基于51單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（2012/2013學(xué)年第二學(xué)期）課程名稱(chēng) ： 單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 題 目 ： 步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) ： 自動(dòng)化1002班 學(xué)生姓名 ： * 學(xué) 號(hào) ： * 指導(dǎo)教師 ： 苗敬利，王巍 設(shè)計(jì)周數(shù) ： 2周 設(shè)計(jì)成績(jī) ： 13年 6 月 17 日 目錄第1章 設(shè)計(jì)目的1第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2第3章 設(shè)計(jì)思路與方案23.1 控制電機(jī)正/反向轉(zhuǎn)33.2 控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度3第4章 硬件電路設(shè)計(jì)34.1 主控模塊44.2 驅(qū)動(dòng)控制模塊54.3 按鍵控制模塊64.4 顯示模塊7第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)85.1 主程序85.2 子程序9第6章 系統(tǒng)仿真96.1 KEIL調(diào)試控

2、制程序96.2 Proteus仿真10第7章 收獲與體會(huì)12附錄1 總電路圖14附錄2 源程序清單16步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章 設(shè)計(jì)目的步進(jìn)電機(jī)是現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)中最早出現(xiàn)的執(zhí)行部件，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從

3、而達(dá)到調(diào)速的目的。需要單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列和方向控制控制信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是可以將數(shù)字脈沖控制信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為一定數(shù)值的機(jī)械角位移并且能夠自動(dòng)產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)軸鎖定。對(duì)控制系統(tǒng)的研制中最基本的要求就是性能可靠和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。利用AT89S52單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，可以很好地滿足這一要求。驅(qū)動(dòng)程序?qū)懭階T89S52單片機(jī)中，通過(guò)程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。實(shí)現(xiàn)軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（1）能用按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的正反裝運(yùn)行。（2）能在一定范圍內(nèi)控制電機(jī)的加速和減速。（3）在不斷電的情況下能通過(guò)一個(gè)按鈕能隨

4、時(shí)控制電機(jī)的停止。（4）能顯示電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行情況。第3章 設(shè)計(jì)思路與方案對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，接口采用軟件方法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由ULN2003A芯片實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)90C52芯片的P1.0P1.6端口引腳出發(fā)，然后通過(guò)ULN2003A芯片再驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。操作部分共分為五個(gè)操作按鈕：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、暫停、加速、減速。其中正反轉(zhuǎn)通過(guò)接入步進(jìn)電機(jī)繞組的不同相序來(lái)實(shí)現(xiàn)。加速、減速是通過(guò)延時(shí)時(shí)間的改變調(diào)整輸入電機(jī)繞組的頻率實(shí)現(xiàn)。停止按鈕則保證隨時(shí)可以在不斷電源情況下暫停。五個(gè)操作按鍵分別通過(guò)90C52芯片的P3.0P3.4口讀取正/反轉(zhuǎn)控制信號(hào)（K1、K2）、啟/停(K0)以及加速/減速控

5、制（K3、K4）的值。對(duì)步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其具體情況可以根據(jù)任務(wù)要求從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：3.1 控制電機(jī)正/反向轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)某一項(xiàng)繞組通電時(shí)，在其內(nèi)部形成N-S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子將會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)一步。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按順序給繞組通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按逆序給繞組通電，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。因而只要控制脈沖輸出的順序，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正/反轉(zhuǎn)的控制。3.2 控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度是由輸入到電機(jī)繞組的頻率所決定的。頻率越高，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度越快，否則，速度就越慢。因而通過(guò)延時(shí)程序控制輸出脈沖的頻率，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

