单片机课程设计-步进电机正反转控制.doc

课 程 设 计 报 告 全套设计加扣3012250582 课程名称 单片机技术课程设计 设计题目 步进电机正反转控制 专业年级 电气112 姓 名 学 号 提交时间 2014-06-06 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院前言 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。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。基于单片机的步进电机控制系统，能够有效地对步进电机转速、方向等进行控制。本设计采用单片机AT89C51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，用按键来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速。目录前言- 0 -第一章 设计目的及要求- 1 -1.1、设计目的- 1 -1.2、设计要求- 1 -1.2.1、课程设计要求- 1 -1.2.2、基本设计功能要求主要分为以下几个部分：- 1 -第2章 方案设计- 2 -2.1、题目及要求功能分析- 2 -2.1.1、步进电机- 2 -2.1.2、步进电机的转向控制- 2 -2.1.3、步进电机的启停控制- 2 -2.2、研究背景- 2 -2.3、本文研究的主要内容- 2 -2.4、方案论证- 3 -2.4.1、方案- 3 -第3章 主要元器件介绍- 4 -3.1 AT89C51单片机介绍- 4 -3.1.1 AT89C51芯片简介- 4 -3.1.2 引脚说明- 4 -3.2、ULN2003A简介- 6 -3.3、7SEG-MPX4的四位LED数码管- 7 -3.4、步进电机- 7 -第4章 硬件电路设计- 9 -4.1、晶振时钟电路设计- 9 -4.2、复位电路设计- 9 -4.3、显示电路设计- 10 -4.4、驱动电路- 10 -第5章 软件设计及主要子程序- 11 -5.1、软件设计思路- 11 -5.2、主程序模块- 11 -5.4、显示子程序设计- 11 -第6章 系统仿真与调试- 13 -6.1、Keil编译- 13 -6.2、Protues仿真平台- 13 -6.2.1、Protues仿真简介及部分模块仿真- 13 -6.2.2、硬件电路总图与仿真- 14 -第7章 课程设计总结- 16 -附录- 17 -汇编程序- 17 -PCB版：- 19 -参考文献- 21 -22步进电机正反转控制第一章 设计目的及要求1.1、设计目的本次课程设计目的在于系统地运用已学的理论知识解决实际问题的能力和查阅资料的能力。培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力，能通过独立思考、查阅工具书、参考文献，寻找解决方案；单片机基本应用系统的设计方法。真正的把所学单片机理论知识应用于实际，更加熟悉51单片机的硬件与软件。能灵活运用Keil进行软件编程调试以及用proteus软件仿真。本次设计组成步进电机控制系统，画出系统硬件电路图，LED显示、驱动、控制等子程序。在调试程序时，要求整个系统工作正常、显示正确、结果满意。1.2、设计要求1.2.1、课程设计要求 能熟练运用51单片机实现硬件与软件结合完成电子产品的设计，把理论真正运用于实践，会用Keil等软件编程调试运行，熟悉应用Proteus软件仿真。强化编程练习，注意查询方式与中断方式的区别等等。1.2.2、基本设计功能要求主要分为以下几个部分：（1）具有速度和转向设定功能。（2）具有复位功能，在出状况时能及时停止。（3）具有开始、停止以及正反转键。（4）转速以及转向由数码管显示。第2章 方案设计2.1、题目及要求功能分析2.1.1、步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其精度高等特点，广泛应用于各种工业控制系统中。2.1.2、步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为单四拍，即 A -B C - D。如果按反序通电换相，即则电机就反转。2.1.3、步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 2.2、研究背景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，本次设计了一套简单的通用控制系统，对步进电机的转速、方向实行手动控制，并能通过数码管显示其转速。2.3、本文研究的主要内容 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。本次课程设计主要采用AT89S52芯片，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003A以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的显示出来。控制系统主要由硬件设计和软件设计两部分组成。2.4、方案论证2.4.1、方案方案：因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。所以怎样产生这个脉 冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。p0.0p0.7AT89C51单片机p2.0p2.3p1.0p1.3p3.0p3.4四位数码显示管 控制按键复位部分步进电机驱动部分外部晶振电路图2.1 系统方框图用软件控制单片机产生脉冲信号，通过单片机的P1口输出脉冲信号，因为所选电机是两相的，所以只需要P1口的低四位 P1.0P1.3分别接到电机的四根电线上。可以通过调整输出脉冲的频率来调整电机的转速，通过改变输入脉冲的顺序来改变转动方向，P0口接LED数码管，可以显示当前的电机转速和转向，设置复位键可使正在转动的电机停止转动，大概可分为如下图所示的几部分。第3章 主要元器件介绍3.1 AT89C51单片机介绍3.1.1 AT89C51芯片简介AT89C51是MCS51系列单片机中的一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。 主要性能：与MCS-51 微控制器产品系列兼容。 片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器存储数据保存时间为10年。