单片机控制步进电机课程设计报告

1、 单片机原理与应用课程设计报告题目：单片机控制步进电机专业：电子信息工程班级：姓名：导师：电气工程学院2021 年 10 月 20 日任务书主题名称单片控制步进电机讲师（职称）执行时间处理时间 学生学生卡承担任务 五金零件 电路图仿真与调试 软件部分 数据搜索 编写 Word 文档 电路图仿真与调试 编写 Word 文档设计目的1、掌握单片机芯片89C52的原理及相关接口电路的设计方法。2、熟悉电路仿真软件protues的使用。3、掌握单片机系统的设计步骤和基本方法。4、熟悉KEIL软件编程，加强C语言能力。5、掌握步进电机的控制方法。6、掌握各个芯片的控制方法。7.设计和控制步进电机的工作。

2、设计要求(1)采用单片机控制四相单四拍步进电机的工作。步进电机的旋转方向由正反转控制信号控制。步进电机的步数由键盘输入。可输入的步数为3、6、9、12、15、18、21、24、27步，键盘具有键盘锁定功能。当键盘锁定时，步数输入电机不接受输入的步数，不会运行。只有打开键盘锁并输入步数后，步进电机才开始工作。(2)电机运转时，有正反转指示灯指示。(3)电机运行过程中，若出现过热现象，电机停止运转，红色指示灯亮，同时报警。( 4 )在机器上调试程序。( 5 )撰写设计报告。单片机控制步进电机摘要步进电机是将电脉冲转换为角位移的执行器。当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机沿设定的方向旋转一个

3、固定的角度（称为“步距角”），它的旋转以一个固定的角度步进运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的；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。结合对步进电机的了解，系统地介绍了步进电机的控制原理，包括步进电机的控制方式和驱动方式。 89C51单片机控制步进电机，c程序控制运行。控制系统通过单片机存储器、I/O口、键盘、复位电路和晶振电路实现步进电机的正反转功能。并通过DS18B20测温防止步进电机温度过高。单片机控制系统采用AT89C51单片机控制，具有抗干扰能力强、可靠性高、系统易于扩展等优点。本课程的设计重点是通过控制脉冲个数来控制位移

4、，从而实现精确定位。基于步进电机本身的优越性和广泛的应用，这是单片机控制的步进电机课程设计的现实意义。关键词：步进电机；角位移；单片机；脉冲目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc370410104 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc370410104 h 1 HYPERLINK l _Toc370410105 1.1步进电机及其发展 PAGEREF _Toc370410105 h 1 HYPERLINK l _Toc370410106 1.2步进电机的发展、应用与展望 PAGEREF _Toc370410106 h 1 HYPERLINK l _Toc37

5、0410107 1.3设备及工作环境 PAGEREF _Toc370410107 h 1 HYPERLINK l _Toc370410108 第二章系统方案总体设计 PAGEREF _Toc370410108 h 2 HYPERLINK l _Toc370410109 第 3 章 硬件设计 PAGEREF _Toc370410109 h 3 HYPERLINK l _Toc370410110 3.1系统硬件设计 PAGEREF _Toc370410110 h 3 HYPERLINK l _Toc370410111 3.1.1单片晶振电路 PAGEREF _Toc370410111 h 3 HY

6、PERLINK l _Toc370410112 3.1.2 MCU复位电路 PAGEREF _Toc370410112 h 3 HYPERLINK l _Toc370410113 3.1.3最低MCU系统 PAGEREF _Toc370410113 h 4 HYPERLINK l _Toc370410114 3.1.4键盘设计 PAGEREF _Toc370410114 h 4 HYPERLINK l _Toc370410115 3.1.5电机第 PAGEREF _Toc370410115 h 5部分 HYPERLINK l _Toc370410116 3.2系统工作原理探讨 PAGEREF

7、_Toc370410116 h 6 HYPERLINK l _Toc370410117 第 4 章 软件设计 PAGEREF _Toc370410117 h 9 HYPERLINK l _Toc370410118 4.1分析论证 PAGEREF _Toc370410118 h 9 HYPERLINK l _Toc370410119 4.1.1步进电机运行驱动模块 PAGEREF _Toc370410119 h 9 HYPERLINK l _Toc370410120 4.1.2温度采集模块 PAGEREF _Toc370410120 h 9 HYPERLINK l _Toc370410121 4

