基于单片机的步进电机控制系统

数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计1目 录第 1 章 引 言.31.1 步进电机控制系统概述.31.2 本设计任务和主要内容4第 2 章 系统主要硬件电路设计.52.1 单片机控制系统原理.522 单片机主机系统电路52.2.1 时钟电路62.2.2 复位电路62.3 步进电机驱动电路72.4 LED 显示电路.8第 3 章 系统的软件设计103.1 步进电机的位置控制103.2 显示子程序13第四章 结束语17第 5 章 参考文献18数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计2基于单片机的步进电机控制系统数理与信息工程学院 电信 041 林浩波指导教师：余水宝第 1 章 引 言在当今社会的各个领域步进电机无处不在，应用领域涉及机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、舞台灯光设备、印刷设备、计算机外部应用设备等等。因此，设计出高精确度、实时监控、语音提示的步进电机具有重要的现实意义和实用价值。 本设计是基于 80C51 单片机的步进电机控制系统，能够有效地对步进电机转速、方向的控制。为了能够更加人性化的控制系统，本设计还增加了语音提示部分，在实际应用当中由于紧急事件需要在短时间内了解电机的工作情况，这时看数码显示就很不方便，而语音提示提供很大帮助，只要按下语音提示按钮便能获取相关技术数据。 本设计采用 16 位单片机 MCS80C51 对步进电机进行控制，通过 I/O 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过驱动芯片驱动步进电机；同时，用 4X4 的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用 74LS164 作为 4 位单个数码管的显示驱动。1.1 步进电机控制系统概述步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字执行元件，随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入，步进电机的需求量越练越大。随着工业技术的不断发展，以及同类产品的不断出现，步进电机面临着前所未有的挑战。但近 30 年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动步进电机的发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景，近几年来，步进电机 需求量一直呈现出较快的增长速度，其中扫描仪、打印机、传真、DVD-ROM/CD-ROM 驱动器、空调及多功能自动化办公设备等应用对 步进电机的需求增长最强。此外由于 USB2.0 的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售，步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。步进电机有着方方面面重要应用，如何对其进行有效控制，使其能够发挥最大的优势是各个行业技术开发人员所共同关注的，本文旨在设计一套较完整的通用控制系统，对步进电机的转速、方向实行智能化控制，并能通过 LED 显示其转速。数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计31.2 本设计任务和主要内容本论文主要研究单片机控制的步进电机系统，对步进电机的转速、方向进行控制和显示。主要内容如下： 通过键盘设定步进电机的转速及方向 LED 显示步进电机的转速数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计4第 2 章 系统主要硬件电路设计2.1 单片机控制系统原理AT89C51 单片机LED 数码显示 步进电机转速、方向控制键盘输入图 2-1 单片机控制系统原理框图22 单片机主机系统电路AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计5XTAL218XTAL119ALE30 EA31 PSEN29RST9P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3/AD3 36P0.4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 3P0.7/AD7 32P1.01 P1.12 P1.23P1.34 P1.45 P1.56P1.67 P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT0 12P3.3/INT1 13P3.4/T0 14P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T1 15P2.7/A15 28P2.0/A8 21P2.1/A9 2P2.2/A10 23P2.3/A1 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27U1AT89C51X112MC130pFC230pF C31pR11kvc图 2-2 单片机主机系统图2.2.1 时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。 MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚 XTALl 和 XTAL2 分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图 2-2 所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图 2-2 中外接晶体以及电容 C2 和 C1 构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为 30P 左右，晶振频率选 12MHz 2.2.2 复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要 RST 引脚上出现数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计6两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果 RST 引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(1/0)端口寄存器置为 FFH，堆栈指针 SP 置为 07H, SBUF 内置为不定值，其余的寄存器全部清 0，内部 RAM 的状态不受复位的影响，在系统上电时 RAM 的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图 2-2 中 R9 和 Cl 组成上电复位电路，其值 R 取为 1K, C 取为 1pF.2.3 步进电机驱动电路驱动电路集成化成为一种趋势。目前，已有多种步进电机驱动集成电路芯片，它们大多集驱动和保护于一体，作为小功率步进电机的专用驱动芯片，广泛用于小型仪表、计算机外设等领域，使用起来非常方便。本设计采用UCN5804B 芯片。UCN5804B 芯片适用于四相步进电机的单极性驱动。它最大能输出 1.5A 电流、3.5V 电压。内部集成有驱动电路，上电自行复位，可以控制转向和输出使能。 1421071615111211393468U1UCN5804BR15R6R25R6L1B82412A3220J000L2B82412A3220J000L3B82412A3220J000L4B82412A3220J000 D1 8EWS12SD28EWS12SD3 8EWS12SD48EWS12S+28v图 2-3 步进电机驱动电路图 2-3 为步进电机驱动电路，其中 4、5、12、13 脚为接地引脚，1、3、6、8 脚为输出引脚，电动机各相的的接线如图，14 脚是控制电机的转向，其中低电平为正转，高电平为反转；11 脚是步进脉冲的输入端， 9、10 脚决定工作方式，其真值表如表 2-1 所示：数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计7表 2-1 9、10 脚真值表工作方式 9 脚 10 脚双四拍 0 0八拍 0 1单四拍 1 0禁止 1 12.4 LED 显示电路由于系统显示的内容比较简单，显示量不多，所以显示选用数码管既方便又经济。LED 有共阴极和共阳极两种。如图 2-4 所示。符号和引脚 共阴极 共阳极图 2-4 LED 数码管结构原理图二极管的阴极连接在一起，通常此共阴极接地，而共阳极则将二极管的阳极连接在一起，接入+5V 的电压。一位显示器由 8 个发光二极管组成，其中 7个发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔画即亮；不加电压即暗。为了保护各段 LED 不被损坏，需外加限流电阻。数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。本电路的“段控”和“位控”分别由 P1 口和 P3 口控制，P3 选中哪个数码管，哪个数码管就亮，P1口控制显示数字。因 AT89C51 单片机 I/O 口资源有限，必须对其 Il0 口进行扩展才能满足实现系统功能，如图 2-7 所示为用 8155 扩展 1/0 口的 4 个 8 位 LED 动态显示器，显示扫描由程控实现，其中 PA 口输出字型码，PC 口输出位选信号即扫描信号，图中片选线 CE 和 AT89C51 的 P2.7 口相连，IO/ M 选通输入线与 P2.4 口相连，数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计8该系统中当 P2.7=0 且 P2.4 =1 时，选中 8155 芯片内三个 I/O 口。相应的端口地址分配如表 2-1:表 2-2 8155 端口地址分配图 2-5 显示电路A15RSTRSTPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7A8A9A10A11A12A13A14PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7ABCDEFGdpABCDEFGdpABCDEFGdpABCDEFGdpABCDEFGdpD0 D1 D2D3D2D1D0ABCDEFGHCOM ABCDEFGHCOM ABCDEFGHCOM ABCDEFGHCOMA02A14A26A38OE1Y0 18Y1 16Y2 14Y3 12U1:A74LS240NET=PA2A011A113A215A317OE19Y0 9Y1 7Y2 5Y3 3U1:B74LS240XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3/AD3 36P0.4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 33P0.7/AD7 32P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT0 12P3.3/INT1 13P3.4/T0 14P3.7/RD 17P3.6/WR 16P3.5/T1 15P2.7/A15 28P2.0/A8 21P2.1/A9 22P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27U2AT89C51NET=A11D034D133D232D331D430D529D628D727RD5WR36A09A18RESET35CE6PA0 4PA1 3PA2 2PA3 1PA4 40PA5 39PA6 38PA7 37PB0 18PB1 19PB2 20PB3 21PB4 22PB5 23PB6 24PB7 25PC0 14PC1 15PC2 16PC3 17PC4 13PC5 12PC6 11PC7 10U38155R15R6R25R6R35R6R45R6R55R6R65R6R75R6R85R61 2U4:A74073 4U4:B74075 6U4:C74079 8U4:D7407数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计9第 3 章 系统的软件设计3.1 步进电机的位置控制步进电机的运行控制涉及到位置控制和加、减速控制。