基于单片机的步进电机控制课设论文

1、课程设计（论文）题目名 称步进电机控制器的设计课程名 称单片机原理与应用学生姓名*学号0741227261系、专业信息工程系信息类扌旨导教师刘伟春2009年4月29日i邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业07 信本二班学生姓名*学 号0741227261题目名称步进电机控制器的设计设计时间4.17 至 4.30课程名称单片机原理及应用课程编号131300109设计地占老实验楼一、课程设计（论文）目的通过查资料、选方案、设计电路、编写程序，调试程序和撰写设计报告等方式使 学生得到一次较全面的开发设计训练。理论联系实际，培养和提高学生创新能力，为 后续课程的学习、毕业设计、毕业后的工作打下基础。

2、二、已知技术参数和条件本步进电机控制系统主控芯片米用 AT89C51，显示部件米用LED数码管，人机交 互接口采用行列式键盘，电机驱动电路采用L298。该步进电机控制系统能实现电机正转，反转，暂停，并能实时显示转动的圈数。三、任务和要求设计一个步进电机控制系统，要求：1. 设计出硬件电路；2. 设计出软件编程方法，并写出源代码；3. 用PROTEUS进行仿真；4. 论文格式要符合学院的统一规定，结构要合符逻辑，表达要得体。注：1 此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效;2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各 1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等

3、）1有PROTEUS实验室，拥有正版的 PROTEUS仿真软件；2有电子综合试验室，拥有51系列单片机，DSP, FPGA等专用开发软件和仿真下载 设备；3.有学校购买的丰富的电子资源（如中国知网，万方数据库等）。五、进度安排2009417分组、卜发任务书、安排进度、宣布纪律；2009418 至 2009.4.20调研、查找资料；2009.4.21总体方案设计；2009.4.22 至 2009.4.23硬件电路设计；2009.4.24 至 2009.4.26软件设计及电路仿真；2009.4.27 至 2009.4.28撰写课程设计报告；2009.4.29仿真结果验收，简单答辩；2009.4.3

4、0六、教研室审批意见成绩评定、资料归档。教研室主任（签字）：年月 日七卜主管教学主任意见主管主任（签字）：年月 日八、备注学生（签字）：指导教师（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学 号0741227261专业班级07级信息类课程名称单片机原理学生姓名*系 另H 信息工程系二班题目名称步进电机控制器的设计与应用、学生自我总结学生签名：年 月 日、指导教师评定评分项目资料查 阅编写规范基本技能设计能力科学素养工作量综合成 绩权重101225301310单项成 绩指导教师评语：指导教师（签名）：年月日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面

5、;2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。步进电机是一种将电能转化为角位移的装置。当它接收到一个脉冲信号，步进电机 按设定的方向转动一个固定的角度。其广泛应用于工农业生产和人们的生活中，如：数 控机床的横纵向走刀、线切割的工作台拖动、空调的电子膨胀阀、办公用品的打印、微 机的光盘驱动等。本设计主要设计了一个基于 80C51单片机对步进电机的运行控制，涉及到位置控 制和加减速控制。其中位置控制是最主要控制，要求在位置上实现准确控制（要求转动 步数由数字键直接输入），运行速度在线可调，并要求具有运行步设置在线正、反转及 启停控制。本设计主要就是将步进电机与单片机紧密联系起

6、来，通过单片机的驱动程序 来控制步进电机的各种运行动作，以实现传统的步进电机的高度自动化。关键字： 位置控制；加减速控制；在线速度可调；正转；反转121 步进电机1.1步进电机简介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，电机则转过一个步距角。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。步进电机分为反应式、永磁式、混合式三类。其中混合式步进电机综合了反应式和 永磁式的优点，

7、它的动态性能好，控制精度高，是目前应用最广泛的一种。1.2步进电机的基本特点步机电机之所以得到广泛应用的原因是由于步进电机有下列特性：1:步机电机是在脉冲作用下工作，步机电机的速度与加在绕组上的脉冲频率成正比2：步进马达具有瞬间起动与急速停止的特性。3：改变线圈励磁的顺序，可就能改变马达的转动方向。1.3步进电机的原理步进电机由定子和转子两部分组成，下面以一两相反应式步进电机为例，说明步进 电机工作原理。如下图1.3-1所示，二相步机电机的定子上有两对磁极，按N、S、N、S分配,每两个相对的磁极组成一对。每对磁极都缠有同一个绕组，形成一相。转子是由软磁材 料制成的，其外表面均匀分布着小齿，它们