8、.1.3主要功能模块 PAGEREF _Toc370410121 h 10 HYPERLINK l _Toc370410122 4.1.4总体疗效 PAGEREF _Toc370410122 h 10 HYPERLINK l _Toc370410123 4.2程序流程图 PAGEREF _Toc370410123 h 10 HYPERLINK l _Toc370410124 参考文献 PAGEREF _Toc370410124 h 17第一章介绍1.1步进电机及其发展步进电机又称脉冲电机或步进电机，是一种基于最基本的电磁感应将电 HYPERLINK %20%20%20%20:/ctc.qzs.

9、%20%20%20%20%20%20%20/view/107414.htm t _blank 脉冲信号转换为角位移或直线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外设、照相机、大型望远镜、卫星天线定位系统等。随着经济的发展、科技的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域越来越广，对步进电机的性能也提出了更高的要求。步进电机的原始型号起源于1830年至1860年， 1870年前后以控制为目的进行了尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构，被认为是最早的步进电机。1950年代，晶体管的发明逐渐应用于步进电机，使数字控制更容易。到1960年代后期，随着

10、步进电机本体中永磁材料的发展，各种实用的步进电机应运而生。步进电机在未来不断改进，以至于今天的步进电机已经广泛应用于要求高定位精度、高分辨率、高响应性、可靠性和其他灵活可控性的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省力、高效的机器中，很容易找到步进电机的踪迹，特别是对于需要速度、位置控制，以及各种指令动作精确操作的柔性控制场合。获得最多。1.2 步进电机的发展、应用与展望我国步进电机的研究和制造始于1950年代末期， 1950年代末至1960年代末，主要是高校和科研机构使用或开发了少量产品用于一些器件的研究。文革期间，我国开始批量生产和应用步进电机。例如，、等已在各地投产，应用于各行各业。逻辑运

11、算电路由分立元件以及电容耦合输入的计数器、触发器和环形分频器组成。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。 1970年代初，步进电机的生产和研究取得突破。除了体现在驱动器设计上的巨大进步外，反应式步进电机本体的设计和研究也发展到了更高的水平。 70年代中期至1980年代中期是成品开发阶段，高性能电机新品种不断开发。自1980年代中期以来，由于对步进电机精确模型的大量研究工作，各种混合式步进电机和驱动器作为产品得到了广泛的应用。目前步进电机的厂家确实很多，但是有专业技术人员可以自己开发。但是，制造商很少。大多数厂商只有一二十个人，连最基本的设备都没有。只是处于盲目模仿阶段。这给用户在产品选择和使

12、用上带来了很大的麻烦。虽然步进电机已经被广泛使用，但步进电机不同于普通的直流电机， HYPERLINK %20%20%20%20:/ctc.qzs.%20%20%20%20%20%20%20/view/560228.htm t _blank 常规使用的是交流电机。必须由双环脉冲信号、功率驱动电路等组成的控制系统使用。因此，用好步进电机并不容易。它涉及机械、电机、电子和计算机等许多专业知识。1.3设备及工作环境(1)硬件： AT89C51单片机1片，28BYJ48步进电机1片，DS18B20温度传感器芯片。(2) 软件：Windows操作系统、Keil C51软件、Proteus软件。第二章系统

13、方案总体设计步进电机28BYJ-48介绍：图 2-1 步进电机 28BYJ-4828BYJ-48-5VDC步进电机为四相五线电机，中间为转子，由永磁体组成，侧面为定子绕组。当定子的绕组通电时，会产生一个方向的电磁场。如果磁场的方向和转子磁场的方向不在同一条线上，那么定子和转子的磁场就会产生扭转来扭转定子。通过依次改变绕组的磁场，可以使步进电机正转或反转（例如上电顺序为A-B-C-D正转，反之亦然）。并根据上电顺序不同分为单四拍（ABCD） 、双四拍（AB-BC-CD-DA） 、单双八拍（A-AB-B- BC-C-CD-D-DA)三种工作方式。单四拍和双四拍的步距角相等，但单四拍的扭矩小。八拍工

