林浩波--基于单片机的步进电机控制系统

1、第1章 弓i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4.5系统主要硬件电路设计2. 1单片机控制系统原理.52. 2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显不电路 8第3章系统的软件设计10103.1步进电机的位置控制3.2显示子程序131718结束语第5章参考文献基于单片机的步进电机控制系统第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

2、有重要的 现实意义和实用价值。木设计是基于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，木设计 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

3、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年來，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，其屮扫描仪、打印机、传真、 dvd-rom/cd-rom驱动器、空调及多功能白动化办公设备等应用对步进电机 的需求増长最强。此外由于usb2.0的益

4、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，木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。1.2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系统主要硬件电路设计2.1单片机控制系统原理图2-1单片机控制系统原理框图2. 2单片机主机系统电路at89c51是一种带4k字

5、节闪烁可编程可擦除只读存储器(fperomfalshprogrammable and erasable read only memory)的低电压，高性能 cm0s8 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屮，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

6、廉的方案。6-t3opf1918>xtal1xtal2x112mc2t30p293031rstpsen ale eavvcci|一c3osr11-2-3-4 5 6-7 8-p1.0 p1.1po.o/adop0.1/ad1p0.2/ad2p0.3/ad3p0.4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6p0.7/ad7p2.0/a8p2.1/a9p2.2/a10p2.3/a11p2.4/a12p2.5/a13p2.6/a14 p2.7/a15p3.0/rxdp3.1/txdp3.2/int0p3.3/inttp3.4/t0p3.5/t1p3.6wrp3.7/rd图2-2单片机主机系统图2

7、. 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xtal1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 际使用屮常采用这种方式，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cl构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快

8、速起 振的作用，其值均为30p左右，晶振频率选12mhz2. 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 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

9、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c1组成上电复位电路，其值r取为ik, c取为lpf.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，使用起來非常方便。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。l4r2r1l15r6b82412a3220j000l3l2b8

10、2412a3220j0(b82412a3mbjooob82412a322qjoood3 ws12sucn5804b图2-3步进电机驱动电路图23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21所示：表2-19、10脚真值表工作方式9脚10脚双四拍00八拍01单四拍10禁止112.4 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

11、示。 f i c9in 广 i b日:e d com c dp符号和引脚共阴极图2-4 led数码管结构原理图5v-h-h怜怜w料怜w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pl 口和p3 口控制，p3选中哪个数码管，哪个数码管

12、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110 口进行扩展才能满足实现 系统功能，如图27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，10/ m选通输入线与p2.4 口相连， 该系统中当p2.7=0rp2.4 =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2-28155端口地址分配abgoefgh abcdefgdp m二ma1a2a3y0y1y2y3191357 一蓝a7 -ppp

13、pj1:bma1a2a30ey0y1y2y39753u2xtal1xtal2rsthoo'adopo/.'adi 3p0.2ad2 电p0.3-ao3 票 p0 4'ad4 p0.5-a05 灯p0.6a06 烹p0.7/ao7 32293031pstn2345078p1.0 pl 1 pi 2 pl-3 pl .4 pi 5 pi 6 p-at89c5* ket-altpzaaa 5；p21.a9 令 p22a10 證 p2 3a11 孑： p2ga12 2 p2 5.a13 霍 p2 6a14p2 7/a15 严 p3.cvrxd 怦 p3wxdp3 2.1mt0

14、i?p3.3.1nt1；：p3.«p3.5h-1 p36wr ,7p3.7.rd 1z39rdcea9a10 alta12a13a14 a15dod1d2d3im：5d6reset43-f40鈴3b"1819202t22232425-14151617l3ym10 ?iii-bi曙kfifil事8155u4腐9s-3 1d3d2d1d0名称命令态寄存器pa 口pb 口pc 口端口地址7ff8h7ff9h7ffah7ffbh图2-5显示电路第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

15、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存放定口寸器的常熟，低位在前32h34h存放绝对位置参数，低位

16、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。图26步进电机位置控制子程序框图程序如下：pos: cpl p1.0push acc;改变pl.0电平状态;累加器a进栈push pswpush ro；r0进栈clr eajnb p1.1,pos1mov r0,32hinc r0cjne ro,#ooh,poseinc roinc r0cjne ro,#ooh,pos2；pl.0=0吋，半个脉冲，转到pos4;关中断;反转，转到pos1;正转;无进位则转向pos2incroincr0cjnero,#ooh,pos2clrtrolcallbaojingp0s1:movr0,

17、#32hdecr0cjnero,#offh,pos2incrodecrocjnero,#offh,pos2incrodecr0cjnero,offh,pos2clrtrolcallbaojingpos2:movro,#35hdecr0;无越界，则转p0s2;发生越界，停定时器（停电动机）;调报警子;反转;无借位则转向pos2;指向步数低位35hcjnero,#offh,pos3iu9incrodecr0p0s3:setb ea3.2显示子程序mov a,35horlcjnzpos4clrtrosjmppos5pos4: clrcclrtromova,tl0adda,#08hadda30hmov

18、tl0,amova,th0addca,31hmovth0,asetbtropos5: popropoppswpopaccreti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”。startjmp mainorg 30hmain:mov sp,#5fhb_bitequ 34h;个位显示数据存储器a_bitequ 35h;十位显示数据存储器c_bitequ 22h;百位显示数据存储器d_bitequ

19、23h;十位显示数据存储器e_b1tequ 34h;万位显示数据存储器countequr4;计数器数据存储器acall init_rs232;调用 init_232 子程序cpl po.o; po.o亮表示正在设定串口mov r5,#25acall delaycpl po.o;p0.0暗表示设定完成movp1,#offhmov p2,#0ffhwait:acall diapy;调用显示程序jnb ri,wait;接收电脑发过来的数据c1r ri ;清2,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,#10div abmov b_bit,b ;提取百位mov a_bit,amov dptr,#tabmov ro,