8、大小相同，间距相同。这些小齿与定子磁极 上的小齿的齿距相同形状相似。如图按右表1.3-2的时序给步机绕组通电，步进电机将产生转动，改变相序通电，步进电机的转向将反相，停止发送脉冲，步机电机将停止运转表1.3-2通电次序B图1.3-1步进电机结构顺序相ABA，B，00100101102001131001反方向旋转正方向旋转2单片机识的相关知识2.1单片机简介单片机全称为单片机微型计算机 (Si ngle Chip Microsoftcomputer)。从应用领域 来看，单片机主要用来控制，所以又称为微控制器 (Microcontroller Unit)或嵌入式 控制器。单片机是将计算机的基本部件

9、微型化并集成在一块芯片上的微型计算机。2.2单片机的发展史 1 . 4位单片机1975年，美国德克萨斯仪器公司首次推出 4位单片机TMS-1000；此后，各个计 算机公司竞相推出四位单片机。日本松下公司的 MN1400系列，美国洛克威尔公司的 PPS/1系列等。四位单片机的主要应用领域有：PC机的输入装置，电池充电器，运动器材，带液晶显示的音/视频产品控制器，一般家用电器的控制及遥控器，电子玩具， 钟 表，计算器，多功能电话等。2.8位单片机1972 年,美国Intel公司首先推出8位微处理器8008,并于1976年9月率先推出 MCS-48系列单片机。在这以后，8位单片机纷纷面市。例如，莫斯

10、特克和仙童公司合 作生产的3870系列，摩托罗拉公司生产的6801系列等。随着集成电路工艺水平的提 高，一些高性能的8位单片机相继问世。例如，1978年摩托罗拉公司的MC6801系 列及齐洛格公司的Z8系列，1979年NEC公司的UPD78XX系列。这类单片机的寻 址能力达64KB，片内ROM容量达4-8KB，片内除带有并行10 口外，还有串行10 口，甚至还有AD转化器功能。8位单片机由于功能强，被广泛用于自动化装置、 智能仪器仪表、智能接口、过程控制、通信、家用电器等各个领域。3 . 16位单片机1983年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，各系列16位单片机纷纷面市。 这一阶段的代

11、表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年InteI推出 了 80C96,美国国家半导体公司推出的 HPC16040, NEC公司推出的783XX系列 等。16位单片机主要用于工业控制，智能仪器仪表，便携式设备等场合。4.32位单片机20世纪80年代末推出了 32位单片机，如Motorlora公司的MC683XX系列， Intel的80960系列，以及近年来流行的ARM系列单片机。32位单片机是单片机的发 展趋势，随着技术的发展及开发成本和产品价格的下降，将会与 8位单片机并驾齐驱。 5.64位单片机近年来，64位单片机在引擎控制，智能机器人，磁盘控制，语音图像通信，算

12、法 密集的实时控制场合已有应用，如英国Inmos公司的Transputer T800是高性能的64 位单片机。2.3单片机的特点1 .单片机的存储器ROM和RAM时严格区分的。ROM称为程序存储器，只存放程 序，固定常数，及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。2 采用面向控制的指令系统。为满足控制需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别 是单片机具有很强的位处理能力。3 .单片机的I/O 口通常时多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际 引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，弓I脚处于何种功能，可由 指令来设置或由机器状态来区分。3控制系统的硬件

13、设计3.1基于单片机的步进电机控制方案如下图所示键盘系统由命令输入单元，微处理器和功率放大器三部分组成。键盘负责发布命令、 输入数据，采用带中断的行列式键盘，微处理器负责将命令转化成控制信号。功率放大 器具有信号放大的功能。123设置456正转789反转Esc0En te停止P1.0P1.1P1.2P1.31P1.4P1.5CAP1.6P1.7步进 电机 驱动 电路图3.1 1单片机控制步进电机原理图AYYY74HC30p3P3.ToN3.2步进电机的电路设计在Proteus环境选用下例元器件，设计电路如图10.19所示。 IN4003、BUTTON :二极管、按纽； 7SEG-MPX4-CA

