单片机课程设计

1、目 录第1章 目的与要求11.1设计内容11.2设计要求11.3设计目的1第2章 步进电机的原理介绍22.1 步进电机的工作原理22.2 步进电机的基本术语32.2.1 相数32.2.2 拍数32.2.3 步距角32.2.4 信号分配3第3章 设计总体思路43.1 方案与思路43.2 总框图4第4章 程序设计54.1 主程序54.2 显示子程序64.3 键盘扫描子程序7第5章 硬件设计85.1 硬件的设计与选取85.1.1步进电机的特点85.1.2 步进电机的分类85.1.3步进电机的注意点85.2 单片机的选取95.3 四位LED数码管的选取115.4 其他零件根据实际情况选取115.5 硬

2、件的焊接12第6章 调试与故障分析136.1 软件部分136.2 硬件部分136.3 故障分析及解决17第7章 总 结18附 录19系统原理图19元器件清单20源程序清单20参考文献26第1章 目的与要求 综合运用所学的单片机原理与应用理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力，以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。1.1设计内容 以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在4位LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。1.2设计要求1、

3、确定系统设计方案；2、进行系统的硬件设计；3、完成应用程序设计；4、硬件电路及应用程序的调试。1.3设计目的1、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转；2、步进电机可实现正、反转，加速、减速等工作状态；3、通过LED数码管显示步进电机运行速度或工作状态；第2章 步进电机的原理介绍2.1 步进电机的工作原理 步进电机是纯粹的数字控制电动机。它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

4、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。如下图所示，驱动方式为二相四拍方式各线圈通通电顺序如下表： 相顺序ABAB01100101102001131001表1-1电机正反转控制和速度控制： 当电机绕组通电时序为AB-BA-AB-BA-AB时为正转，通电时序为AB-BA-AB-BA-AB时为反转。步进电机的驱动电路，微电脑向步进电机输入端传送1或0信息，则可实现上述操作。通过不同长度的延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种步进速度，也就是改变电机的转动速度。2.2 步进电机的基本术语2.2.1 相数产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。2.2.

5、2 拍数 完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以两相电机为例，有两相四拍运行方式即AB-BA-AB-BA-AB，两相八拍运行方式 AB-B-BA-A-AB-B-BA-A-AB。2.2.3 步距角 对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。2.2.4 信号分配 二相步进电机，工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为

6、1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。两相四拍为AB-BA-AB-BA-AB,步距角为1.8度；两相八拍为AB-B-BA-A-AB-B-BA-A-AB,步距角为0.9度。这里选取四拍的的工作方式。第3章 设计总体思路3.1 方案与思路 因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将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信号是电机控制的关键。用单片机来产生这个脉冲信号，通过单片机的P1口输出脉冲信号，因为所选电机是两相的，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。定时器定时来调整电机的转速，通过键盘的按钮，就可以改变定时初值从而

7、改变了电机的转速，P0口接LED数码管，可以显示当前的电机转速和按钮状态，具体结构见3.2框图3.2 总框图 图3-1第4章 程序设计4.1 主程序 进入主程序显示初始化状态，主程序由键盘程序、显示程序、步进电机驱动程序三部分组成，主程序首先初始化各变量，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，然后调用键盘程序，并作判断，有键按下，则调用键盘程序，并显示出状态。开始显示初始化状态“00”按键检测Flag=0Flag=1Flag=2以初始速度正向旋转“010”以初始速度反向旋转“110”加速减速减速加速是否为极限速度是否为极限速度保持速度显示上限速度加/减显示改变保持速度显示上限速度加/减显示改变结束

8、NYNYNYNY 图4-14.2 显示子程序 转速的显示是给用户最直观的概念，知道电机的转的快慢，知道电机当前的转速，而需要怎样的速度，再对它进行加减速。而这个显示是调用显示子程序。具体流程图如下： 显示Flag=0?第一个数码管显示“0”（正转）YFlag=2？N第一个数码管显示“1”（反转）N复位显示“00”Y第二位显示“”第3、4位显示转速。第三位显示转速/10，第四位显示转速%10NEXT 图4-24.3 键盘扫描子程序 键盘是我们唯一和电机沟通的桥梁，通过键盘的输入从而改变电机的运行状态，这里所需要的键盘数量不多，可以根据学习板做成独立式键盘，键盘的焊接是行线接单片机P3口的p3.0

