本科毕业设计基于单片机的步进电机控制系统的设计摘 要随着自动控制系统的发展和对高精度控制的要求，步进电机在自动化控制中扮演着 越来越重要的角色，区别于普通的直流电机和交流电机，步进电机可以对旋转角度和转 动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键组成之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。 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。 本系统介绍了一种基于单片机的步进电机控制系统的设计，包括了硬件设计和软件 设计两部分。其中，硬件设计包括单片机最小系统、键盘控制模块、LCD显示模块、步进电机驱动模块、位置检测模块共5个功能模块的设计。系统软件设计采用C语言编写，包括主程序、数字键处理程序、功能键处理程序、电机驱动处理程序、显示模块、位置采集模块。本设计采用STC89C52单片机作为主控制器，4*4矩阵键盘作为输入，LCD1602液晶作为显示，ULN2003A芯片驱动步进电机。系统具有良好的操作界面，键盘输入步进电机的运行距离；步进电机能以不同的速度运行，可以在不超过最大转速内准确运行到任意设定的位置，可调性较强；显示设定的运行距离和实际运行距离；方便操作者使用。 关键词：单片机 步进电机 液晶显示 键盘 驱动 Design of the Stepping Motor Control System Based on SCMQiu Haizhao(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China) Abstract:With the development of automatic control system and the requirements of high-precision control, stepping motor control in automation is playing an increasingly important role, different from the common DC and AC motor, stepper motor rotation angle and rotational speed can be high-precision controlled. Stepper motor as a control actuator is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of automated control systems and precision machinery and other fields. Stepper motor is the open-loop control components changing electric pulse signals into angular displacement or linear displacement .In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, that is, to add a pulse motor, the motor is turned a step angle. This system introduces a design of stepper motor control system based on single chip microcomputer, including hardware design and software design in two parts. Among them, the hardware design, including single chip minimal system, keyboard control module, LCD display module, the stepper motor drive module, position detection module five functional modules. System software design using C language, including the main program, process number keys, the key of function processes, motor driver handler, the display module, position acquisition module. This design uses STC89C52 microcontroller as the main controller, 4 * 4 matrix keyboard as an input, LCD1602 LCD as a display, ULN2003A chip as stepper motor driver. System has a good user interface, keyboard input stepper motor running distance; Stepper motor can run at different speed, and run to any given position accurately in any speed without exceeding the maximum speed, with a strong adjustable ; Display the running distance and the actual running distance, which is more convenient for the operator to use. Key words: SCM stepper LCD keyboard driver目 录1 前言11.1 步进电机的发展11.2 设计要求12 系统方案分析与选择论证12.1 步进电机的选择12.2 步进电机驱动方案的选择22.3 显示方案的选择32.3 键盘方案的选择32.3 步进电机位置检测方案的选择32.4 整体方案43 主要芯片介绍与硬件电路设计43.1 单片机最小系统模块43.1.1 单片机介绍43.1.2 单片机最小系统53.2 键盘电路设计63.3 显示模块73.3.1 LCD1602介绍73.3.2 LCD1602电路图73.4 驱动模块83.4.1 ULN2003A介绍83.4.2 驱动电路图93.5 位置检测模块93.5.1 A3144E介绍93.5.2 位置检测电路图114 程序设计114.1 主程序114.2 数字键处理程序124.3 功能键处理程序135 结论14参考文献15附录16致谢27华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表II1 前言1.1 步进电机的发展步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明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（谢辉等，2010）。步进电机又称脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。步进电机由于其本身的特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本。因而，广泛地应用在众多的领域中并得以不断的发展。虽然步进电机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。多年来，随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机网络通信技术的发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不断地发展，国内外围绕步进电机驱动电路做了大量的研究与开发。本次设计采用的是四相步进电机，通过软硬件的结合来实现步进电机的启动、停止、正转、反转、精确定位、变速等功能，并且用LCD显示出步进电机运行参数和设定的参数。主要通过三大块来设计，包括驱动电路设计，显示部分，按键部分的设计。1.2 设计要求 本次设计任务要完成的功能是：实现步进电机的开启与停止、正转、反转、精确定位、变速等功能，并且通过按键来输入运行参数，液晶显示一些参数。 1. 按键设置步进电机运行距离； 2. 液晶显示步进电机设置的运行距离和实际运行距离； 3. 启动时步进电机速度由慢到快，停止时电机速度由快到慢；4. 当实际运行距离与设置的运行距离相等时，精确停止。2 系统方案分析与选择论证2.1 步进电机的选择在进行其他模块设计前，应先选择合适的电机。考虑到此次设计只是简单地控制步进电机的速度、正反转、位置定位等，而并没有涉及使用步进电机拖到负载，因此诸如静力矩和动力矩、转子的转动惯量、力矩负载、惯性负载这些因素就不需要考虑了，所以最终选择了市场上价格相对较为便宜而又比较常见的28BYJ48型四相五线制步进电机，实物图如图1所示。 图1 28BYJ48型四相五线制步进电机实物图其主要技术参数如表1所示 表1 28BYJ48步进电机主要技术参数电机型号电压V相数相电阻+10%步距角度减速比起动转矩100P.P.S g.cm起动频率定位 转矩 g.cm28BYJ48-031243005.625/541:643005503002.2 步进电机驱动方案的选择方案一：使用多个功率放大器件驱动电机 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效果，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L298N芯片驱动电机 L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。但是芯片的价格相对较高，本设计只是简单的对步进电机进行控制。方案三：利用ULN2003A来驱动步进电机 ULN2003A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、温度范围宽、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。ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。 通过比较，使用ULN2003A芯片可以充分发挥它的功能，能稳定地驱动步进电机，而且价12 格不高，故选用U