畢業設計的內容和意義

課題背景：

步進電機又稱為脈沖電動機或節約電動機，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的角位移或直線位移，即給一脈沖電信號，電動機就轉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成正比，它的轉速，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軸的轉角成相應的比例，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中常用的驅動執行部件。單片機具有以下的幾個優點：1、小巧靈活，成本低；2、可靠性高，適應的溫度范圍寬；3、易擴展，控制功能強；4、便于實現多機和分布式控制。

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/模轉換器。由于步進電機能夠直接接受數字信號 ,而不需數/模轉換,所以使用微機控制步進電機顯得非常方便。步進電機具有轉矩大、慣性小、響應效率高等優點，因此具有瞬間啟動與急速停止的優越特性，使用單片機控制步進電機的控制系統結構簡單，與數字設備兼容且價格便宜。

課題內容與意義

利用單片機設計兩相步進電機的控制系統，以AT89S52單片機作為中央處理器，組成最小系統。設計兩相步進電動機驅動電路；設計按鍵電路；設計指示電路；設計串行通信接口；設計單片機程序下載接口；設計系統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，它的典型結構是定子8個極，轉子齒數為50個，步距角為1.8度，它是上世紀60年代的美國專利，70年代初因應用于計算機外設，且專利保護的取消面迅速發展，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、丟步或過沖，這兩個缺點對定位系統的精度會產生較大的影響。步進電機作為種機電一體設備，電機本身固有的問題可通過驅動器或者控制器來彌補。采用細分驅動技術可以大大減少低速轉動時的振動和噪音，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，則可以克服步進電機高速啟停時有在的堵轉、丟步或者過沖等問題，使步進電機轉動得更加平穩、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而言，驅動控制器的設計是重中之重。步進電機的細分驅動技術研究和升降頻控制技術研究一直是本領域課題的重點和難點。

文獻綜述

國內外研究現狀：

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為研究些裝置而使用或開發少量產品。混合式步進電動機是20世紀80年代初從零開始的,到現在生產和研制都具備了一定的規模。理論研究方面比較成熟,發展和形成了比較完善的基礎理論和設計方法,產品種類已經系列化,指標已接近、達到或超過國外同類產品水平[1]。近十幾年來，數字技術和電子計算機的迅速發展為步進電機的應用開辟了廣泛的空間，目前，步進電機廣泛應用于家用電器、醫用設備、航空航天等領域。連接上適當的機械元件，步進電機就可以作為一個執行元件，并且可以產生力矩來使其他器件動作，再加上控制器和操作系統的程序，步進電機可以作為一個具有人工智能的執行部件，從而可以完成一系列的動作[2]。

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

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據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、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發展到現在的300M的高速單片機。Atmel公司生產的AT89S系列單片機已經能夠通過SPI串行借口對內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技術和看門狗功能[4]。

目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統，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也在不斷地發展。單片機具有低功耗、高密度、低價格等優點，市場前景廣泛。隨著科技的發展，使用單片機來控制步進電機的運行逐漸大眾化，所以本次設計對我大學里所學到的單片機技術與其他相應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、 《步進電機控制器設計》百度文庫.

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

5、 千訊（北京）信息咨詢有限公司， 中國單片機行業發展研究報告，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,北京：中國電力出版社，2016

8、 唐任遠， 特種電機[M],北京：機械工業出版社，1997

9、 楊渝欽， 控制電機[M]，北京:機械工業出版社，1990

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

11、劉啟新等，電機與拖動基礎[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用[M],武漢：華中科技大學出版社，2004