畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容和意義

課題背景：

步進電機又稱為脈沖電動機或節(jié)約電動機，是一種脈沖控制的伺服電動機。其功用是將脈沖電信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一脈沖電信號，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。步進電機的角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速，或線速度與脈沖頻率成正比。由于步進電機輸入的電子脈沖和步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角成相應(yīng)的比例，所以我們可以比較精確的進行控制。一般兩相電機的步距角為0.9°/1.8°。當今比較常見的步進電機包括永磁式步進電機（PM）、反應(yīng)式步進電機（VR）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。

單片機是自動控制系統(tǒng)中常用的驅(qū)動執(zhí)行部件。單片機具有以下的幾個優(yōu)點：1、小巧靈活，成本低；2、可靠性高，適應(yīng)的溫度范圍寬；3、易擴展，控制功能強；4、便于實現(xiàn)多機和分布式控制。

步進電機的輸入信號為脈沖電流 ,它能將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移 ,因而步進電機可看作是一個串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。由于步進電機能夠直接接受數(shù)字信號 ,而不需數(shù)/模轉(zhuǎn)換,所以使用微機控制步進電機顯得非常方便。步進電機具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)效率高等優(yōu)點，因此具有瞬間啟動與急速停止的優(yōu)越特性，使用單片機控制步進電機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與數(shù)字設(shè)備兼容且價格便宜。

課題內(nèi)容與意義

利用單片機設(shè)計兩相步進電機的控制系統(tǒng)，以AT89S52單片機作為中央處理器，組成最小系統(tǒng)。設(shè)計兩相步進電動機驅(qū)動電路；設(shè)計按鍵電路；設(shè)計指示電路；設(shè)計串行通信接口；設(shè)計單片機程序下載接口；設(shè)計系統(tǒng)典型測試點電平或電壓輸出接口。編制程序流程圖；完成整體程序。編制步進電動機H橋驅(qū)動程序；編制步進電動機升降速程序；編制按鍵采樣程序；編制步進電動機運行狀態(tài)指示程序；編制串行通信控制程序。

目前廣為使用的是兩相混合式步進電動機，它的典型結(jié)構(gòu)是定子8個極，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50個，步距角為1.8度，它是上世紀60年代的美國專利，70年代初因應(yīng)用于計算機外設(shè)，且專利保護的取消面迅速發(fā)展，但是它存在著兩個明顯的固有缺點，一個是步距角較大，使得低速轉(zhuǎn)動時有較嚴重的振動和噪聲，另一個是當頻率突變過大時容易堵轉(zhuǎn)、丟步或過沖，這兩個缺點對定位系統(tǒng)的精度會產(chǎn)生較大的影響。步進電機作為種機電一體設(shè)備，電機本身固有的問題可通過驅(qū)動器或者控制器來彌補。采用細分驅(qū)動技術(shù)可以大大減少低速轉(zhuǎn)動時的振動和噪音，還可以起到減小步距角、提高分辨率、增大輸出力矩的效果，采用升降頻控技術(shù)，則可以克服步進電機高速啟停時有在的堵轉(zhuǎn)、丟步或者過沖等問題，使步進電機轉(zhuǎn)動得更加平穩(wěn)、定位更加精確。一個好的控制器可以使步進電動機控制更靈活，在很大程度上改善其運行性能。因此，對步進電動機運動控制系統(tǒng)而言，驅(qū)動控制器的設(shè)計是重中之重。步進電機的細分驅(qū)動技術(shù)研究和升降頻控制技術(shù)研究一直是本領(lǐng)域課題的重點和難點。

文獻綜述

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：

我國步進電動機的研究和制造始于20世紀中期,主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。混合式步進電動機是20世紀80年代初從零開始的,到現(xiàn)在生產(chǎn)和研制都具備了一定的規(guī)模。理論研究方面比較成熟,發(fā)展和形成了比較完善的基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法,產(chǎn)品種類已經(jīng)系列化,指標已接近、達到或超過國外同類產(chǎn)品水平[1]。近十幾年來，數(shù)字技術(shù)和電子計算機的迅速發(fā)展為步進電機的應(yīng)用開辟了廣泛的空間，目前，步進電機廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。連接上適當?shù)臋C械元件，步進電機就可以作為一個執(zhí)行元件，并且可以產(chǎn)生力矩來使其他器件動作，再加上控制器和操作系統(tǒng)的程序，步進電機可以作為一個具有人工智能的執(zhí)行部件，從而可以完成一系列的動作[2]。

A3992是美國Allegro公司生產(chǎn)的一款雙DMOS全橋微步距脈寬調(diào)制(PWM)步進電機驅(qū)動器。可利用控制器件通過時鐘（CLK）、數(shù)據(jù)（DATA）、選通（STRORE）3線串行借口即可對其進行控制，方便的調(diào)節(jié)步進電機的運轉(zhuǎn)方向及實現(xiàn)各種不同的步進法（從整步驅(qū)動到最高可達64細分的微步驅(qū)動），使得步進電機的驅(qū)動方式具有很大的靈活性。此外，A3992內(nèi)部提供交叉電流保護、內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）等各種完善的保護措施，保證了該器件能穩(wěn)定可靠地運行[3]。

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。Atmel公司生產(chǎn)的AT89S系列單片機已經(jīng)能夠通過SPI串行借口對內(nèi)部程序存儲器進行編程的功能，于2003年推出的AT89S51和AT89S52單片機不僅能夠完全兼容MCS-51系列和80C51系列，還能增加了ISP技術(shù)和看門狗功能[4]。

目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機，以及程控玩具等等，這些都離不開單片機。我國的單片機年容量已達1-3億片，且每年以大約16的速度增長，但相對于世界市場我國的占有率還不到1%[5]。

通過以上的綜述可以看出，單片機在我國的使用還是挺廣泛的，并且我國的單片機技術(shù)也在不斷地發(fā)展。單片機具有低功耗、高密度、低價格等優(yōu)點，市場前景廣泛。隨著科技的發(fā)展，使用單片機來控制步進電機的運行逐漸大眾化，所以本次設(shè)計對我大學里所學到的單片機技術(shù)與其他相應(yīng)的學科知識來說是一次很好的知識整合匯總的過程。

   參考文獻：

1、 孫冠群等，控制電機與特種電機（第二版），清華大學出版社，2012

2、 《步進電機控制器設(shè)計》百度文庫.

4、 徐泳龍，  單片機原理及應(yīng)用(第2版)[M],北京：機械工業(yè)出版社.2013.12

5、 千訊（北京）信息咨詢有限公司， 中國單片機行業(yè)發(fā)展研究報告，2016.04.29

6、 王德安，常春玲， 基于單片機的步進電機控制[J].大連大學 信息工程學院，遼寧大連，116622

7、 劉學軍， 電機與拖動基礎(chǔ),北京：中國電力出版社，2016

8、 唐任遠， 特種電機[M],北京：機械工業(yè)出版社，1997

9、 楊渝欽， 控制電機[M]，北京:機械工業(yè)出版社，1990

10、南建輝等，MCS-51單片機原理及其應(yīng)用實例[M]，北京清華大學出版社，2004.3

11、劉啟新等，電機與拖動基礎(chǔ)[M]，北京：中國電力出版社，2010

12、胡乾斌，李光斌，李玲等．單片微型計算機原理與應(yīng)用[M],武漢：華中科技大學出版社，2004