宽工作电压范围：Vcc可为2.7V到6V全静态工作；可从0Hz至16MHz 程序存储器具有3级加密保护 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、中断结构具有5个中断源和2个优先级、可编程全双工串行通道、空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统各部分功能及说明类似于8051单片机内部结构说明。 特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 由上可见， 89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个1位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机设计的精美之处。3.1.2 引脚说明 图3.1是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。图3.1 AT89C51引脚图P00P07 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。P10P17 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。P20P27 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。P30P37 P3口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。1、P0口有三个功能： (1)外部扩展存储器时，用作数据总线（如图中的D0D7为数据总线接口）(2)外部扩展存储器时，用作地址总线（如图中的A0A7为地址总线接口）(3)不扩展时，可做一般的I/O口使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。2、P1口功能：P1口只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。3、P2口有两个功能：(1)扩展外部存储器时，当作地址总线使用；(2)做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。4、P3口有两个功能：除了作为I/O口使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。5、ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。PROG为编程脉冲的输入端，在89C51单片机内部有一个4KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。6、PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作:(1)内部ROM读取时，PSEN不动作；(2)外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；(3)外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；(4)外接ROM时，与ROM的EA脚相接。7、EA/VPP 访问程序存储器控制信号：(1)接高电平时：CPU读取内部程序存储器（ROM）(2)接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。8、RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。9、XTAL1和XTAL2 ：外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。10、VCC：电源端接+5V电压输入。11、GND：接地端。3.2、ULN2003A简介 ULN2003管脚排列如下图所示：图3.2 ULN2003ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA.资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。uln2003的作用：ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。3.3、7SEG-MPX4的四位LED数码管7SEG-MPX4是8位八段共阴数码管，显示为蓝色。其段选线接在P0口，位选线接在P2口。图3.3 7SEG-MPX4四位LED数码管3.4、步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步进角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。如果给步进电机一个持续脉冲，也可以使电机固定在某一角度，因此步进电机还有定位的功能，可以用于起重机上。其内部结构如下图所示：图3.4步进电机内部结构示意图按照一定的顺序向步进电机的各相分配驱动脉冲。对于四相步进电机，如果采用单四拍方式，其脉冲的方式和顺序是A-B-C-D-A，就这样循环就可以转动。如果采用四相八拍方式，其脉冲分配的方式和顺序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。（以四相八拍方式为例，编码是低电平有效）表3.1 四相步进电机励磁工作方式示例编码结果ABCD0701110300110910110B10010D11010C11000E1110060110控制转动方向，只需考虑在脉冲分配时注意其顺序即可，对于四相步进电机，若脉冲分配方式和顺序是A-B-C-D-A为正转，则其反转脉冲分配方式和顺序是A-D-C-B-A。第4章 硬件电路设计硬件电路的设计主要包括+12V稳压源设计、晶振时钟电路设计、复位电路设计、显示电路设计、驱动电路以及提示电路的设计。4.1、晶振时钟电路设计时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地一拍一拍地工作。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。在本系统中采用外部时钟方式的电路.电路如图所示：图4.1 系统的时钟电路在本设计中的电容C1、C2典型值为3010 pF。