基于單片機的步進電機控制單片機課程設計

1、<p><b>　　物聯(lián)網(wǎng)工程學院</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　課程名稱： 單片機原理及應用 </p><p>　　設計題目： </p><p&g

2、t;　　班 級： </p><p>　　姓 名： 學 號： </p><p>　　指導教師： 評 分： </p><p>　　年 月 日</p><p>&

3、lt;b>　　目錄</b></p><p>　　一、設計要求目的2</p><p>　　二、設計要求及任務2</p><p><b>　　三、儀器設備2</b></p><p>　　四、硬件線路圖及芯片說明2</p><p>　　1、總體設計框圖3</p>

4、<p>　　2、主要硬件線路圖3</p><p>　　3、ULN2003芯片說明5</p><p>　　五、系統(tǒng)工作原理5</p><p>　　1、步進電機工作原理5</p><p><b>　　2、采樣原理7</b></p><p>　　3、按鍵和顯示處理7</p&

5、gt;<p>　　4 、中斷處理……………………………………………………………………………………9</p><p><b>　　六、程序框圖9</b></p><p><b>　　七、程序清單10</b></p><p><b>　　八、設計總結13</b></p>

6、<p><b>　　設計目的</b></p><p>　　通過具體小型測試系統(tǒng)設計，實踐單片機系統(tǒng)設計、上機調(diào)試及再設計的全過程，以加深對單片機內(nèi)部結構、原理功能和指令系統(tǒng)的進一步理解，并進一步學習單片機開發(fā)系統(tǒng)的原理與應用以及一些外圍芯片的接口和編程調(diào)試方法與技巧，初步掌握單片機系統(tǒng)的硬、軟件設計技術及調(diào)試技巧。</p><p><b>　　設計

7、要求及任務</b></p><p>　　1. 電機轉(zhuǎn)速可以平穩(wěn)控制</p><p>　　2. 通過鍵盤和顯示器可以設置電機的轉(zhuǎn)速</p><p>　　3. 顯示電機的速度趨勢</p><p><b>　　4. 具體任務</b></p><p>　　(1) 編寫程序，通過單片機的P1 口

8、控制步進電機的控制端，使其按一定的控制方式進行轉(zhuǎn)動。</p><p>　　(2) 分別采用雙四拍（AB→BC→CD→DA→AB）方式、單四拍（A→B→C→D→A）方式和單雙八拍（A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A）方式 編程，控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。</p><p>　　(3) 觀察不同控制方式下，步進電機轉(zhuǎn)動時的振動情況和步進角的大小，比較這幾種控制方式的優(yōu)缺點。</

9、p><p><b>　　儀器設備</b></p><p>　?。?）、PC機一臺；</p><p>　?。?）、51單片機開發(fā)系統(tǒng)一塊；</p><p>　　（3）、步進電機一個；</p><p>　?。?）、Usb轉(zhuǎn)串口線、電源線。</p><p>　　硬件線路圖及主要芯片說

10、明</p><p>　　本系統(tǒng)主要由按鍵電路、撥碼開關、單片機最小系統(tǒng)、AT89c52單片機、步進電機、驅(qū)動電路以及步進電機等幾部分組成。本系統(tǒng)采用兩個獨立開關三個獨立按鈕，分別進行啟動、停止、正反轉(zhuǎn)以及高低速的控制。驅(qū)動電路采用ULN2003實現(xiàn)步進電機的驅(qū)動。步進電機的供電采用獨立12V供電。</p><p><b>　　.</b></p><

11、p><b>　　1. 總體設計框圖</b></p><p>　　與傳統(tǒng)步進控制器相比較有以下優(yōu)點：</p><p>　　1. 用微型機代替了步進控制器把并行二進制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制；</p><p>　　2. 只要負載是在步進電機允許的范圍之內(nèi)，每個脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。</p><p&

12、gt;　　3. 根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進電機的最終位置。</p><p><b>　　2.主要硬件線路圖</b></p><p>　　(1)單片機最小系統(tǒng)的硬件原理接線圖：</p><p>　　A、 接電源：VCC（PIN40）、GND（PIN20）。加接退耦電容0.1uF</p><p

13、>　　B、 接晶體：X1（PIN18）、X2（PIN19）。注意標出晶體頻率（選用12MHz），還有輔助電容20pF</p><p>　　C、 接復位：RES（PIN9）。接上電復位電路，以及手動復位電路，分析復位工作原理</p><p>　　D、 接配置：EA（PIN31）。說明原因。</p><p>　　(2)單片機內(nèi)部I/O部件</p>&

14、lt;p>　　A、 四個8位通用I/O端口，對應引腳P0、P1、P2和P3； </p><p>　　B、 兩個16位定時計數(shù)器；（TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1）</p><p>　　C、 一個串行通信接口；（SCON，SBUF）</p><p>　　D、 一個中斷控制器；（IE，IP）</p><p>　　3. U

15、LN2003芯片說明</p><p>　　ULN2003 是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅NPN 復合晶體管組成。ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。當輸入5V TTL電平時，輸出可達500mA/50V。</p><p>　　如果ULN2003的達林頓管輸入端輸入低電平使其截止，其驅(qū)動的元件是感性元件，則