6、轉(zhuǎn)速的控制。第4章 硬件電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了主控模塊、按鍵控制模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、顯示模塊四個(gè)模塊。其功能實(shí)現(xiàn)是首先利用按鍵模塊輸入所要執(zhí)行的任務(wù)，然后通過(guò)主控模塊調(diào)用所對(duì)應(yīng)的程序并把信息送給步進(jìn)電機(jī)，使電機(jī)按照所按下的按鈕命令來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)在顯示屏上顯示當(dāng)下的運(yùn)行狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能。其硬件總電路圖如附錄一所示。4.1 主控模塊主控模塊采用的是89C52單片機(jī)芯片來(lái)控制。89C52是一個(gè)8位單片機(jī)，片內(nèi)ROM全部采用FLASH ROM技術(shù)，晶振時(shí)鐘為12MHz。89C52是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片，有4個(gè)八位的并行雙向I/O端口，分別記作P

7、0、P1、P2、P3。第31引腳需要接高電位使單片機(jī)選用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；P3口的引腳10到引腳14分別接正轉(zhuǎn)按鈕、反轉(zhuǎn)按鈕、暫停按鈕、加速按鈕、減速按鈕；引腳1到引腳7分別接芯片LN2003A的1、2、3、4引腳。芯片接線簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1 90C52芯片圖4.2 驅(qū)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)電路主要是利用PNP、NPN、二極管等組成的電路，電路圖如下圖2所示，電路中的PC0、PC1、PC2、PC3分別接單片機(jī)AT89C52的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3；電路接5V高電平，目的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)正常工作。圖2 驅(qū)動(dòng)電路圖4.3 按鍵控制模塊按鍵模塊有五個(gè)按鈕，正轉(zhuǎn)按鈕、反轉(zhuǎn)按鈕、加速按鈕、減速

8、按鈕和暫停按鈕，它們分別控制電機(jī)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)、反向轉(zhuǎn)動(dòng)、加速、減速和隨時(shí)暫停。如下圖2所示：K1正向轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕一端接單片機(jī)AT89C52的P3.0(引腳10)，K2反向轉(zhuǎn)動(dòng)按鈕一端接單片機(jī)AT89C52的P3.1（引腳11），K3暫停按鈕接一端單片機(jī)AT89C52的P3.2（引腳12），K4是加速按鈕一端接單片機(jī)AT89C52的P3.3(引腳13)，K4是減速按鈕一端接單片機(jī)AT89C52的P3.4(引腳14)，同時(shí)都接地。當(dāng)按下其中任意一個(gè)鍵時(shí)，其狀態(tài)的變換都會(huì)通過(guò)相應(yīng)的端口輸入單片機(jī)，從而完成控制的輸入。 圖3 按鍵控制模塊圖4.4 顯示模塊使電機(jī)正常工作。P2.0口控制位顯示，P0.0P0.

9、6控制段顯示。同時(shí)都通過(guò)一個(gè)上拉電阻接高電平，上拉電阻起到限流作用。圖4 顯示模塊第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 主程序主程序的源程序見(jiàn)附錄二源程序清單表，正轉(zhuǎn)子程序及主程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖4 圖5所示： 圖5圖65.2 子程序子程序有正反轉(zhuǎn)子程序、正轉(zhuǎn)加減速子程序、反轉(zhuǎn)加減速子程序、延時(shí)子程序和顯示子程序。它們的源程序見(jiàn)附錄二源程序清單表。第6章 系統(tǒng)仿真6.1 KEIL調(diào)試控制程序調(diào)試程序具體步驟如下：（1）打開(kāi)Keil編譯軟件。（2）新建一個(gè)項(xiàng)目，在項(xiàng)目里進(jìn)行設(shè)置，轉(zhuǎn)換成HEX文件。（3）將剛寫(xiě)好的 匯編語(yǔ)言程序添加進(jìn)去。（4）點(diǎn)擊編譯生成后綴名為“. HEX”的文件。6.2 Proteus

