基于单片机步进电机驱动器设计

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 基于51单片机地步进电机驱动器设计机电工程学院指导教师 年 月I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I注：本设计（论文）题目来源于自选项目。IIAbstractStepper 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 .3911 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，