9、p3.4,通过调用KEY扫描键盘，调用延时程序，再判断是否有键按下，如果无键按下就返回继续扫描，如果有键按下，则调用delay延时去抖动，再读键值，等待键释放，具体流程如下图：键盘扫描复位是否按下正转是否按下Flag=0转速为10反转是否按下Flag=1转速为10减？为最高速度？速度加1保持20加？为最低速度？速度减1保持1返回Flag=2转速=0NYYNNYYNNYYNYN图4-3第5章 硬件设计5.1 硬件的设计与选取5.1.1步进电机的特点 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，

10、因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四 相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。5.1.2 步进电机的分类 感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。 5.1.3步进电机的注意点

11、 步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。 这里规定电机转速120转每分钟。步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。这里要求不高，使用整步状态。于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12V的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。应遵循先选电机

12、后选驱动的原则。综上所述，电机选取42BYG系列感应子式步进电机，两相四拍整步状态。选用后建立起模块如下：图5-15.2 单片机的选取MCS-51系列单片机是目前应用最为广泛的单片机，MCS-51单片机的两个子系列，下表是两个子系列的比较：子系列ROM容量RAM容量寻址范围I/O特性中断源定时器并行口串行口51子系列4KB128B264KB216481552子系列8KB256B364KB3164816 表5-251子系列:有8031/8051/8751 和 80C31/80C51/87C5152子系列:有8032/8052/8752 和 80C32/80C52/87C52由于单片机的种类繁多,

13、又因为我们的要求不高,所以选取单片机是很快的,所以这里选用AT89C51单片机。根据设计方案的分析，可以选择带有EPROM的单片机，应用程序直接存储在片内，不用在外部扩展程序存储器，电路可以简化。ATMEL公司生产的AT89CXX系列单片机，AT89CXX系列与MCS-51系列单片机相比，有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整个硬件电路的体积更小。它以较小的体积、良好的性能价格比倍受青睐。本次课程设计采用89C52单片机。AT89C52单片机的接口图如图所示： 图5-35.3 四位LED数码管的选取数码管选用7段共阳4位LED图5-

14、4图5-45.4 其他零件根据实际情况选取晶振选11.0592MHZ 普通按钮 Button电阻 RES 1K 电机驱动芯片 ULN28035.5 硬件的焊接步进电机的四线接法P1.0A、P1.1B P1.2A、P1.3B 图5-5 总电路图第6章 调试与故障分析6.1 软件部分将程序写入keil程序编辑界面进行调试。调试步骤如下1、定义各个变量uchar maichong;uchar zhuansu;uchar flag；2、定义正反转、加减速端口Sbit key_z=P31;sbit key_f=P32;sbit key_jia=P33;sbit key_jian=P34；3、调用显示子程

15、序；4、调用键盘扫描子程序；5、执行主程序。 6.2 硬件部分 根据原理图将硬件焊接好，用Proteus软件下载keil软件生成的HEX文件到单片机中，再给单片机上电，程序就开始运行。显示初始化如下： 图6-1 初始状态按下正转按钮从P1口输出脉冲，步进电机正转，显示如下： 图6-2 电机正转按下反转按钮从P1口输出脉冲，步进电机反转，显示如下：图6-3 电机反转电机正转时，按下加速按钮电机速度增加，显示如下： 图6-4 电机正转加速电机反转时，按下加速按钮电机速度增加，显示如下： 图6-5 电机反转加速电机正转时，按下减速按钮电机速度减小，显示如下： 图6-6 电机正转减速 电机反转时，按下

16、减速按钮电机速度减小，显示如下： 图6-7 电机反转减速6.3 故障分析及解决 刚开始在软件上测试的时候，按键没有作用，因为直接接地，所以无论怎么按数码管都没反应，后来在按键上接了上拉电阻就好了。 图6-8 按键接线图 由于步进电机的相序位置与单片机的P1口的4个输出口连接不对电机转动方向不正确，解决方法，首先先用四个发光二极管模拟电机四个相序通过观察发光二极管闪亮的顺序就可以判断是否输出正确，电机相序A、A、B、B与P1口低四位一一相对应接好，就可以使电机正常旋转了。 第7章 总 结微机原理课程设计接近尾声了，虽然只有短短的两个星期，但是我从中学到了很多，通过这次的单片机课程设计，我更加深入