步进电机的位置控制，指的是控制步进电机执行机构从一个位置精确地运行到另一个位置。步进电机的位置控制是步进电机的一大特点，它可以不用借助位置传感器而只需要的开环控制就能达到足够的位置精度。步进电机的位置控制需要两个参数。第一个是绝对位置，即步进电机控制的执行机构当前的位置参数，绝对位置是有极限的，其极限是执行机构运动的范围，超越了这个极限就应报警。第二个是从当前位置移动到目标位置的距离，我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电机的步数。这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或 A/D 转换程序中完成。下面是本程序使用的资源：30H、31H- 存放定时器的常熟，低位在前32H34H-存放绝对位置参数，低位在前35H、36H-存放步进数，低位在前中断服务子程序框图如图 2-6 所示。数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计10图 2-6 步进电机位置控制子程序框图程序如下：POS: CPL P1.0 ；改变 P1.0 电平状态PUSH ACC ；累加器 A 进栈PUSH PSWPUSH R0 ；R0 进栈JNB P1.0,POS4 ；P1.0=0 时，半个脉冲，转到 POS4CLR EA ；关中断JNB P1.1,POS1 ；反转，转到 POS1MOV R0,32H ；正转数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计11INC R0 CJNE R0,#00H,POSE ；无进位则转向 POS2INC R0INC R0CJNE R0,#00H,POS2 INC R0 INC R0 CJNE R0,#00H,POS2 ；无越界，则转 POS2CLR TR0 ；发生越界，停定时器（停电动机）LCALL BAOJING ；调报警子POS1: MOV R0,#32H ；反转DEC R0CJNE R0,#0FFH,POS2 ；无借位则转向 POS2INC R0DEC R0CJNE R0,#0FFH,POS2INC R0DEC R0CJNE R0,0FFH,POS2CLR TR0LCALL BAOJINGPOS2: MOV R0,#35H ；指向步数低位 35HDEC R0CJNE R0,#0FFH,POS3IU9INC R0DEC R0POS3: SETB EA数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计12MOV A,35HORL CJNZ POS4CLR TR0SJMP POS5POS4: CLR CCLR TR0MOV A,TL0ADD A,#08HADD A,30HMOV TL0,AMOV A,TH0ADDC A,31HMOV TH0,ASETB TR0POS5: POP R0POP PSWPOP ACCRETI3.2 显示子程序硬件电路如图 2-4 所示，通过 8155 芯片来扩展 I/O 口，其端口地址分别是：命令/ 状态寄存器：7FF8H ，PA 口：7FF9H，PB 口：7FFAH ，PC 口：7FFBH。通过 P1 口控制数字显示，即“段选” ，P3 口控制“位选” 。ORG 0000H ;初始化 START:JMP MAIN ORG 30H MAIN:MOV SP,#5FH数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计13B_BIT EQU 34H ;个位显示数据存储器 A_BIT EQU 35H ;十位显示数据存储器 C_BIT EQU 22H ;百位显示数据存储器D_BIT EQU 23H ;十位显示数据存储器E_BIT EQU 34H ;万位显示数据存储器Count EQU r4 ;计数器数据存储器 ACALL INIT_RS232;调用 INIT_232 子程序 CPL P0.0 ; P0.0 亮表示正在设定串口 MOV R5,#25 ACALL DELAY CPL P0.0 ;P0.0 暗表示设定完成 MOV P1,#0FFHMOV P2,#0FFH WAIT:acall DIAPY;调用显示程序JNB RI,WAIT;接收电脑发过来的数据 ClR RI ;清 RI，继续下次接收LJMP WAITDIAPY :MOVR1,SBUF 把接收到的数据放到 A 里MOV A,R1MOV B,#100DIV ABMVO 33H,AMOV A ,BMOV B,#10 DIV ABMOV B_BIT,B ;提取百位MOV A_BIT,A数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计14MOV DPTR,#TABMOV R0,#5DP11:MOVR1,#250DPLOP:个位显示MOV,A,B_BITMOVC A,A+DPTR ;提取字模 MOV P1,ACLR P2.2 ;开个位ACALL DELAY1;调用扫描子程序 SETB P2.2 ;十位显示MOV A,A_BITMOVC A,A+DPTR ;提取字模 MOV P1,ACLR P2.3 ;开十位ACALL DELAY1SET P2.3 ;百位显示MOV A,A_BITMOVC A,A+DPTR;提取字模 MOV P1,Amov p1,aCLR P2.4 ;开百位ACALL DELAY1SETB P2.4DJNZ R1,DPLOPDJNZ R0,DP11RET INIT_RS232: ;rs232 初始化设定 MOV TMOD,#20H ;1200bs 数理与信息工程学院单片机原理与应用期末学期课程设计15MOV TH1,#0E8H SETB TR1 MOV SCON,#01010000B RET DELAY1: MOV R7,#2 D3: MOV R6,#25 D4: DJNZ R6,D4DJNZ