步进电机控制器设计

1、 北京信息科技大学机电综合课程设计 单片机部分题 目： 步进电机控制器设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 李 新 班级/学号： 机械1105/2011010131 同组成员： 董 方 指导老师： 姚小敏 起止时间：2014年12月22日 至 2014年12月26日摘要：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AT89C51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ULN2003以及相应的按键实现以上功能，

2、并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。控制系统主要由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括单片机的最小系统模块、电源模块、控制模块、步进电机ULN2003A驱动模块、彩灯显示模块5个功能模块的设计。并且通过仿真控制系统对硬件、软件进行了调试和改善，实现了上述功能。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。关键词：步进电机 单片机 电脉冲 驱动系统 目录1、课程设计目的及要求42、系统需求分析43、硬件系统分析64、设计小结105、程序及流程图116、参考文献131. 课程设计目的及要求1.1 课程设计目的通过课程设计，主要达到以下目的： 1、增强学生的动手能力，同时加深对

3、单片机原理的理解。 2、使学生掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、I/O口等。 3、使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计思想、原则、过程、方法及实现，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好基础。1.2 课程设计要求第一阶段：设计一种摆角模式，电机以设定转速（自定）顺时针转动90°后，延时1秒，再自动反转90°，然后再顺时针转，如此循环。分别采用单四拍和单双八拍方式驱动。第二阶段：设计4个功能按键K1-K4，分别控制步进电机的启动、停止、正转、反转、加速、减速，其中启停、正反转功能各由一个键实现。键盘电路要求采用独立式键盘接口形式。第三阶段：使用2x

4、2的矩阵键盘实现第二阶段的功能，并使用4位8段数码管显示电机转速（r/min）和转向，显示格式举例：0120。012代表转速为12r/min， 0代表电机正转（反转定义为1）。电机停止时全部显示。2. 系统需求分析2.1步进电机控制工作原理步进电机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行的数模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,本次设计的是四相电机。四相步进电机的工作方式有单四拍、双四拍和单双八拍3 种 。步进电机2.1.1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

5、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。 2.1.2步进电机的转向控制电机驱动方式可以采用双四拍(ABBCCDDAAB)方式，也可以采用单四拍(ABCDA)方式，或单、双八拍(AABBBCCCDDDAA)方式。三种工作方式的时序图分别如下：（图示为高电平有效） 双四拍 单四拍 单，双八拍2.1.3步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲 ,它就

6、转一步 ,再发一个脉冲 ,它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。2.2系统设计思路 我们本次设计的步进电机控制系统主要使用51单片机作为控制器，达林顿管IC ULN2003作为功放来驱动步进电机，通过单片机输出脉冲信号，由软件实现脉冲的分配和脉冲的频率调节。可以通过开关来控制系统的启/停工作，步进电机的正、反转和前进、后退的状态。其总体设计框图1所示：3. 硬件系统分析3.1主要元件简介3.1.1 AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable an

7、d Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。其特性如下：（1）面向控制的8位CPU； （2）一个片内振荡器和时钟产生电路，振荡频率为024MHz； （3）片内4KB Flash ROM程序存储器； （4）128B的片内数据存储器； （5）可寻址64KB的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路； （6）2个16位的定时/计数器； （7）4个并行I/O接口，共32条可单独编程的I/O线； （8）5个中断源，2个中断优先级；   （9）一个全双工的异步接口；   （10）21个特殊功能寄存

8、器；  （11）具有节电工作方式。 图2. AT89C51引脚图3.1.2ULN2003晶体管本设计采用ULN2003A芯片。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来处理的数据。 3.2模块分析3.2.1 时钟晶振电路时钟电路是整个系统的心脏，控制着步进电机工作节奏。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。 图3中的外接晶体以及电容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30

9、PF左右，晶振频率选12MHz。 图3时钟电路3.2.2 复位电路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4 复位电路3.2.3步进电机键盘接口电路独立按键：一个按键占用单独的一个I/O口；矩阵键盘：为了节省I/O口，通常将按键排列成矩阵形式，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。图5键盘接口电路3.2.4数码管显示电路 led数码管（LED Segment

10、 Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。 图6数码管显示图3.2.5 系统总电路 图7 电路总体仿真图4. 设计小结 本设计以AT89C51单片机为控制核心，利用其很好的处理能力，以及丰富的外围接口，同时可以直接利用数字脉冲实现精确运动的执行部件等特点对步进电机进行了很好的控制，本设计系统有如下优点：        

11、;                  (1)结构简单，控制部分成本低廉，维护方便。                             

12、  (2)配置灵活、方便、易于扩展。                                           通过这次步进电机的综合设计我学到了如何进行步进电

