基于单片机控制的步进电机控制器课程设计.docx

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基于单片机控制的步进电机控制器课程设计

基于单片机控制的步进电机控制器课程设计任务书

一．设计要求

（一）基本功能

1．实现步进电机的正反转控制。

2．实现步进电机的加速控制。

3．实现步进电机的减速控制。

如过载保护、欠压保护、短路保护和防飞车等功能。

（二）扩展功能

任意设定一点为圆心，实现一个直径为10cm的圆形轨迹运动。

二．设计内容

（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；

（2）确定元器件及元件参数；

（3）进行电路模拟仿真；

（4）SCH文件生成与打印输出；

三．编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

四．答辩

在规定时间内，完成叙述并回答问题。

五．计划完成时间三周

1．第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。

2．第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。

3．第三周完成软件和硬件的联合调试。

1引言……………………………………………………………………………………1

2总体设计方案…………………………………………………………………………1

2.1设计思路……………………………………………………………………………1

2.1.1硬件设计…………………………………………………………………………1

2.1.2软件设计……………………………………………………………………………1

2.2总体设计方框图………………………………………………………………………2

3设计原理分析…………………………………………………………………………2

3.1控制按钮分析………………………………………………………………………2

3.2复位电路和晶振电路分析…………………………………………………………3

3.3保护电路分析………………………………………………………………………3

3.4输出驱动电路………………………………………………………………………4

4总结与体会……………………………………………………………………………5

参考文献…………………………………………………………………………………6

附录

（一）………………………………………………………………………………7

附录

（二）………………………………………………………………………………8

基于单片机控制的步进电机控制器

摘要：

本设计为电子工程专业学生在校期间的单片机课程设计实习。

是基于单片机控制的步进电机控制器。

在科学技术迅速发展的今天，自动化控制技术日益完善和成熟，对步进电机的要求也越来越高，社会上所需这方面的人才也越来越多，通过本次实习，可以提高学生的动手动脑，全面综合的运用所学专业知识的能力，增强学习专业知识和技能的兴趣，掌握单片机的运用方法和技巧，深入了解步进电机的工作原理。

学会用科学技术来解决生活，生产中遇到的实际问题，真正做到学以致用，造福社会。

本设计是通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制步进电机的转动，从而实现数字和角度的转换，转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。

关键词：

单片机步进电机控制系统

1引言

步进电动机是数字控制电动机。

它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度或直线位移一步，也由此称为“步进电动机”，又称“脉冲电动机”。

近十年来，数字技术，计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开避了广阔的前景。

步进电动机运用广泛，常用于军事雷达，机器人，CNC数控机床等精密控制系统。

目前，在工业中主要使用的是反应式步进电动机，它由定子和转子两部分组成。

一般相数为2，3，4，5，6，每相两个绕组套在一对定子磁极上，成为控制绕组，转子是无绕组铁心。

其具有力矩/惯性比高，频率响应快，步进频率高，不通电时可以自由转动，可以正反方向旋转，而且结构简单，工作寿命长。

2总体设计方案

2.1设计思路

2.1.1硬件设计

（1）中心电路：

中心电路采用TA89S51单片机芯片，晶振采用12MHZ，具有上电自动复位和手动复位功能。

（2）输入电路：

输入电路由5个按钮组成，功能分别为正转，反转，加速，减速和停止，经过上拉电阻分别接到单片机P1口对应端。

（3）输出电路：

由单片机P2口相应端输出有序的电脉冲，经过74LS04反相，驱动模拟灯有规律点亮，并经过2803A驱动器驱动，带动步进电机转动。

（4）保护电路：

由模拟飞车保护电路，过载保护电路，欠压保护电路和短路保护电路组成。

当电路异常时，有灯指示，并且将保护信号送到单片机P0.0口进行停车保护。

2.1.2软件设计

软件设计分为三大模块：

第一，输入检测程序，进行正转，反转，加速，减速，停止检测，当检测到某一按钮有效时，去执行对应功能；第二，输出有序脉冲程序，根据输入检测的结果，去控制输出有序电脉冲的频率，个数和形式；第三，保护程序，由飞车保护，过载保护，欠压保护，短路保护的传感器送到单片机，当出现异常时，控制步进电机停机，进行保护。

2.2总体设计方框图

总体设计方框图如图1

图1总体设计方框图

3设计原理分析

3.1控制按钮分析

控制按钮原理图如图2，K1，K2，K3，K4，K5分别为正转，反转，加速，减速，停止按钮，经过上拉电阻加到单片机P1.0到P1.4口。

待机情况下，P1.0到P1.4都为高电平，输出P2.0到P2.3为高电平，电机不运转；当按下K1或K2时，P2.0到P2.3输出有序的电脉冲，步进电机正转或反转，在正转或反转时，按下K3或K4进行加速或减速，在电机运转中，按下K5就会使

