单片机课程设计步进电机控制

1、天津职业技术师范大学tianjin university of technology and education单片机原理课程设计说明书作业题目 步进电机控制 摘 要 单片机技术是计算机技术发展的一个重要分支。由于单片机具有集成度高、体积小、可靠性高、价格便宜等特点，在机电一体化、工业控制、仪器仪表、家用电器、信息和通信产品、军事装备等领域均得到了广泛的应用。而步进电机就是其中的一小部分。步进电机是把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和

2、磁盘等装置。 步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。目 录摘要2步进电机介绍4 1.1步进电机的概念4 1.1步进电机的特点4设计要求及任务5设计目的及原理5 3.1设计目的5 3.2设计原理53.3步进电机工作原理6四、所需设备7五、设计思路

3、7 5.1提出方案7 5.2方案论证7六、调试程序9七、设计程序13八、总结17九、参考文献18第一章 步进电机介绍1.1步进电机的概念 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。我们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；同时我们也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。 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 距角。这一线性关系的存在，加上

4、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。 从原理上讲，步进电机是一种低速同步电动机。 1.2步进电机的特点 1. 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。 2. 步进电机外表不允许较高的温度，步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130 度以上，有的甚至高达摄氏200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常。 3. 步进电机的力矩

5、会随转速的升高而下降，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4. 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 5. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 6. 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。 7. 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。 8. 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源

6、和直流电源。 9. 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 10. 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。第二章 设计要求及任务 用p1.0p1.3口控制一台步进电机，用两种方法实现单双八拍控制。晶振频率12mhz第三章 设计目的及原理3.1设计目的 通过具体小型测试系统设计，实践单片机系统设计，上机调试及再设计的全过程，以加深对单片机内部结构、原理功能和指令系统的进一步理解，并进一

7、步学习单片机开发系统的原理与应用以及一些外围芯片的接口和编程调试方法与技巧初步掌握单片机系统的硬件、软件设计技巧及调试技巧。3.2设计原理 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。可以通过控制脉冲来控制角位移量，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的目的。 本次设计的整体系统原理图如下图所示： 系统原理框图3.3步进电机工作原理 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍

8、与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图a、b、c所示： a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍步进电机工作时序波形图第四章 所需设备1、电脑一台2、51单片机开发系统一块3、步进电机一个4、 usb转串口线，电源线第五章 设计思路5.1提出方案 电机的运转一般由脉冲信号和方向信号来控制的，脉冲的频率控制电机的转速，脉冲的个数控制电机的转角，用单片机控制步进电机，可以用一个输出口发送脉冲：高电平-延时-低电平-延时-.延时的长短控制脉冲的频率，电平的转换次数就是脉冲个数。 因为步进电机的控制室通过脉冲信

9、号来控制的，经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脉冲信号是电机控制的关键。5.2方案论证 用单片机来产生着个脉冲信号，通过单片机的p1口输出脉冲信号，因为所选电机是四相的，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。调试好程序之后转盘转动。单片机的引脚功能:1）vcc（40）：电源+5v。2）vss（20）：接地，也就是gnd。3）xtl1（19）和xtl2（18）：振荡电路。4）psen（29）：片外rom选通信号，低电平有效。5）ale/prog（30）：地址锁存信号输出端/eprom编程脉冲输入端。6）rst/vpd（

10、9）：复位信号输入端/备用电源输入端。7）ea/vpp（31）：内/外部rom选择端8）p0口（39-32）：双向i/o口。9p1口（1-8）：准双向通用i/0口。9）p2口（21-28）：准双向i/0口。步进电机驱动和单片机连线图 第六章 调试程序1、打开keil软件，建立一个新工程，单机【project】在下拉菜单中找到【new project.】选项，如图1所示图1 建立新的工程组2、选择工程要保存的路径，并且输入工程文件名。keil的一个工程里通常含有很多小文件，为了方便管理，一般将一个工程放在一个独立的文件夹下，并且给文件命名，如图2所示。图2 定义工程文件名3、单击保存后会弹出一个

11、对话框，要求选择单片机的机型，可以根据使用的单片机来选择。在这里选择atmel的at89c52，如下图所示，选择后单机保存，如图3所示。图3 选择单片机的型号4、完成上一步骤后，窗口界面如图4所示。图4 工程组界面 5、到此为止，还没建好一个完整的工程，虽然工程名有了，但工程当中还没有任何文件及代码，接下来就是添加文件及代码。单击【file】菜单中的【new】菜单项，或者单机界面上的快捷图标，如图5所示。图5 新建文件6、新建文件后的窗口如图6所示。图6 文件界面7、此时光标在编辑窗口中闪烁，可以输入用户的应用程序，但此时这个新建文件与刚刚建立的工程还没有直接的联系，单机“保存”图标，窗口界面

