过调研和资料搜集，在指导教师的指导下，完成开题报告。
2．开题报告分两局部，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、撰写提纲及实施方案等。
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。

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