14、作方式的步距角是单四拍和双四拍的一半。因此，八拍工作模式既能保持高扭矩，又能提高控制精度。第三章硬件设计3.1 系统硬件设计3.1.1 单片晶振电路89C51的一般晶振可以在1.2MHZ-12MHZ之间选择，对应的选择电容C 10pf-30Pf。本设计的电容C采用30pF，晶振为12MHZ。晶振电路方案图3-2，一个接XTAL1，另一个接XTAL2。电路图如图2-1所示：图 3-1晶振电路3.1.2 MCU复位电路复位是单片机的初始化工作。复位后，单片机的中央处理器CPU等功能部件处于某个初始状态，并从该状态开始工作。为了防止程序执行过程中出现失步或运行紊乱，我们这里使用上电复位和手动复位电路

15、。电路图如图2-2所示：图 3-2 复位电路3.1.3 最小MCU系统图 3-3 微控制器最小系统5V电源：给系统供电。EA接高电平：表示从运行部门的程序存储器中下载的程序。P0口接排阻：P0口为开漏结构，使用时一般接排阻拉高电平。3.1.4 键盘设计图 3-4 键盘电路电路采用独立键盘工作方式，共有12个按键。 27个步骤选择功能。 S10是键盘锁，S11是反向，S12是正向。有一些程序性决定开始发挥作用。3.1.5 电机部分图 3-5 电机控制电路电路左侧的4B5B分别接P0.4P0.7，分别驱动步进电机的A、B、C、D三相。从而转动电机。由于单片机的输出电流较小，所以使用ULN2003来

16、增加电流。ULN2003简介如下：ULN2003是由7个硅NPN复合晶体管组成的高压、大电流复合晶体管阵列。 ULN2003是大电流驱动阵列，多用于微控制器、智能电表、PLC、数字输出卡等控制电路。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出高达500mA/50V。 ULN2003是由7个硅NPN达林顿管组成的高压、大电流达林顿柱。图 3-6 ULN2003 芯片管脚图电路特点如下： ULN2003的每对达林顿电阻串联一个2.7K的基极电阻，在5V工作电压下可直接接TTL和CMOS电路，可直接加工原需要用于标准逻辑缓冲器。处理过的数据。 ULN2003是一系列高压大电流 HYPERLINK

17、 %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/749110.htm 达林顿晶体管阵列产品。具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、负载能力强等特点。适用于各种需要高速大功率驱动的系统。 ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，在关断状态下可承受50V电压，输出也可与大负载电流并联运行。3.2系统工作原理探讨图 3-7 一般示意图系统的核心CPU是ATMEL公司生产的AT89C51芯片，将多功能8位CPU和FPEROM（闪存可编程/可擦写只读存储器）结合在一个芯片上。它是一种低功耗、高性能的芯片。 CMOS控制器为许多嵌入式控制应用提

18、供了非常灵活且价格合理的解决方案，其性能价格比远高于同类芯片。兼容89C51指令系统，芯片F PEROM允许程序存储器在线重新编程，也可以用常规EPROM编程器进行编程，可写/擦1000次。 89C51包含4KB的FPEROM，一般EEPROM的字节擦除时间和写入时间基本都在10ms左右，对于任何实时控制系统来说，这么长时间在线修改程序是不可能的。CPU为Atmel公司生产的89C51/89C52/89C55等。厂家提供的晶振频率为11.0592MH，每个机器周期为1.085us。用户可更换晶振提高速度；内存为64K，前4K/8K20K在CPU部分，其他程序在EPR0M27512；数据存储器为

19、32K（62256），地址为8000-FFFFH；A端口地址：21O1H B端口地址：2102H C端口地址：2103H；T 低八位：2104H T 高八位：2105H；多路模拟开关的使用：P1=0F8H IN4：P1=0FCH IN1：P1=0F9H IN5：P1=OFDH=0FAH IN5 : P1=0FEH IN3: P1=0FBH IN7: P1=0FFH不掉电数据存储：500EH-507FH；控制板：160 x1O9(mm) 电源：+5V300mA +12V100mA -12V100mA；AT89C1 是一款低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微控制器，带有 4KB Flash Pr

