本科毕业设计（论文）基于51单片机的步进电机驱动器设计学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 （机械电子工程方向） 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 年 月基于51单片机地步进电机驱动器设计 机电工程学院村民建房委员会应建立村级农房建设质量安全监督制度和巡查制度，选聘有责任心和具有一定施工技术常识的村民作为义务巡查监督员，开展经常性的巡查和督查。摘 要步进电机被越来越地广泛应用，但步进电机驱动器技术仍不够成熟，需要进行改进完善才能更方便地让用户进行操作使用，所以需要更多更成熟的步进电机驱动系统的开发以满足社会的需要。本设计采用软件控制代替硬件搭建电路控制步进电机驱动器的方法以达到简化硬件电路、降低驱动器成本的目的，主要使用STC89C52RC芯片作为主控芯片，来达到对外界输入的脉冲进行接收、判断分析并分配给二相四线步进电机四条线路进行电机驱动。但由于电机的驱动电压是12V，而主控芯片输出的电压只有5V，所以需要设计一个步进电机驱动电压电路以达到电压要求，于是本设计采用了L298N芯片，其主要功能是对主控芯片发送过来的脉冲信号进行处理，然后再转化成足够驱动步进电机的脉冲信号输出给电机。其次，因为步进电机工作时是高速运转，所有电路中还需要加一定的保护才能保证电路能长期稳定工作不受影响。本设计采用高速光电耦合器6N137和低速光电耦合器TLP521-1对电路的输入脉冲信号及正反转控制信号进行保护。再者，为防止步进电机高速转动时自感电压对电路造成冲击，在电机接线部分加了二极管对电路进行保护。综上所述，本设计实现了一个使用软件控制来进行电机驱动的稳定的步进电机驱动器，能够精准地驱动步进电机进行工作。关键词：步进电机，驱动器，软件控制，脉冲信号注：本设计（论文）题目来源于自选项目。IAbstractStepper motor is more and more widely used, but the stepper motor driver technology is still not mature enough, need to be improved in order to more easily allow users to operate, so the need for more mature stepper motor drive system development meet the needs of society. This design uses software control instead of hardware to build circuit control stepper motor driver method to achieve simplified hardware circuit, reduce the cost of the purpose of the drive, the main use of STC89C52RC chip to achieve the input pulse to receive, to determine the analysis and assigned to the two-phase four-wire stepper motor four lines for motor drive. But because the motor drive voltage is 12V, and the master chip output voltage is only 5V, so the need to design a stepper motor drive voltage circuit to meet the voltage requirements, so the design uses the L298N chip, its main function is the master chip The transmitted pulse signal is processed and then converted into a pulse signal sufficient to drive the stepper motor to the motor. Second, because the stepper motor is running high-speed operation, all the circuit also need to add some protection in order to ensure long-term stable operation of the circuit will not be affected. The design uses high-speed optocoupler 6N137 and low-speed optocoupler TLP521-1 on the circuit input pulse signal and forward and reverse control signal protection. In addition, in order to prevent the stepper motor high-speed rotation when the self-induced voltage on the circuit impact, in the motor wiring part of the diode to add the circuit protection. In summary, this design implements a stable stepper motor driver that uses software control for motor drive, enabling accurate operation of the stepper motor.Keywords: stepper motor, driver, software control, pulse signalII目 录1 绪论11.1 引言11.2 设计的目的及意义11.3 国内外发展现状21.4 步进电机简介21.4.1 步进电机的分类及相关参数21.4.2 步进电机的工作原理41.5 步进电机驱动器介绍51.5.1 步进电机驱动器系统介绍51.5.2 步进电机的控制系统原理62 系统硬件设计72.1 ALTIUM DESIGNER软件介绍及设计思路介绍72.2 STC89C52RC芯片简介82.3 L298N芯片简介102.4 电机驱动电路设计112.4.1 电源部分122.4.2 高速光电耦合电路122.4.3 低速光耦隔离电路132.4.4 主控CPU电路设计142.5 脉冲信号产生电路163 系统软件设计193.1 KEIL UVISION软件介绍及设计思路介绍193.2 驱动器软件设计203.3 脉冲产生电路软件设计234 调试27结 论30参 考 文 献31致 谢32附录A 电机驱动控制电路原理图及PCB图33附录B 脉冲信号产生电路原理图及PCB图35附录C 驱动电路程序37附录D 脉冲产生电路程序391 绪论1.1 引言步进电机又被称为脉冲电机，其工作原理源于最基本的电磁铁原理，它可以被看作为一个自由地转动的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。步进电机最开始的模型起源于1830年到1860年之间。1870年前后开始被尝试用来控制氢弧灯的电极输送机构。这个应用被认为是原始的步进电机。后来,步进电机被广泛应用于电话自动交换机中。因为西方资本主义列强争夺殖民地，在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用了步进电机。二十世纪五十年代后期发明的晶体管也逐渐被应用在步进电机控制系统上,使得数字化的控制变得更为普遍。到了八十年代后,由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现,步进电机的控制方式变得更加灵活多样13。战后全球社会经济发展的历史经验证明，一个国家的实力及其繁荣，主要取决于其制造业所能提供的产品与劳务的竞争力。二战期间，大量的制造技术有了很大的发展。二战后50年来，计算机、微电子、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控(NC)、计算机数控(CNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、计算机集成制造系统(CIMS)等多项先进制造技术与制造模式。制造业正经历着一场新的技术革命4。但我国技术水平远远落后于美国、德国、英国等先发起工业革命的国家，其中包括电机控制技术。1.2 设计的目的及意义步进电机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转化为相应的角位移或线位移的微电动机5，是机电一体化的关键产品之一，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备得到广泛应用。随着微电子和计算机技术的发展，为步进电机的应用开辟了广阔前景，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，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，步进电机的需求量与日俱增，因此研制步进电机驱动器具有十分重要的意义6。虽然步进电机已经被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机与交流电机在常规下使用。它必须有双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成的控制系统才可以使用。步进电机系统包括控制器、驱动器以及步进电机，三者缺一不可7。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。步进电机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或者线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，在被广泛应用于各个领域当中。所以步进电机驱动器的研发与更新显得很迫切需要，不断地研发改进驱动器能够更进一步提高步进电机的工作效率以及工作精度，使其更好地为我们服务。1.3 国内外发展现状步进电机是国外发明的，但在文化大革命期间，中国已经开始生产和应用，例如在江苏、浙江、北京、南京、四川等地区生产应用，而且在各行业中均有使用。数控机床的发展，带动着电机的不断更新换代，先后出现了更高精度的直线电机、音圈电机等，其控制精度远远高于步进电机，但价格也较为昂贵。数控机床中高精度的主轴通常会使用精度比较高的电机进行带动，保证加工质量，但除此之外的机床传动一般均会使用步进电机进行控制，以降低机床成本。步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率或者高精度的场合使用。随着电机控制技术的不断发展，步进电机使用细分控制技术提高了步进电机的精度，提高了步进电机的性能标准。步进电机细分驱动器使用高精度D