10、仿真打開(kāi) Proteus 上的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)電路圖，點(diǎn)擊 AT89C52單片機(jī)，調(diào)用后綴名為.”HEX”的文件。點(diǎn)擊運(yùn)行，觀察現(xiàn)象。當(dāng)按下Proteus軟件上的開(kāi)始按鈕時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。其顯示如圖6所示：圖7 暫停轉(zhuǎn)動(dòng)圖當(dāng)按下K2按鈕時(shí)，電機(jī)則正向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后的顯示圖如圖8所示：圖8 反向轉(zhuǎn)動(dòng)圖當(dāng)按下K1按鈕時(shí)，電機(jī)開(kāi)始正向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)上顯示的是轉(zhuǎn)過(guò)的角度。下面是當(dāng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后的顯示圖如圖7所示：圖9 正向轉(zhuǎn)動(dòng)圖當(dāng)按下按鈕K4或K5時(shí)，電機(jī)相應(yīng)的做加速轉(zhuǎn)動(dòng)或減速轉(zhuǎn)動(dòng)，但加速或減速到一定范圍是則不能再加速或減速了。K3是控制電機(jī)的暫停，任意時(shí)刻按下K3按鈕，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

11、當(dāng)再次按下按鈕K1或K2按鈕時(shí)電機(jī)又重新開(kāi)始工作。第7章 收獲與體會(huì)此次課程設(shè)計(jì)也許我們小組的每一位成員都收獲了許多。實(shí)驗(yàn)前，我們對(duì)單片機(jī)電腦仿真軟件完全沒(méi)有概念，而且我們收到的方案要求比較遲，所以在接收到方案時(shí)我們完全不知道自己究竟要干什么。然后我們上網(wǎng)查了很多資料，并且學(xué)著用isis及Keil uVision2軟件去進(jìn)行仿真分析，此次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制有了更深的了解，對(duì)單片機(jī)也有了更高層次的了解。也使我意識(shí)到許多地方的缺陷，所謂基礎(chǔ)不牢地洞山搖。單片機(jī)編程是用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，也就需要我們對(duì)電路的分析，然后總結(jié)，查閱相關(guān)資料才能變成好的程序，編程講究的是多動(dòng)手寫(xiě)，自己寫(xiě)，用自己的

12、思路，不怕寫(xiě)錯(cuò)，寫(xiě)錯(cuò)再改，懂得有新的思想這樣才能提高。設(shè)計(jì)前首先要考慮好要實(shí)現(xiàn)的基本功能，選擇和設(shè)計(jì)好相應(yīng)的硬件電路及程序架構(gòu)，軟硬結(jié)合，同時(shí)考慮到以后想要擴(kuò)展功能，因此硬件電路及程序架構(gòu)應(yīng)有可擴(kuò)展的潛力，這就要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮利用各種中斷，使CPU資源有效利用，同時(shí)盡可能擴(kuò)展IO口，實(shí)現(xiàn)IO口的最大利用。如若只是利用查詢方式，則光是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制與發(fā)光二極管的控制，就已經(jīng)是相當(dāng)?shù)拿銖?qiáng)。其次，要考慮到步進(jìn)電機(jī)的步距角及要求的最小的脈沖周期，這就涉及到延時(shí)程序的延時(shí)時(shí)間選擇，要使電機(jī)轉(zhuǎn)得動(dòng)，延時(shí)時(shí)間不能過(guò)小，又要轉(zhuǎn)的明顯，延時(shí)時(shí)間不能過(guò)大，同時(shí)，又要使加速、常速、減速的梯度比較明顯

13、，即延時(shí)時(shí)間的控制要有技巧。最后，成員的有效分工，充分要利用各成員的優(yōu)勢(shì)，能使事倍功半。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我們小組受益匪淺。一方面，我們將課堂上的理論知識(shí)應(yīng)用到了實(shí)際，加強(qiáng)鞏固了理論知識(shí)，也提高了實(shí)際動(dòng)手能力，通過(guò)實(shí)踐反饋，了解到我們自身知識(shí)面的不足。另一方面，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，遇到問(wèn)題時(shí)候，我們小組列出可能問(wèn)題，一一進(jìn)行排查，找出問(wèn)題的所在，隊(duì)員之間分工明確，團(tuán)結(jié)合作，本次實(shí)驗(yàn)正是通過(guò)隊(duì)員之間的合作實(shí)現(xiàn)的。參 考 文 獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1、單片機(jī)原理及應(yīng)用王迎旭 機(jī)械工業(yè)出版社2、微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用劉樂(lè)善等 華中科技大學(xué)出版社3、51系列單片機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐教程周向紅 北京航空航天大學(xué)出版社4、C程序設(shè)計(jì)