16、電流不能突變，此時會產(chǎn)生一個高壓；如果沒有二極管，達林頓管會被擊穿，所以這個二極管主要起保護作用。</p><p>　　由于ULN2003是集電極開路輸出，為了讓這個二極管起到續(xù)流作用，必須將COM引腳（pin9）接在負載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路。</p><p><b>　　系統(tǒng)工作原理</b></p><p>　　1.步進電

17、機工作原理</p><p>　　步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。</p><p>　　四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍

18、、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖所示：</p><p>　?。╝） （b） （c）</p><p>　　步進電機的工作方式時

19、序圖</p><p>　　步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生,其基本原理作用如下:</p><p><b>　　(1)控制換相順序</b></p><p>　　通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：四相步進電機的八拍工作方式，其各相通電順序為A—AB—B—BC—C—CD—D—DA,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,

20、AB,B,BC,C,CD,D,DA相的通斷。</p><p>　　(2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向</p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。</p><p>　　(3)控制步進電機的速度</p><p>　　如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越

21、短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。</p><p><b>　　2.采樣原理</b></p><p>　　步進電機根據(jù)單片機發(fā)出的脈沖序列來決定其工作方式為單四拍、雙四拍和八拍，并能將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移。根據(jù)步進電機接收到的脈沖序列的不同，決定其自身的通電相序。</p><p>　　3.數(shù)據(jù)存放單元安

22、排</p><p>　　單片機將立即數(shù)存放到相應的工作寄存器中，不同的延時子程序里，將不同的立即數(shù)存放到相應的工作寄存器中，以實現(xiàn)不同長度的延時，進而控制電機運行速度，具體數(shù)據(jù)分配如下表：</p><p><b>　　4.按鍵和顯示處理</b></p><p>　　鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預單片機的

23、主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關的集合。鍵盤所用開關為機械彈性開關，利用了機械觸點的合、斷作用。</p><p>　　一個電壓信號在機械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為5—10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。</p><p>　　系統(tǒng)采用4個撥碼開關用來控制步進電機狀態(tài)轉(zhuǎn)換，分別是總開關、轉(zhuǎn)向控制、中速檔和高速檔，

24、撥碼開關接通時，電源通過上拉電阻和開關到單片機I/O口形成通路，給單片機送入一個高電平，高電平即為有效電平。</p><p>　　狀態(tài)指示采用6個發(fā)光二極管分別表示步進電機的啟動停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、低速運行、中速運行和高速運行狀態(tài)，發(fā)光二極管正極接電源，負極接單片機I/O口，同時，每個發(fā)光二極管需要接限流電阻起保護作用。</p><p>　　為了確保單片機對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消

25、除抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設計復雜，本設計中沒有采用，在此不再詳細敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后在確認該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。其原理圖如圖所示:</p><p><b>　　鍵盤控制模塊原理圖</b>

26、</p><p>　　采用LED數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)據(jù)與個項參數(shù)，方法簡單，容易控制，成本低。設計如下圖</p><p>　　5.中斷處理（定時器中斷0服務程序流程圖）</p><p>　　當CPU檢測到與撥碼開關相連引腳電平的變化時，停止當前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而跳至標號處去執(zhí)行中斷請求所對應的程序，當執(zhí)行完中斷程序后，CPU跳回先前所執(zhí)行的程序。</p>&

27、lt;p><b>　　程序框圖</b></p><p><b>　　程序清單</b></p><p>　　根據(jù)單片機外圍電路的設計，單片機的P00、P01作為開關輸入，P02、P03、P04為按鍵輸入，主程序根據(jù)鍵盤掃描的結果進行相應的操作，并由定時器0產(chǎn)生定時中斷，輸出控制步進電機的正反轉(zhuǎn)（利用給步進電機送入與原來相反的脈沖即可）、步進電

28、機的高低速控制（修改T0的初值）。</p><p><b>　　設計體會</b></p><p>　　這一學期我們學習了單片機原理及其應用這門課程，作為一名自動化專業(yè)的大三學生，我覺得做單片機課程設計是十分有意義的，而且是十分必要的。</p><p>　　在課程設計環(huán)節(jié)中，我覺得最困難的是程序設計，首先要理解原理，然后進行流程設計，轉(zhuǎn)化為程序，

29、進行調(diào)試，我們在調(diào)試的時候出現(xiàn)很多錯誤，改錯的過程是非常痛苦的，好在我們耐心的一一克服了，最后敲定了合理的程序。但問題并沒有因此結束，當我們裝上步進電機后，轉(zhuǎn)速等級之間的轉(zhuǎn)速差別，是否能夠帶動電機，顯示閃爍快慢，轉(zhuǎn)速變慢時出現(xiàn)轉(zhuǎn)動打嗝和顫抖的情況，往往讓我感到手足無措，但是在老師的指導和同學的幫助下我們小組都一一克服了，最后得到了較為滿意的結果，在此感謝老師的悉心指導。</p><p>　　還有一點體會就是要養(yǎng)成