17、地了解到了单片机的巨大魅力，通过做步进电机这个课题，感觉自己又把单片机原理这门课学习了一遍，而这次学习不仅仅是加深了书本上的理论知识，而更多的是锻炼了自己的实际动手能力和将理论运用到实践中去的能力，这些都是我们在书本上学不到的东西；同时又了解到不同电机不同的工作状态，对其中的原理更加地的熟悉了解，并且对我以后的学习也有很大的帮助，虽然在做课程设计的过程中，我还有很多的东西是不知道的，但通过查阅资料和老师的细心指导，再加上自己的不断努力 ，最终还是完成了自己的课程设计，在调试的过程中，依然会有不少的问题，在细心总结查阅下还是被我一个个的解决了，最终得到正确的结果，在看到正确结果的那一刹那，我的心

18、情非常激动，感觉心跳加快，真的很开心，我的努力没有白费。 我们上课的时候都是学的都是单片机方面的理论知识，应用到实践中去还比较少，仅仅做了几次试验，并没有系统性的做过一次设计。真有幸老师能给我们这样一次机会，让我们全面的了解了单片机。而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。在第一周仅仅去了解了步进电机的工作原理，上网找了一些相关资料，第二个星期开始编程序，在软件上调试，调试出来后，在硬件上试的时候很遗憾硬件被我弄坏了，不过，后来找到了硬件的问题出在哪里，通过不断努力，终于还是调试出来了。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践

19、相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟是一次全面的设计，难免会遇到过各种各样的问题。附 录系统原理图 附图1-1元器件清单AT89C51单片机 1片11.0592MHZ的晶振 1片四位LED显示器 1个电阻 11个ULN2803 1个步进电机 1个按钮BUTTON 5个源程序清单#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intUnsigned char code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0

20、x82,0xf8,0x80,0x90,0x3f,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;Unsigned char code table1=0x03,0x06,0x0c,0x09,0x09,0x0c,0x06,0x03;uchar table_ begin;uchar maichong;uchar zhuansu;uchar flag;sbit key_fuwei=P30;sbit key_z=P31;sbit key_f=P32;sbit key_jia=P33;sbit key_jian=P34;void delay(uchar x)uchar i,j;for(i=0;i0;j-

21、);void fuwei(void)flag=2;zhuansu=0;void display() uchar A1,A2,A3,A4; if(flag=0)A1=0;else A1=1;if(flag=2)A1=10; A2=0x3f; A3=zhuansu/10; A4=zhuansu%10;P0=tableA1;delay(5); P2=0x01;delay(5);P2=0x00;delay(5);P0=A2;delay(5); P2=0x02; delay(5);P2=0x00;delay(5);P0=tableA3; delay(5);P2=0x04;delay(5);P2=0x00

22、; delay(5);P0=tableA4; delay(5);P2=0x08; delay(5);P2=0x00;delay(5);void key()if(key_fuwei=0)delay(5);if(key_fuwei=0)fuwei();display();if(key_z=0)delay(5);if(key_z=0)flag=0;zhuansu=10;while(key_z=0);if(key_f=0)delay(5);if(key_f=0)flag=1;zhuansu=10;while(key_f=0);if(key_jia=0)delay(5);if(key_jia=0)zhu

23、ansu+;if(zhuansu=21)zhuansu=20;while(key_jia=0);if(key_jian=0)delay(5);if(key_jian=0)zhuansu-;if(zhuansu=1)zhuansu=2;while(key_jian=0); void dispose()switch(zhuansu)case 0:break;case 1:maichong=300;break;case 2:maichong=150;break;case 3:maichong=100;break;case 4:maichong=75;break;case 5:maichong=60;break;case 6:maichong=50;break;case 7:maichong=43;break;case 8:maichong=37;break;case 9:maichong=33;break;case 10:maichong=30;break;case 11:maichong=27;break;case 12:maichong=25;break;case 13:maichong=23;break;case 14:maichong=21;break;case 15:maichong=20;break;case 16:maichong=19;br