基于单片机的步进电机控制设计.doc

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邵阳学院毕业设计（论文）

毕业设计（论文）

课题名称基于单片机的步进电机控制设计

学生姓名

学号

系、年级专业信息工程系﹑电子信息工程专业

指导教师

职称讲师

2009年5月22日

43

摘要

本论文主要介绍了基于单片机的步进电机控制的规则、硬件结构、软件代码的编写及工作原理、以及液晶模块12864LCD的详细介绍以及指令集。

模拟出单片机系统下的步进电机转速控制，具有任意转速选择、转动时间、正反转、加速和减速设置、系统低功耗、可实现在线调试等特点。

本系统是以单片机为其控制核心，以有源晶振构成的电路作为时钟信号，通过键盘输入选择向单片机控制系统发出步进转动控制命令，控制系统接收命令后做出一系列必要的判断后，控电机的转速、转向等。

本设计已通过了实验仿真，运行稳定，达到了基本的设计要求。

本设计要分为两大块：

一块为硬件电路组成部分，一块为软件程序设计部分。

在硬件电路里主要包括有源晶振部分、键盘输入控制部分、电机驱动电路及液晶显示部分等与单片机的接线设计；软件编程方面主要是子程序和主程序的编写，包括：

初始化代码、液晶驱动代码、时间记录代码、表格数据代码等。

关键词：

单片机；步进电机；12864LCD；指令集

Abstract

ThisthesisismainlyintroducethePreparedandworkingprinciplesaboutregulation、structureofhardware、softwarecodeofsteppingmotorcontrolbasedonMCUaswellasdetailinformationandinstructionsetonLCDModule12864LCD. Thisthesisalsosimulatesthatunderthesystemofsingle-chipsteppingmotorspeedcontrolhasthedisadvantagesofchangingspeed、timearbitrary、Positiveandnegativetransfer、installationofacceleratedanddeceleration、low-powersystemandonlinedebugging.Single-chipascoreofcontrolandthecircuitmadeupbyactivecrystalasclocksignal,thesteppermotorspeedcontrolsystemstartstomakingaseriesofnecessaryjudgmentandthencontrolrotatespeedandchangedirectionwhenitreceivethecommandofsteppertransfercontrolfromsingle-chipcontrolsystembykeyboard.Asrunsteady,thisprojecthasalreadypassedthesimulationandhasachievedthebasicpurpose.

Thisprojectconsistsoftwoparties.Oneishardwarecircuitandtheotherissoftwareprogramming.Inthepartofhardwarecircuitisincludeactivecrystal、controlsystemofkeyboardinput、systemofmotordrivecircuitandliquidcrystalsystem.Inthesecondpart,Designofconnectionofsingle-chip、softwarepreparedisthemainlypreparedofSubroutineandMainprogramincludinginitializationcode、liquiddrivecode、thetimingofrecordingcodeformdatacode[8].

Keywords:

MCU；steppermotor；12864LCD；InstructionSet.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题的来源 1

1.2课题研究的意义 1

1.3课题国内研究现状 1

1.4课题研究的目的和主要内容 2

第2章步进电机方案设计与分析 3

2.1方案提出 3

2.2可行性分析 4

2.3主要器件选择 4

第3章系统硬件设计 6

3.1AMPIRE128*64液晶屏介绍 6

3.2HD61202及其指令集介绍 7

3.3晶振、复位、驱动电路 9

3.4液晶显示屏与单片机接口电路 11

3.5控键与单片机接口电路 11

第4章系统软件设计 13

4.1电机流程图 13

4.2液晶屏驱动代码设计 14

4.3固定字符显示代码 18

4.4中断子程序 19

4.5汉字表 19

4.6字符表 22

4.7延时子程序 22

4.8主函数程序 23

第5章系统仿真 25

5.1Keil2编译环境介绍 25

5.2Proteus仿真平台 26

5.3建立工程项目 28

5.4Proteus中原理图的绘制及文件的加载 32

5.5开机界面显示 32

5.6控制界面显示 33

5.7仿真结果分析及解决方法 34

第6章PCB板设计 35

6.1加载网络表及元件封装 35

6.2PCB板参数设置 36

6.3元件布局及布线设计 38

结束语 40

参考文献 41

致谢 42

附录Ⅰ总体电路图 43

第1章绪论

1.1课题的来源

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。

它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。

早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。

随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。

比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。

步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。

除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

1.2课题研究的意义

对基于单片机控制的步进电机的转速控制进行设计：

一方面是对所学知识的综合运用，可以更好地学习单片机的应用技术，另一方面步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。

使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。

1.3课题国内研究现状

上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。

在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。

到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。

原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。

计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。

因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。

步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。

步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。

由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。

步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。

其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。

1.4课题研究的目的和主要内容

本文针对步进电机控制的设计，首先介绍了选题的要求，之后详细叙述了软件和硬件的设计过程。

在时钟脉冲的作用下，各个按键都能按照事先设定好的规则进行控制。

确定键能使界面从初始化显示切换到步进电机显示界面，0-9十个数字键用来设置转速，正转和反转控制电机的正反转向，加速和减速键用来控制转速，以十转为基本单位进行递加或递减，设置键可以设置转向、精确的转速、转动时间，当设置完成是可以用启动键启动。

硬件部分是由中央处理器（AT89C51单片机），控制部分（独立式按键系统），显示部分（12864LCD液晶显示模块）组成的，驱动部分（L298芯片）；软件部分的主要内容是通过对步进电机的控制、驱动程序进行编写和调试以实现步进电机的功能。

通过硬件和软件调试，并针对问题分析修改后，步进电机系统可以稳定运行。

步进电机系统中各个部分之间通过数据的传送最终完成了整个步进电机的运行、显示和进行按键的功能。

最后论文对设计进行了总结，对设计中可以进一步改善的地方提出了建议。

第2章步进电机方案设计与分析

2.1方案提出

方案一：

采用基本电路以及相关芯片对步进电机进行控制。

本设计选用PMM8713四相步进电机的脉冲分配器、SI—7300A四相功率驱动器，组成四相步进电机的驱动电路，步进电机的控制框图如图2.2所示[5][4]：

图2.1方案一框图

方案二：

用单片机作为步进电机的核心控制器件，键盘调节转速、时间等，液晶显示当前状态。

系统框图如图2.2所示[1][2]：