基于单片机的步进电机控制单片机课程设计Word格式文档下载.docx

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四、硬件线路图及主要芯片说明

本系统主要由按键电路、拨码开关、单片机最小系统、AT89c52单片机、步进电机、驱动电路以及步进电机等几部分组成。

本系统采用两个独立开关三个独立按钮，分别进行启动、停止、正反转以及高低速的控制。

驱动电路采用ULN2003实现步进电机的驱动。

步进电机的供电采用独立12V供电。

.

1.总体设计框图

与传统步进控制器相比较有以下优点：

1.用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制；

2.只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度。

3.根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。

2.主要硬件线路图

（1）单片机最小系统的硬件原理接线图：

　　A、接电源：

VCC（PIN40）、GND（PIN20）。

加接退耦电容0.1uF

　　B、接晶体：

X1（PIN18）、X2（PIN19）。

注意标出晶体频率（选用12MHz），还有辅助电容20pF

　　C、接复位：

RES（PIN9）。

接上电复位电路，以及手动复位电路，分析复位工作原理

　　D、接配置：

EA（PIN31）。

说明原因。

（2）单片机内部I/O部件

　　A、四个8位通用I/O端口，对应引脚P0、P1、P2和P3；

　　B、两个16位定时计数器；

（TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1）

　　C、一个串行通信接口；

（SCON，SBUF）

D、一个中断控制器；

（IE，IP）

3.ULN2003芯片说明

ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。

ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。

可直接驱动继电器等负载。

当输入5VTTL电平时，输出可达500mA/50V。

如果ULN2003的达林顿管输入端输入低电平使其截止，其驱动的元件是感性元件，则电流不能突变，此时会产生一个高压；

如果没有二极管，达林顿管会被击穿，所以这个二极管主要起保护作用。

由于ULN2003是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚（pin9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路。

五、系统工作原理

1.步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

同时您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。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图所示：

（a）（b）（c）

步进电机的工作方式时序图

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生,其基本原理作用如下:

（1）控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。

例如：

四相步进电机的八拍工作方式，其各相通电顺序为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,AB,B,BC,C,CD,D,DA相的通断。

（2）控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

（3）控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。

调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

2.采样原理

步进电机根据单片机发出的脉冲序列来决定其工作方式为单四拍、双四拍和八拍，并能将脉冲信号转换成角位移。

根据步进电机接收到的脉冲序列的不同，决定其自身的通电相序。

3.数据存放单元安排

单片机将立即数存放到相应的工作寄存器中，不同的延时子程序里，将不同的立即数存放到相应的工作寄存器中，以实现不同长度的延时，进而控制电机运行速度，具体数据分配如下表：

工作寄存器

十进制立即数

十六进制立即数

R4

40

28H

R5（低速）

250

FAH

R5（中速）

120

78H

R5（高速）

50

32H

4.按键和显示处理

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。

键盘实质是一组按键开关的集合。

键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。

一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为5—10ms；

两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；

第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。

系统采用4个拨码开关用来控制步进电机状态转换，分别是总开关、转向控制、中速档和高速档，拨码开关接通时，电源通过上拉电阻和开关到单片机I/O口形成通路，给单片机送入一个高电平，高电平即为有效电平。

状态指示采用6个发光二极管分别表示步进电机的启动停止、正转、反转、低速运行、中速运行和高速运行状态，发光二极管正极接电源，负极接单片机I/O口，同时，每个发光二极管需要接限流电阻起保护作用。

为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。

消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。

由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；

软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。

其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。

其原理图如图所示:

键盘控制模块原理图

采用LED数码管动态显示数据与个项参数，方法简单，容易控制，成本低。

设计如下图

P00

P01

P02

P03

P04

P05

P06

P07

P25

P26

P27

AT89C51

Stc

P24

IN1

IN2

IN3

IN4

OUT4

OUT3

OUT2

OUT1

ULN2803

a

b

f

c

g

d

e

[LED1]

h

[LED2]

[LED3]

[LED4]

5.中断处理（定时器中断0服务程序流程图）

当CPU检测到与拨码开关相连引脚电平的变化时，停止当前执行的程序，转而跳至标号处去执行中断请求所对应的程序，当执行完中断程序后，CPU跳回先前所执行的程序。

开始

设置T0时间参数

判断转动方向控制位的值

有控制位查询输出脉冲

退出

改变方向控制变量值

是

六、程序框图

七、程序清单

根据单片机外围电路的设计，单片机的P00、P01作为开关输入，P02、P03、P04为按键输入，主程序根据键盘扫描的结果进行相应的操作，并由定时器0产生定时中断，输出控制步进电机的正反转（利用给步进电机送入与原来相反的脉冲即可）、步进电机的高低速控制（修改T0的初值）。