12、如图7所示。图7 文件保存到工程组输入要保存的文件名，同时必须输入正确的扩展名“.a”，然后单击【保存】按钮。8、回到编辑界面，单机【target1】前面的“+”号，然后在【source goup 1】单击右键，弹出如图8所示的菜单。图8 添加程序至工程9、然后选择【add files to groupsourse group 1】菜单项弹出图9对话框图9 选择文件10、选中【text 1】，单击【add】按钮，再单击【close】按钮，然后再单击左侧【sourse group 1】前面的“+”,屏幕窗口如图10所示。图10 程序编写界面11、编写好程序就要进行程序的编译，单机工具栏上的“编译

13、”，在编译的过程中，如果出现错误，修改程序直到没有错误为止，然后一次点击“编译”“调试”，在此过程中出现错误的，也要修改程序直到没有错误为止，编译过程中出现警告一般不必考虑，但特殊时期也要通过修改程序消除警告。第七章 设计程序第一种方式org 0000hljmp main（跳转到主程序）org 0100h（主程序存放地址0100h）main:mov sp,#60h ;设置堆栈指针（设置堆栈的长度为60h byte，首先sp是堆栈指针指令，将立即数60h送sp，sp=（60h），即定义栈顶位置为 内部ram的60h单元）acall delay（ 调用delay子程序）smrun: ;电机控制方式

14、为单双八拍mov p1,#08h ;a acall delaymov p1,#0ch ;ab acall delaymov p1,#04h ;b acall delaymov p1,#06h ;bc acall delaymov p1,#02h ;c acall delaymov p1,#03h ;cd acall delaymov p1,#01h ;d acall delaymov p1,#09h ;da acall delaysjmp smrun ;循环转动delay: ;延时程序mov r4,#10 （t1=1s）delay1:mov r5,#250(t2=1s)djnz r5,$(t3

15、=1+2*250=501s)djnz r4,delay1（总延时时间：t4=1+10*(1+501)=5021s)）ret；end第二种方式org 0000h (程序起始位置)ajmp start (系统复位后跳转向主程序start) org 00bh （start的起始地址为00bh）ajmp tt1 （跳转到tt1）org 0030h （tt1起始地址0030h）start:mov p1,#0ffh （p1口置1）mov tmod,#01h （设置定时器0工作方式为1即16位定时器 ）mov r2,#08h 08h赋值给r2mov r1,#02h 02h赋值给r1 mov th0,#0d8

16、h 定时器0高八位初值mov tl0,#0f0h 低八位初始值orl ie,#82h 开启中断mov r0,#00h 00h赋值给r0setb tr0 启动定时器loop:mov a,r0 r0的内容给定时器amov dptr,#num dptr为间址寄存器movc a,a+dptrcjne r1,#00h,loop 寄存器r1的内容与0比较，不等则跳loopmov p1,a 累加器a中的数据传送到p1寄存器，也就是p1端口mov r1,02hinc r0 加一指令djnz r2,loop （r2)-1放入r2，r2-10sjmp start 跳转到startnum:db 0f1h,0f3h,

17、0f2h,0f6h,0f4h,0fch,0f8h,0f9htt1: 定时中断程序clr tr0 复位定时器t0dec r1 寄存器r1减一再放入到r1中mov th0,#0d8h 定时器高八位初值mov tl0,#0f0h 定时器低八位初值setb tr0 启动定时器t0reti 中断返回end 执行开始定时定时器结束开始初始化赋初值启动定时器电机开始结束 总 结通过这一学期单片机原理及其应用这门课程和本次课程设计,作为一名大四的学生，我们觉得做单片机的课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在课程设计环节中，我们觉得最困难的是程序设计，首先要理解原理，然后进行流程设计，转化为程序，进行调试，我们在调试的时候出现了很多错误，改错的过程是非常痛苦的，好在我们耐心地一一克服了，最后敲定了合理的程序。但问题并没有因此结束，当我们装上步进电机后，能否带动步进电机转起来等等一些列问题让我们感到手足无措，但是在老师的指导下也一一克服了，最后得到了较为满意的结果，在此感谢老师的悉心指导。还有一点体会就是要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅是实现功能，而应该让人一看就明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便。通过这次的课程设计，我们懂得了学习的重要性，了解到了理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，相信这些对我们今后的工作与学习都会