电机停机。

图2控制按键原理图

3.2复位电路和晶振电路分析

AT89S51单片机9脚为复位脚，高电平有效，当刚上电时，由于电容电压不能突变，9脚为高电平进行复位，同时电容通过R2充电，9脚电压有高电平变为低电平。

若按下按键K6时，可手动复位。

单片机18脚和19脚接12MHZ的晶振电路。

3.3保护电路分析

飞车保护由R7，R8，K7组成来模拟的，当按下按键时，模拟为飞车，输出高电平送到单片机，控制电机停车，并且有指示灯指示。

过载保护由R9和热敏电阻RT，74LS04组成，当过载时，输出高电平送到单片机，控制电机停车。

其中热敏电阻常温时电阻为小于500Ώ，当温度达到40度时，电阻将达到5KΏ以上。

短路保护由串接在电动机公共线上的保险丝组成，当电流超过1A时，保险丝断开，进行停车保护。

欠压保护有555定时器和R4,R5,R6组成，定时器供电电压为5V，电动机电压为12V，若电动机电压低于10V时，555定时器3脚输出高电平送到单片机，进行停车保护，555定时器的功能表如表1。

表1555定时器功能表

脚6

脚2

脚3

V6>2/3VCC

V2>1/3VCC

低电平

V6<2/3VCC

V2<1/3VCC

高电平

V6<2/3VCC

V2>1/3VCC

保持

保护电路原理图如图3

图3保护电路原理图

3.4输出驱动电路

从P2.0到P2.3口输出的有序电脉冲，经过74LS04反相，首先驱动模拟灯显示，然后经过2803A驱动器驱动，使步进电机正常转动。

74LS04内部结构图如图4。

2803A为8个达另顿功率

图474LS04内部结构图

驱动管，1，2，3，4，5，6，7，8：

8路TTL弱吸电流输入，18，17，......，11：

8路功率输出，与上行一一对应。

9：

GND10：

公共电源端。

步进电机采用4相电机，顺序为黑，橙，棕，黄；红为公共电源端。

其输出驱动电路原理图如图5。

图5输出驱动电路原理图

4总结与体会

通过本次单片机实习，使我们把以前所学的模拟电子技术，数字电子技术，单片机原理与技术，电工技术，传感器技术及软件编程技能等得以全面灵活的运用。

同时，我们根据设计任务书，设计出了原理图，PCB图；经过转印，打板，腐蚀，制作出电路板；然后焊接，软件编程，烧程序；最后整体调试。

这使我们熟悉了怎样用单片机实现某种功能的制作步骤，技巧和注意事项。

经过这三周的实习，我感觉自己收获很大。

首先，自己熟悉了单片机的内部结构，工作原理及怎样运用；其次，我学会了怎样用汇编语言进行编程，怎样使程序更合理完善；再次，学会了怎样设计电路原理图，PCB图，制作电路板的基本过程和要求，怎样调试电路等；最后，增强了我对专业知识和专业技能的兴趣，培养了我的动手动脑能力。

本次实习，意义很大，经过老师的精心教导，和我们的不懈努力，顺利圆满的完成了本次实习，这将在我以后的学习工作中起到很大的帮助。

参考文献

[1]汪道辉.单片机系统设计与实践[M].北京：

电子工业出版社，2006.5

[2]李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2005.9

[3]汤山俊夫著;彭军译.数字电路设计与制作[M].北京:

科学出版社,2005

[4]余小平,奚大顺.电子系统设计（基础篇）（M）.北京:

北京航空航天大学出版社,2007.3

[5]蔡朝洋.单片机控制实习与专题制作（M）.北京:

北京航空航天大学出版社,2006.11

[6]张洪润,刘秀英,张亚凡.单片机应用设计200例（下册）（M）.北京;北京航空航天大学出版社,2006.7

[7]楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例（M）.北京;北京航空航天大学出版社,2006.2

附录

（一）

步进电机总电路原理图

附录

（二）

步进电机程序流程图和程序清单

程序流程图

程序清单：

ORG0000H

AJMPSTOP

ORG0040H

STOP:

MOVP2,#0FFH

JNBP1.0,START

JNBP1.1,RERUN

SJMPSTOP

START:

MOVR0,#00H

START1:

MOVA,R0

MOVDPTR,#TABLE

MOVCA,@A+DPTR

JZSTART

MOVP2,A

JNBP1.4,STOP

JNBP0.0,STOP

JNBP1.2,SPEEDUP

JNBP1.3,SLOW

LCALLDELAY0

INCR0

AJMPSTART1

SPEEDUP:

LCALLDELAY1

INCR0

AJMPSTART1

SLOW:

LCALLDELAY2

INCR0

AJMPSTART1

RERUN:

MOVR0,#00H

RERUN1:

MOVA,R0

MOVDPTR,#TABLF

MOVCA,@A+DPTR

JZRERUN

MOVP2,A

JNBP1.4,STOP

JNBP0.0,STOP

JNBP1.2,RPEEDUP

JNBP1.3,RLOW

LCALLDELAY0

INCR0

AJMPRERUN1

RPEEDUP:

LCALLDELAY1

INCR0

AJMPRERUN1

RLOW:

LCALLDELAY2

INCR0

AJMPRERUN1

DELAY0:

MOVR1,#150

D1:

MOVR2,#50

DJNZR2,$

DJNZR1,D1

RET

DELAY1:

MOVR1,#50

D2:

MOVR2,#50

DJNZR2,$

DJNZR1,D2

RET

DELAY2:

MOVR1,#0AFH

D3:

MOVR2,#50

DJNZR2,$

DJNZR1,D3

RET

TABLE:

DB07H,03H,0BH,09H,0DH,0CH,0EH,06H

DB00H

TABLF:

DB06H,0EH,0CH,0DH,09H,0BH,03H,07H

DB00H

END