#include<

reg52.h>

//头文件程序定义及变量声明

#defineuintunsignedint//宏定义

#defineucharunsignedchar//宏定义

ucharcodeZF[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};

//正转编码表

ucharcodeFF[8]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};

//反转编码表

ucharcodeSM[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};

//数码表

sbitk1=P3^2;

//定义K1为启动/停止按键

sbitk2=P3^3;

//定义K2为加速按键

sbitk3=P3^4;

//定义K3为减速按键

sbitk4=P3^5;

//定义K4为正/反转按键

ucharj=0;

uinttime=12000;

//time//为每两拍之间的间隔时间

uinttemp2;

uchartemp1,h,w,p,q,f;

//1ms延时函数（12M晶振下）

voiddelay（ucharz）//延时函数

{

uchars,v;

for（s=0;

s<

z;

s++）

for（v=0;

v<

125;

v++）;

//一个for循环8个机器周期（125*8*1us=1ms）

}

voiddisplay（uchara,ucharb,ucharc,uchard）//显示函数

{

if（f%2）

{P2=0xfe;

P0=0xbf;

//f为奇数时代表反转，则第一个数码管显示“-”，否则不显示

delay

（1）;

P0=0xff;

}//消隐

P2=0xfd;

P0=SM[a];

//显示十位

//消隐

P2=0xfb;

P0=SM[b]&

0x7f;

//显示个位（带小数点）

P0=0xff;

P2=0xf7;

P0=SM[c];

//显示小数点后第一位小数

//消隐

P2=0xef;

P0=SM[d];

//显示小数点后第二位小数

}

voiddispose（）//数值处理函数

temp1=14648/time;

h=temp1/10;

//十位

w=temp1%10;

//个位

temp2=14648%time;

p=temp2/1000;

//小数点后第一位小数

q=temp2%1000*10/1000;

//小数点后第二位小数

voidmain（）//主函数

uchark;

TMOD=0x01;

//定义定时器0工作方式1

EA=1;

//开总中断

ET0=1;

//开定时器0中断

TH0=（65536-time）/256;

TL0=（65536-time）%256;

//装定时器初值

TR0=1;

//开定时器0

while

（1）

{

if（k1==0）{delay（5）;

//延时消抖

if（k1==0）{TR0=~TR0;

k++;

}//启动/停止

}while（!

k1）;

//等待按键释放

if（k2==0）{delay（5）;

//延时消抖

if（k2==0）time=time-150;

}//加速while（!

k2）;

if（k3==0）{delay（5）;

if（k3==0）time=time+150;

}//减速while（!

k3）;

//等待按键释放

if（k4==0）{delay（5）;

if（k4==0）f++;

}//正/反转while（!

k4）;

dispose（）;

if（k%2）

display（0,0,0,0）;

//停止时显示00.00

else

display（h,w,p,q）;

//正常运转时调用显示函数

}

voidtimer0（）interrupt1//定时器0中断处理函数

{

if（f%2）

{if（j==8）j=0;

P1=FF[j++];

}//f为奇数时代表反转，则送反转编码到P1口

else

P1=ZF[j++];

}//否则送正转编码到P1口

//重新装初值

八、设计体会

这一学期我们学习了单片机原理及其应用这门课程，作为一名自动化专业的大三学生，我觉得做单片机课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。

在课程设计环节中，我觉得最困难的是程序设计，首先要理解原理，然后进行流程设计，转化为程序，进行调试，我们在调试的时候出现很多错误，改错的过程是非常痛苦的，好在我们耐心的一一克服了，最后敲定了合理的程序。

但问题并没有因此结束，当我们装上步进电机后，转速等级之间的转速差别，是否能够带动电机，显示闪烁快慢，转速变慢时出现转动打嗝和颤抖的情况，往往让我感到手足无措，但是在老师的指导和同学的帮助下我们小组都一一克服了，最后得到了较为满意的结果，在此感谢老师的悉心指导。

还有一点体会就是要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便,通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。

我觉得作为一名自动化专业的学生，单片机的课程设计是很有意义的。

更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。