20、ogrammable/Erasable Read Only Memory（FPEROM-Flash Programmable and Eraseable Read Only Memory），采用高密度、非易失性存储技术和完全兼容80C51引脚和指令系统；主要性能：兼容89C51单片机产品系列；该芯片具有 4KB 的在线可重新编程闪存。引脚介绍：图 3-8 89C51 引脚介绍总体介绍：本系统使用的芯片包括：DS18B20温度传感器、ULN2003A和28BYJ48四相五线步进电机，步进电机工作在单四拍模式，步进力矩为5.625，旋转方向为步进电机由正反转控制信号控制。步进电机的步数由键盘输入。

21、通过独立键盘S1S9可输入的步数为3、6、9、12、15、18、21、24、27，对应角度为16.875、33.725、.、151.875 ，键盘S10具有键盘锁定功能。当键盘锁定时，步进电机不接受输入的步数，不会运行。只有打开键盘锁，选择运行方向并输入步数，步进电机才会开始工作。电机运转时，有正转指示灯D2和反转指示灯D3指示。电机运行过程中，温度传感器用于采集步进电机外部温度（可设置）。若过热，电机停止运转，红色指示灯亮，蜂鸣器响。第四章软件设计4.1分析论证本步进电机控制电路的设计与实现主要采用ULN2003A驱动芯片、温度传感器芯片DS18B20芯片、独立键盘等，包括步进电机运行驱动、

22、温度采集、主要功能三大功能模块。4.1.1步进电机运行驱动模块由于系统中没有充分利用I/O口，所以使用了独立键盘。系统工作时，键盘控制的I/O口处于高电平状态。当按键按下时，触发一个低电平，驱动程序实时监控并立即响应，执行相应的工作。判断电机步数步进电机正转开始键盘是否锁住正反转判断步进电机反转否正转反转图 4-1 步进电机控制流程图4.1.2温度采集模块该模块的重要功能是采集步进电机表面的温度，并比较设定值来判断体温是否过高。温度过高时电机正常转动。当温度过高时，电机不再转动。 ，蜂鸣器报警，红灯亮。初始化跳过ROM命令温度转换命令时间到读温度数据发读温度命令匹配ROM命令初始化是否图4-2

23、 ds18b20控制流程图4.1.3主要功能模块该模块的重要功能是调动温度采集功能和步进电机功能中的功能，实现模块化编程。4.1.4整体疗效_AT89C52芯片控制ULN2003A芯片驱动步进电机，扫描键盘输入运行状态匹配运行步数，当电机外部温度超过40时，电机停止转动并报警！4.2 程序流程图主程序流程图如图所示：开始初始化程序报警，红灯点亮，步进电机停转判断步进电机温度是否过高？是的不锁键盘等待开键盘是的不确定输入步数电机高温？步进电机运转不图 4-3 程序流程图计划清单#include#define uchar 无符号字符#define uint 无符号整数#定义 M 100位 k1=P

24、10;位 k2=P11;位 k3=P12;位 k4=P13;位 k5=P14;位 k6=P15;位 k7=P16;sbitk8=P17;sbitk9=P00;sbitk10=P01;位 k11=P02;位 k12=P03;位 DQ=P27;sbitD3=P20;位 D2=P23;sbitD1=P25;sbitbel=P26;uchar a=0 x10,0 x20,0 x40,0 x80;uchar b=0 x80,0 x40,0 x20,0 x10;uchar x=0,T,tempL,tempH;无效延迟（uint i）当我 - ）;虚空铃（虚空）教学；for(i=0;i50;i+)贝尔=0；

25、延迟（10000）；贝尔=1；延迟（10000）；void zj(uchar zj) uint i,j;D2=1；for(j=0;jzj;j+)for(i=0;i4;i+)P0=ai;延迟（800）；D2=0；无效 fj(uchar fj) uint i,j;D3=1；for(j=0;jfj;j+)for(i=0;i0;i-)DQ=0；DQ=dat&0 x01;延迟（5）；DQ=1；数据=1；延迟（4）；uchar ReadOneChar(void)无符号字符 i=0;无符号字符 dat=0;对于 (i=8;i0;i-)DQ=1；延迟（1）；DQ=0；数据=1；DQ=1；如果（DQ）数据|=0 x80；延