SHANDONG毕业设计说明书步进电机控制与转速检测系统设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 陈建建 学 号： 0812104019 指导教师： 解红军 2012 年 6月摘 要摘 要本设计主要介绍了步进电机控制与转速检测系统通过单片机来实现的方法。全文主要分为原理介绍，硬件设计，软件设计。其中硬件电路包括：L298N驱动的步进电机的控制系统的设计、键盘按钮电路的设计、显示电路的设计、转速检测电路的设计、电源模块的设计等。软件包括：系统初始化及主程序的模块设计 、显示程序和键盘程序的模块设计、中断处理、定时器处理程序的模块设计等控制模块由键盘输入启动、正转、反转、加速、减速、停止等信号，经过单片机处理再接L298N驱动步进电机实现相关功能。电机的运行状态经光电编码器转换为脉冲信号再放大输入到单片机经单片机处理再通过LED显示器显示转速、状态等。本文在设计过程是按照原理介绍，硬件设计，软件设计的顺序进行逐步的论证选择设计的。关键词：步进电机，单片机，控制系统，硬件，软件IIAbstractAbstractThis design introduces the stepper motor control and speed detection system, microcontroller finished.the full text is divided into principle, hardware design, software design. Hardware circuit including: L298N driven stepper motor control system design, circuit design of the keyboard button, the display circuit design, the design of the speed detection circuit, power supply module design. Software includes: system initialization and the main program module design, showing the modular design of the program and keyboard procedures, interrupt handling, the modular design of the timer handler The control module consists of a keyboard input, start, forward, reverse, speed up, slow down, stop, etc. signal followed L298N drive a stepper motor microcontroller-processing for the relevant functions. The motor running state conversion by the optical encoder for the re-amplification of the pulse signal input to the microcontroller via the microcontroller processing through the LED display shows speed, status, etc. In the design process in accordance with the principle, hardware design, software design sequence step-by-step demonstration of the selection of design.Keywords：Stepper motor，Microcontroller，Control system，Hardware software目 录目 录摘 要IAbstract（英文摘要）II目 录III第一章 概 述11.1 引 言11.2 设计任务11.2.1 课题的目的和要求11.2.2 主要设计内容21.2.3 主要设计技术指标与参数2第二章 步进电机原理特点及控制技术42.1 步进电机原理42.2 步进电机控制技术42.3 步进电机的特点7第三章 方案论证93.1 显示电路的方案论证93.2 主控制器的选择93.3 键盘电路的方案论证103.3.1 独立按键式非编码键盘103.3.2 矩阵键盘103.4 步进电机控制模块选择123.5 确定设计的总体方案13第四章 硬件设计154.1 最小系统154.1.1 复位电路：154.1.2 时钟电路：164.2 驱动电路174.3 测速模块184.3.1 反相器74LS14的作用184.3.2 光电编码器184.4 滤波电路194.5 显示电路204.6 键盘电路214.7 电源电路224.8 整体电路23第五章 软件设计255.1 主程序设计255.2 转向控制275.3 转速控制275.4 PID 控制原理程序流程28总 结30参考文献31致 谢31附 录A32部分程序32附 录B PID控制算法36一、 创建系统数学模型36二、 位置式数字PID算法36附 录C 整机图38第一章 概述第一章 概 述1.1 引 言近年来，电子技术和微型计算机的不断发展带动了步进电机的飞速发展。在自动控制系统中，一般要有将数字信号转换为角位移或线位移的电磁装置，步进电机的工作特点恰好符合此要求。控制系统对步进电机的控制通过步进电机驱动器来完成。因此它已经被广泛的应用于自动控制系统中作为执行元件。