14、、RESPACK-8、80C51、共阳四位一体数码管、排阻、单片机； RES、CAP、CAP-ELEC、AND-4、CRYSTAL :电阻、电容、电解电容、 4输入与门、晶振； MOTOR-BISTEPPEA、L298:步机直流电机、电机驱动模块；R12|P2 W 起砂沖 P25AA11 P.2砒悅 P25W13 PS&A14 PZ 7 .15F3DfRXP 阿 VTXD P3 2HNTCP3 3-UT-P3 4H1&P15TT1P3附W JJRDX1 C2HIwi呂 Loa mz u4fl1I0Ld29I0Iu uzL二 IJ1 -3 KJIHPSEN ALEEAPBCOEFG iDP123

15、1一AJOL Jhl一JCd動15 O-a- r-os-jOq O-O-厂g k-DL r=O O=*-D- ir=O .0-O-1 if0 图3.2-1整个电路设计图3.3 数码管显示：用一位共阴极数码管和单片机的 P0 口相连，显示电机转速的档 位，有一档、二档、三档，分别显示 1、2、3,在启动时初显示0,清零后也显示0.图3.3-1.共阴极数码管3.4键盘电路设计当按键数大于8时，通常采用行列式键盘电路。如图所示为用单片机扩展I/O 口组成 的行列式键盘电路。该图中行线 P2.0到P2.5通过上拉电阻接+Vcc，且P2.0- P2.3 为列线处于输出状态，P2.4-P2.5为行线，处于

16、输入状态。按键设置在行、列线交点上， 行、列线分别连接按键开关的两端。当键盘上没有键闭合时，行线和列线之间时断开的，所有行线输入全部为高电平。当按下键盘上的某个键使其闭合时，则对应的行线和列线短路，行线输入即为列线输出。 如果此时把所有列线初始化为输出低电平，贝U通过读取行线输入值的状态是否全为1，即可判断有无键按下。共设八个按键，为一档、二档、三档、正转、反转、暂停、继续 和清零。具体键盘电路如下图：0“一档二档H4三档2 正转4控制系统的软件设计程序主要分为主程序、键盘（中断）程序4.1主程序设计主程序主要完成初始化，设置中断入口程序，并将 R7寄存器的5、6、7三位做 为功能标志位，R7

17、中的值不停地送累加器，并检测累加器高三位是否为 1,若其中有 某位为1则转向相应的功能程序。主程序不断的循环处于等待中断状态。流程图如图所示：主程序流程图4.1-1主程序流程图145部分:4.2键盘程序（中断程序）设计主程序运行期间，若产生中断则转入键盘程序。键盘程序分为1. 判断键盘上有无键按下2. 去除抖动的影响3. 扫描键盘，得到按下键的键号4. 判别闭合的键是否释放5. 键号入累加器，结束中断中断流程图如图所示：4.3仿真图在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。Proteus是英国Labcenter公司开发的 电路分析与仿真软件。运行于 Windows操作系统上，可以仿真、分析（

18、SPICE）数字电 路、模拟电路、数模混合电路，是目前唯一能实现对 51、PIC、AVR、HC11、ARM 等处理器的仿真软件。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。 因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的 改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实 验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。 3国昌団；：!-*- * Q 致 口i “ - 1 船z z 1 I 霾|叵1科盂丨81昭冗已丨阳囱丨團叵文

19、件Q 查看3）端辑官工具设计宙 图形 遞您件调试）阵 模扳血）系sta 帮勖官4皿歩进电机控制 TSIS F-roFassi analing)P| L|1 400：录虽IMrw吕丁借回沂湖Is/75EG-MF：4-CA 1CWATTQR1 SDC51I AND 4BUTTON CAPCAP-ELEC CRYSTAL L298MOTORBISTEPPEH RESRESPACKeC1 TV Xi .J112C31 k J Ik | II | | U5 Message(i)ANIMAT NG: 00:00 45.300000 I CPU load 19 期图4.3-1原始数码管显示38l ,叵口注貳

20、违壽囱囤徽串步題Q題口 A 劇宙凰A冏囲丨画imna型回C宀 II | O 5Me$ge($| |ANIMATING: OOtCO: 113500()0(CPU had 13K)图4.3-2开始运行程序时数码管显示皿 步进电机控制 _ ISIS Professi onal (failmating)启餌SDO C= = 1 齡文件迪 查看 编辑 工具 设计b 图形 源文件 调试 库 模板 丟统辺 帮助HIBnIon o7J-I1N4003C9厂一 * +D7SEG-MFX4-C4 10WATT0R1 0OC51AND_4BUTTONCAPCAP-ELE 匚CRYSTAL L298MOTOR-BI