外接代内容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性。同时，在系统中采用12MHz的晶体振荡器来产生时钟脉冲。这样可以满足系统在设计时的机器周期的需要。4.2、复位电路设计复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电路，这样复位键有复位和停止两个功能.电路如图所示：图4.2 复位电路当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部复位电路的电容充电来实现，只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位功能。在本系统中，采用10uF的电容和100k的电阻来实现复位电路。当系统出错时，直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。4.3、显示电路设计显示电路中采用四位LED数码管显示，最左边一位作为转动方向位，正转时不显示，反转时显示“-”，后边三位显示转速，左边为低位，右边为高位，转速的单位为转分。为了提高数码管的显示效果，在数码管的输入端接上拉电阻。在本设计中采用型号为7SEG-MPX4的四位LED数码管，显示控制字由P0口输出，P0.0P0.7分别与数码管的Adp连接，位控制口由P2口的P2.0P2.3输出，分别与数码管的1、2、3、4连接。电路如图所示：图4.3 显示电路4.4、驱动电路由单片机直接输出的脉冲不足以驱动步进电机正常工作所以需要驱动电路给步进电机提供电源，在本设计中采用型号为ULN2003A的芯片，使步进电机正常工作。驱动信号由P1口的P1.0P1.3输出，分别与驱动芯片的B1B4相连图4.4 驱动电路第5章 软件设计及主要子程序5.1、软件设计思路步进电机控制系统工作的主要过程是接通电源，通过按键控制正反转，同时LED显示转速及转向情况，按下复位键后电路复位，电机停止转动，显示器不在显示。5.2、主程序模块主程序需具备的功能，要不断扫描P3口并判断K1和K2是否闭合，并能根据其电平高低，输出不同的控制脉冲，并调用显示子程序显示转速及方向，（此模块程序见附录）。 主程序初始化程序逆序输出脉冲K2闭合？K1闭合？正序输出脉冲 调用显示子程序1调用显示子程序2NYNY图5.1 主程序流程图5.4、显示子程序设计 显示子程序设计 流程图如下：（显示子程序设计模块程序见附录） 显示速度输出位控制字返回主程序调用延时子程序正转显示输出断码控制字反转显示置初始值置初始值图5.2 主程序流程图第6章 系统仿真与调试6.1、Keil编译Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势， Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。如果使用C语言编程，那么Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。本次设计采用汇编语言编程，生成.hex文件以供装载到Protues中的单片机进行仿真。6.2、Protues仿真平台6.2.1、Protues仿真简介及部分模块仿真Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。迄今为止是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译。目标代码的加载方法为，在Protues编辑环境双击AT89C51，弹出下图所示的对话框，在PROGRAM FILM一栏中单击打开按钮，选中Keil中生成的lzy.hex文件，在CLOCK FREQUENCY栏中设置系统工作频率为12MHZ，单击OK完成目标代码的加载。图6.1 程序代码加载6.2.2、硬件电路总图与仿真整体电路图如下：图6.2 总图电路仿真绘制完电路图后，将编好的程序输入软件内检查所编程序是否正确，检查程序无误后装入单片机内，进行防真。系统进入仿真模式后，令正转键K1闭合，步进电机正转工作，可以看到如下图所示：图6.3 电机正转在正转时，如果按下复位键，电机会停止转动，数码管也将不显示转速。反转键K2闭合，步进电机开始反转工作，显示的转速为负值，如下图所示：图6.4 步进电机反转第7章 课程设计总结一周的课设很快的就结束了，本次课设主要以单片机为基础，用单片机来控制电机的转动，熟悉单片机的一般搭建电路，了解一般电子电路与单片机构成简单系统及简单编程的方法。熟练掌握了KeilC51集成开发环境的使用方法，进一步加深对单片机常用指令的理解与运用。能够较熟练的运用protues绘制电路原理图以及进行仿真。以及keilc51和protues的联合调试。在课设过程中，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题、全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及常用编程设计思路技巧的掌握方面有了很大的提高。同时在老师的悉心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，单片机领域对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助，使我们积累实际电子制作经验，达到学以致用的目的。经过我的不懈努力，把步进电机的结构、工作原理及控制其正、反转等一一弄明白了，但是这离课程设计需要掌握的知识相差甚远，我只能不断的向老师和同学请教，然后仔细的揣摩。在这次课程设计中，通过用单片机控制步进电机的正、反转，我也对单片机的知识也进行了复习和巩固。在学习单片机的时候觉得学了一点用都没有，通过这次设计让我明白了单片机的功能如此的强大。实践是检验真理的唯一标准，学习再多的理论也只能纸上谈兵，只有把理论应用到实践中，才能检验出理论的真伪。通过这次的课程设计，我不仅把单片机的有关知识系统的复习了一遍，而且学会了各种设计电路的软件，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，这次设计实在是让我获益匪浅。附录汇编程序;*;主程序：ORG 00HSTART: MOV R0,#03H MOV R4,#00H MOV P1,#03HWAIT: MOV P1,R0 ;初始角度,0度 MOV P3,#0FFH JNB P3.0,POS ;判断键盘状态 JNB P3.1,NEG SJMP WAIT JUST: