摘 要

本文根据步进电机及光电编码器的原理及应用，在波尔共振仪上设计出了一种步进电机控制系统，并利用单片机的可编程性和运算功能，根据不同的用途和控制需求，来改变软件程序，灵活的控制步进电机。本文先分析步进电机的原理，将以IAP15W4K58S4单片机为基础的步进电机与各个模块结合，进行硬件电路设计，接着根据应用需求编写关于步进电机的软件程序。我们设计出来的系统控制精度高，运行平稳，在不同种类的控制系统中稳定的实现启动、停止、正反转以及变速等功能。

关键词：步进电机 IAP15W4K58S4单片机 波尔共振仪 控制电路

Control and Application Research of stepper motor based on IAP15W4K58S4 MCU

Abstract

According to the principle and application of step motor and photoelectric encoder, we have designed a stepper motor control system on the Bohr resonator, and use the programmable and operational functions of the single chip computer to change the software program and control the stepping motor flexibly according to the different uses and control requirements. In this paper, the principle of stepping motor is analyzed, and the step motor based on IAP15W4K58S4 single chip is combined with each module, and the hardware circuit is designed. Then, the software program for stepping motor is compiled according to the application requirements. We have designed the system with high precision, smooth operation, and the functions of starting, stopping, positive and reverse, and variable speed in different kinds of control systems.

Key words: Stepping motor; IAP15W4K58S4 single chip; Bohr resonator; Control circuit.

目 录

摘 要 2

Abstract 3

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究背景和意义 1

1.3整体设计方案 2

第二章 系统硬件设计 5

2.1.1步进电机概述 5

2.1.2常见的步进电机控制系统 9

2.1.3步进电机的连接原理图 11

2.2单片机模块部分 12

2.2.1单片机的简介 12

2.2.2IAP15W4K58S4的单片机介绍 13

2.3光电编码器模块部分 14

2.3.1光电编码器原理简介 14

2.3.2光电编码器模块电路设计 15

2.4继电器电路模块部分 16

2.4.1继电器工作原理简介 16

2.4.2继电器模块电路设计 17

第三章 系统软件设计 19

3.1 PWM相关寄存器定义程序 19

3.2初始化函数 20

3.3PWM频率调节程序（用于调节步进电机转速） 20

3.4电机软启动程序部分 22

3.5外部中断INT1的部分程序 23

第四章 应用实例 25

4.1在波尔共振仪中的应用 25

4.1.1仪器的不足之处 25

4.1.2应用步进电机之后的波尔共振仪 26

4.2在数控机床中的应用 27

4.2.1数控机床 27

4.2.2步进电机的控制 28

4.3在汽车仪表中的应用 29

第五章 仪器的原理图与PCB 35

5.1仪器的实物图 35

5.2仪器的实验操作图片 35

5.3仪器的原理图 37

5.4仪器的PCB板设计图 39

第六章 总结 40

参考文献 41

致谢 42

第一章 绪论

1.1引言

随着工业生产水平与人民生活水平的不断提高，尤其在那些需要高精度、高灵活性以及自动化的机器中，传统的电机在要求愈来愈高的机械系统中应用的局限性也愈来愈大。因此步进电机随即应运而生，以其在工作过程当中无积累误差出现、易于开环控制、精度高的特点，在涉及到生产生活的各个领域脱颖而出^[1]。

步进电机通过步进驱动器的控制将电脉冲信号改变成角位移，其中脉冲的信号个数和频率决定电机的转动加速度和速度，除此之外不受其他因素比如负载变化的影响，以此来实现精确调速、正转反转、快速启停的目的。正是这一优点，使得步进电机在精确控制方面得以广泛应用。为了得到更适合控制性能，对步进电机加以更为精确的控制，研究中发现将微型计算机控制系统与步进电机结合，更能发挥其潜能。摆脱了原来的控制系统复杂的安装调试过程，以及元器件的大量消耗。另外基于单片机控制的步进电机更为突出的一个优点就是可根据不同需求灵活更改电路^[2]。

同时随着计算机技术和微电子技术的飞快发展，结合单片机控制的步进电机相较于其他控制方式，控制精度更高，灵活性更强，成本也更加低廉。因此基于单片机的步进电机在各控制系统领域无处不在。本论文对基于IAP15W4K58S4单片机的步进电机进行研究，设计出电路，结合汇编软件程序进行调试，完善。

1.2研究背景和意义

在大学物理实验利用波尔共振仪研究受迫振动的实验中，采用较为广泛的是带有传统直流电机的波尔共振仪，其工作原理是通过电位器调节转速，通过连杆提供受迫力给摆轮。但是在实验过程之中发现，电位器的长期使用会由于内部磨损对电机转速产生影响，从而影响实验结果。因此，我们采用步进电机来代替传统的直流电机，结合单片机的控制，通过控制脉冲数来控制电机的角位移，从而实现更为精准的调速，使实验装置更为精确，配合光电编码器的使用，让仪器结构更加简化，另外，在仪器的使用寿命方面也有很大的提升。

基于以上，本文主要对IAP15W4K58S4单片机为基础的步进电机控制系统进行研究。并将其应用在波尔共振仪以及其他设备上。

1.3整体设计方案

为了实现以上设想，使实验装置更加简化以及保证良好的可操作性能，使实验结果更准确。在本次设计中我们采用的单片机型号为IAP15W4K58S4单片机，将此款单片机与步进电机结合开发出一款操作系统来代替波尔共振仪之中的电位器。根据实验的实践情况显示相较于未改进前，性能良好，可操作性强，应用在波尔共振仪之中效果显著。

图1-1 基于单片机的控制系统

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