21、STEPPER RESRESPACK-SitCiiHiJM?HJMJ 忍盘.EtiMT*匚口已产怙dr1E3+L6-粗Pf:购KLM-ie-Bhg订阳伽 HJiTW PilliiTr pi s me* HLS! II | |O5 Mtssagefi)ANIMATING: 00:01:00.SOOOOO (CPU badTBSC)图4.3-4反转一段时间后数码管显示5具体程序清单ORG 0000HLJMP MAINORG 0013HLJMP KEYLORG 0030H;初始化MAIN : MOV SP,#60HMOV R0,#00HMOV R1,#00HMOV R3,#40MOV 72H,#40

22、MOV P2,#0F0HCLR P3.4CLR 06H;主程序;显示程序CLR P1.0CLR P1.1CLR P1.2CLR P1.3MOV 43H,#00HMOV 42H,#00HMOV 41H,#00HMOV 40H,#00HMOV R7,#00HSETB EASETB IT1SETB EX1START : SETB 20HCJNE R7,#1 ,L1CLR 20HLCALL ZZSETB 20HL1 : CJNE R7,#2,L2CLR 20HLCALL FFSETB 20HL2 : LCALL LEDNNT3 : LJMP STARTLED : MOV DPTR,#TABSETB P

23、1.4CLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7MOV A,43HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL TTCLR P1.4SETB P1.5CLR P1.6CLR P1.7MOV A,42HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL TTCLR P1.4CLR P1.5SETB P1.6CLR P1.7MOV A,41HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL TTCLR P1.4CLR P1.5CLR P1.6SETB P1.7MOV A,40HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL TTCLR P1.7RETKEYL: MOV D

24、PTR,#JSCLR EX1MOV 70H,R0MOV 71H,R1MOV 72H,R3MOV A,P2MOV P2,#0FHMOV 01H,P2MOV P2,#0F0HJNB ACC.4,E1JNB ACC.5,E2JNB ACC.6,E3JNB ACC.7,E4SETB EX1RETIE1:MOV 20H,#0LJMP KEYHE2:MOV 20H,#4LJMP KEYHE3:MOV 20H,#8LJMP KEYHE4:MOV 20H,#12;键盘程序LJMP KEYH KEYH:MOV A,01HJNB ACC.OQOJNB ACC.1Q1JNB ACC.2,D2JNB ACC.3,D3

25、SETB EX1RETIDO: MOV A,#0ADD A,20HMOV B,#3MUL ABJMP A+DPTRD1: MOV A,#1ADD A,20HMOV B,#03HMUL ABJMP A+DPTRD2: MOV A,#2ADD A,20HMOV B,#3MUL ABJMP A+DPTRD3: MOV A,#3ADD A,20HMOV B,#3MUL ABJMP A+DPTRJS: LJMP LOOP1LJMP LOOP2LJMP LOOP3LJMP LOOP10LJMP LOOP4LJMP LOOP5LJMP LOOP6LJMP LOOP11LJMP LOOP7LJMP LOOP8

26、LJMP LOOP9LJMP LOOP15LJMP LOOP0LJMP LOOP12LJMP LOOP13LJMP LOOP14LOOPO:JB 20H,SS0LJMP WXSS0: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#0LJMP RRTLOOP1:JB 20H,SS1LJMP WXSS1: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#1LJMP RRTLOOP2:JB 20H,SS2LJMP WXSS2: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#2LJMP RR

27、TLOOP3:JB 20H,SS3LJMP WXSS3: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#3LJMP RRTLOOP4:JB 20H,SS4LJMP WXSS4: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#4LJMP RRTLOOP5:JB 20H,SS5LJMP WXSS5: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#5LJMP RRTLOOP6:JB 20H,SS6LJMP WXSS6: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HM

28、OV 40H,#6LJMP RRTLOOP7:JB 20H,SS7LJMP WXSS7: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#7LJMP RRTLOOP8:JB 20H,SS8LJMP WXSS8: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#8LJMP RRTL00P9:JB 20H,SS9LJMP WXSS9: MOV 43H,42HMOV 42H,41HMOV 41H,40HMOV 40H,#9LJMP RRTLOOP10:MOV A,43HMOV B,#10MUL ABADD A,42HMOV R0