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，实现起来成本高、费时多，而且一旦定型后，电路就很难改动，因此不得不完全重新设计控制器。自六十年代初期以来，单片机技术的快速发展，单片机在各种电子产品中的应用日趋广泛，促使步进电机的应用得到很大的提高步进电机是通过将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制工作元件。在正常的工作的前提条件下，电机的转速控制、起停，取决于脉冲发送信号的频率和脉冲数目，而不能随负载变化的而受到影响，即也就是给电机加上一个脉冲信号，则电机会转过一个一定的步距角。由这一线性关系的存在，再加上步进电机只能有周期性的误差而没有累积误差的特点。步进电机使得在速度、位置等自动控制领域的控制变的很的简单。步进电机是通过调节输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机对速度的控制，因为步进电机每接收一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就能够通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲连个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制步进角的大小来改变步进电机的转速，从而实对现步进电机调速的控制。1.2 设计任务1.2.1 课题的目的和要求1利用单片机检测出步进电机的转速，控制步进电机正转，反转，加速减速目的。2.比较全面理解和掌握单片机的原理与应用。利用所学的电子技术课程设计信号的放大回路, 利用所学的电子检测课程设计温度检测回路。3通过设计进一步巩固和深化所学理论知识，提高分析问题、解决问题的能力，掌握电路实验的基本技能和方法。4掌握电子产品从设计，制定方案，元件购买，检测，外协加工，装配到成品的全部生产过程。5熟练掌握万用表、示波器及单片机仿真软件的使用。6熟练掌握电路原理图的绘制,印刷电路板的制作。1.2.2 主要设计内容1、步进电机控制与转速检测系统的硬件设计本系统是以89C52为核心，构成一个转速检测，显示系统（1）对转速传感器输出信号放大电路的设计（2）显示和键盘电路的硬件设计（3）模数转换电路的硬件设计（4）电源电路的硬件设计2、步进电机控制与转速检测系统的软件设计（1）系统初始化及主程序的模块设计（2）显示程序和键盘程序的模块设计（3）中断处理，定时器处理程序的模块设计（4）模数转换处理程序的模块设计1.2.3 主要设计技术指标与参数转速测量范围 ： 0-1800转转速测量精度 ： 0.5级具有步进电机控制与转速的检测，显示功能。具有控制步进电机正转，反转，加速减速功能。第二章 步进电机原理特点及控制技术第二章 步进电机原理特点及控制技术2.1 步进电机原理步进电机是通过用电脉冲信号进行正反转，加减速控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。说通俗点，就是接收一个电脉冲，步进电机就会转动一个固定角度或者前进一步，因此，步进电机也可以叫做脉冲电动机。步进电机与其他控制类的电机的最区别是，它是通过输入的脉冲信号来进行各项的控制，也就是说电机的总转动角度或者角位移是由输入的脉冲数目决定的，而电机的转速是由脉冲信号的频率的高低来决定的。步进电机是通过输入的脉冲信号来控制的，它可以把脉冲信号变成角位移或者线位移，所以它可以通过单片机来控制，而且其兼容性也非常好。步进电机的角位移或线位移量的大小与电脉冲的个数成正比，而它的转速或线速度的大小与电脉冲频率成正比。在正常工作范围内这些关系会保持稳定而不会因负载大小、电源电压、环境条件的等的波动而变化。通过改变接收的脉冲频率的高低，顺序，可以实现步进电机的大范围的调速，并能使电机快速启动，制动和反转。一般情况下电机的转子是永磁体构成的，当电流通过定子绕组时定子会产生一个矢量磁场，转子在磁场的作用下会旋转一个固定的角度，使得转子与定子的磁场方向保持一致。接着当定子的矢量磁场再旋转一个角度。转子也会随着该磁场旋转这个角度。所以电机没接收到一个电脉冲，电动机就会旋转一个固定角度向前进一步。电机的输出角位移大小与输入得到脉冲个数成正比关系。如果改变绕组通电的先后顺序，电机就会反向旋转。因此可以控制输入脉冲数量、频率高低以及电动机各相绕组的通电先后顺序来控制步进电机的转动的旋转角度，转速，以及正反转。2.2 步进电机控制技术步进电动机是一种可以把电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电动机，它的正常工作需要一个专门的驱动电源，驱动电源的输出信号跟随外部的脉冲信号变化。每接收一个脉冲信号都可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度就称为步距角。接收的脉冲的总数量决定了电机旋转的总角度，脉冲的频率的高低决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电先后顺序可以改变电机旋转的方向。也就是说步进电机是一电脉冲信号转变成线位移或者角位移的电执行元件但是他不能直接接到交流电源上，必须要用专门的驱动电源即步进电机控制驱动器。典型的步进电机控制系统步进电机控制驱动器可以发出连续的脉冲频率，一般从几赫兹到几千赫兹内连续变化，步进电机从结构上可分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：1、换相顺序的控制步进电机通电后换相的这一个过程叫做脉冲分配。例如，三相