13、机选择，了解了单片机在工业上的使用，以及单片机的编程、扩展口的使用。学会了采用8位单片机对步进电机进行控制，通过I/O接口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片驱动步进电机以达到预期的控制要求 。                               &#

14、160;          在此次设计过程中，通过不断摸索，开拓了思维，同时也解决了不少以前尚未弄明白的问题，使自己的技术知识得到了巩固，提高了自己操作的能力。这次设计过程中，虽然遇到了一些问题，但是通过自己的仔细思考和研究，并在老师以及同学的帮助下，许多疑难问题都得到了解决。对自己的知识面和技术水平的提高有很大的帮助。               

15、0;                 通过设计我也认识到自己的不足，对细节的东西学的不够透彻，对知识深度的挖掘不够。同时我也感悟到与别人合作的快乐，团结就是力量，通过与同学的交流可以很快的学到很多东西。5.程序：一阶段：单四拍：;*;* *;* ME950单片机开发系统演示程序 - 步进电机正反转 *;* *;*;* *;* 步进电机步进角为7.5度。 *;* *;* 单四拍工作方式： *;* A-B-C-D-A (即一个脉冲

16、,转7.5度) *;* *;* ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0050H;*MAIN: MOV P0,#0FFH ;端口初始化 MOV P2,#0FFH MOV P1,#0F0HLOOP: MOV R3,#3 ;正转90度，30*3=90度FFW: ACALL MOTOR_F DJNZ R3,FFW MOV P1,#0F0H ;使步进电机掉电 ACALL DELAY1 ;延时2s MOV R3,#3 ;反转90度，30*3=90度REV: ACALL MOTOR_R DJNZ R3,REV MOV P1,#0F0H ;使步进电机掉电 ACALL DELAY1 ;延时2s AJ

17、MP LOOP;*; 步进电机正转30度子程序; 一个脉冲转7.5度,4个脉冲转30度。;*MOTOR_F: MOV R0,#00HFFW1: MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE_F MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY INC R0 CJNE R0,#04H,FFW1 RET;*; 步进电机反转30度子程序; 一个脉冲转7.5度,4个脉冲转30度。;*MOTOR_R: MOV R0,#00HREV1: MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE_R MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY INC R0 CJNE

18、 R0,#04H,REV1 RET;*; 延时子程序 (步进电机的转速);*DELAY: MOV R7,#14DEL1: MOV R6,#230DEL2: DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET;*; 1s延时子程序;*DELAY1: MOV R5,#10DEL3: MOV R7,#200DEL4: MOV R6,#230 DJNZ R6,$ DJNZ R7,DEL4 DJNZ R5,DEL3 RET;*;单四拍工作方式编码;*TABLE_F: DB 0F1H,0F2H,0F4H,0F8H ;正转表 DB 00 ;正转结束TABLE_R: DB 0F8H,0F4H,0F2H

19、,0F1H ;反转表 DB 00 ;反转结束;* END ;结束;*单双八拍：;*;* *;* ME950单片机开发系统演示程序 - 步进电机正反转 *;* *;*;* *;* 步进电机步进角为7.5度。 *;* *;* 单双八拍工作方式： *;* A-AB-B-BC-C-CD-D-DA (即一个脉冲,转3.75度) *;* *;* ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0050H;*MAIN: MOV P0,#0FFH ;端口初始化 MOV P2,#0FFH MOV P1,#0F0H LOOP: MOV R3,#3 ;正转90度，30*3=90度FFW: ACALL MOTOR_F

20、 DJNZ R3,FFW MOV P1,#0F0H ;使步进电机掉电 ACALL DELAY1 ;延时2s MOV R3,#3 ;反转90度，30*3=90度 REV: ACALL MOTOR_R DJNZ R3,REV MOV P1,#0F0H ;使步进电机掉电 ACALL DELAY1 ;延时2s AJMP LOOP;*; 步进电机正转30度子程序; 一个脉冲转3.75度,8个脉冲转30度。;*MOTOR_F: MOV R0,#00H FFW1: MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE_F MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY INC R0 CJN

21、E R0,#08H,FFW1 RET;*; 步进电机反转30度子程序; 一个脉冲转3.75度,8个脉冲转30度。;*MOTOR_R: MOV R0,#00HREV1: MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE_R MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY INC R0 CJNE R0,#08H,REV1 RET;*; 延时子程序 (步进电机的转速);*DELAY: MOV R7,#14 DEL1: MOV R6,#250DEL2: DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET;*; 1s延时子程序;*DELAY1: MOV R5,#10 DEL3: MOV R7,#200DEL4: MOV R6,#100 DJNZ R6,$ DJNZ R7,DEL4 DJNZ R5,DEL3 RET;*;单双八拍工作方式编码;*TABLE_F: DB 0F1H,0F3H,0F2H,0F6H,0F4H,0FCH,0F8H,