29、,AMOV A,41HMOV B,#10MUL ABADD A,40HMOV R1,AMOV R3,#40SETB P3.4SETB 06HMOV R7,#1MOV 73H,R7SETB EX1RETILOOP11:MOV A,43HMOV B,#10MUL ABADD A,42HMOV R0,AMOV A,41HMOV B,#10MUL ABADD A,40HMOV R1,AMOV R3,#40SETB P3.4SETB 06HMOV R7,#2MOV 73H,R7SETB EX1RETILOOP12:CLR 06HSETB EX1MOV R0,70HMOV R1,71HMOV R3,72H

30、MOV R7,73HRETILOOP13:SETB P3.4SETB 06HMOV R0,70HMOV R1,71HMOV R3,72HCJNE R0,#00H,GP1CJNE R1,#00H,GP2LJMP GPGP1: INC R3LJMP GPGP2: DEC R1GP: MOV R7,73HSETB EX1RETIL00P14:M0V SP,#60HMOV R0,#00HMOV R1,#00HMOV R3,#40MOV 72H,#40MOV P2,#0F0HCLR P3.4CLR 06HCLR P1.0CLR P1.1CLR P1.2CLR P1.3MOV 43H,#00HMOV 42

31、H,#00HMOV 41H,#00HMOV 40H,#00HMOV R7,#00HSETB EASETB IT1SETB EX1SETB EX1RETILOOP15:JB 20H,SS10LJMP WXSS10: MOV 40H,#00HMOV 41H,#00HMOV 42H,#00HMOV 43H,#00HSETB EX1RETIRRT: SETB EX1CLR P3.4CLR 06HRETIWX: MOV R0,70HMOV R1,71HMOV R3,72HMOV R7,73HSETB 06HRETIZZ: CJNE RO,#OOH,FORWCYCLE;正转圈，步程序NEXT2:CJNE

32、R1,#00H,STEPLCALLSCMOV R0,#00HMOV R1,#00HMOV R3,#40MOV 72H,#40MOV P2,#0F0HCLR P3.4CLR 06HMOV 43H,#00HMOV 42H,#00HMOV 41H,#00HMOV 40H,#00HMOV R7,#00HSETB EASETB IT1SETB EX1RETFORWC YCLE:MOV R3,72HNEXTFORSTEP:LCALL FORWSTEPDEC R3JB 06H,NT2CLR P3.4RETNT2: CJNE R3,#OOH,NEXTFORSTEPMOV 72H,#40DEC R0LJMP Z

33、ZSTEP: LCALL FORWSTEP;正转一步子程序JB 06H,NT1CLR P3.4RETNT1: DEC R1LJMP NEXT2FORWSTEP:JB 06H,NTLCALLSCMOV R7,#0RETNT: SETB P1.0CLR P1.1SETB P1.2CLR P1.3LCALLSCSETB P1.0CLR P1.1CLR P1.2CLR P1.3LCALLSCSETB P1.0CLR P1.1CLR P1.2SETB P1.3LCALL SCSETB P1.3CLR P1.0CLR P1.1CLR P1.2LCALLSCCLR P1.0SETB P1.1CLR P1.2

34、SETB P1.3LCALLSCCLR P1.0SETB P1.1CLR P1.2CLR P1.3LCALLSCCLR P1.0SETB P1.1SETB P1.2CLR P1.3LCALLSCCLR P1.0CLR P1.1SETB P1.2CLR P1.3LCALLSCRETFF: CJNE RO,#OOH,BACKWCYCLE;反转圈，步程序NEXT4:CJNE R1,#00H,STEP1LCALLSCMOV R0,#00HMOV R1,#00HMOV R3,#40MOV 72H,#40MOV P2,#0F0HCLR P3.4CLR 06HMOV 43H,#00HMOV 42H,#00HMOV 41H,#00HMOV 40H,#00HMOV R7,#00HSETB EASETB IT1SETB EX1RETBACKWC YCLE:MOV R3,72HNEXTBACKSTEP:LCALL BACKSTEPDEC R3JB 06H,NT4CLR P3.4RETNT4: CJNE R3,#00H,NEXTBACKSTEPMOV 72H,#40DEC R0LJMP FFSTEP1:LCALL BACKSTEP ;反转一步子程序JB 06H,NT3CLR P3.4RETNT3: DE