14、（第三版）譚浩強(qiáng) 清華大學(xué)出版附錄1 總電路圖附錄2 源程序清單;程序功能：開(kāi)關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn);數(shù)碼管顯示0表示電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn) ;1表示電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) ;2表示電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)加速 ;3表示電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)減速 ;4表示電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)加速 ;5表示電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)減速;鍵的端口定義 K1 EQU P3.0;正轉(zhuǎn)鍵 K2 EQU P3.1;反轉(zhuǎn)鍵 K3 EQU P3.2;停止鍵 K4 EQU P3.3;加速 K5 EQU P3.4;減速;主程序 STOP: MOV P1, #0FFH;關(guān)閉P1口 LOOP: JNB K1, Z_M2 ;正轉(zhuǎn)鍵按下轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)掃描部分 JNB K2, F_M2;反轉(zhuǎn)鍵按下轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)掃描部分 JNB

15、K3, STOP1;停止鍵按下轉(zhuǎn)停止部分 JMP LOOP;- ;鍵盤(pán)消抖STOP1: ACALL DELAY JNB K3, $ ACALL DELAY JMP STOPZ_M2: ACALL DELAY JNB K1, $ ACALL DELAY JMP Z_MF_M2: ACALL DELAY JNB K2, $ ACALL DELAY JMP F_M;-；正轉(zhuǎn)子程序Z_M: MOV R0,#00HZ_M1: MOV R7,#0 ACALL DISPLAY MOV A, R0 MOV DPTR, #TABLE MOVC A,A+DPTR JZ Z_M MOV P1,A JNB K3, S

16、TOP1 JNB K2, F_M2 JNB K4, ACC_M2_ZZ JNB K5, DLY_M2_ZZ ACALL DELAY INC R0 JMP Z_M1 RET ;-；反轉(zhuǎn)子程序F_M: MOV R0,#05HF_M1: MOV R7,#1 ACALL DISPLAYMOV A, R0 MOV DPTR, #TABLE MOVC A,A+DPTR JZ F_M MOV P1,A JNB K3, STOP1 JNB K1, Z_M2 JNB K4, ACC_M2_FZ JNB K5, DLY_M2_FZ ACALL DELAY INC R0 JMP F_M1 RET ;-；正轉(zhuǎn)加速子程

17、序ACC_M2_ZZ: MOV R0,#00HACC_M1: MOV A, R0 MOV DPTR, #TABLE MOVC A,A+DPTR JZ ACC_M2_ZZ MOV P1,A JNB K3, STOP1 JNB K5, DLY_M2_ZZ JNB K2, F_M2 ACALL DELAY1 INC R0 MOV R7,#2 ACALL DISPLAY JMP ACC_M1 RET ;-；正轉(zhuǎn)減速子程序DLY_M2_ZZ:MOV R0,#00HACC_M2: MOV A, R0 MOV DPTR, #TABLE MOVC A,A+DPTR JZ DLY_M2_ZZ MOV P1,A

18、JNB K3, MID1 JNB K2, F_M2 JNB K4, ACC_M2_ZZ ACALL DELAY2 INC R0 MOV R7,#3 ACALL DISPLAY JMP ACC_M2 RETMID1: LJMP STOP1MID2: LJMP Z_M2 ;-；反轉(zhuǎn)加速子程序ACC_M2_FZ: MOV R0,#05HDLY_M1: MOV A,R0 MOV DPTR, #TABLE MOVC A,A+DPTR JZ ACC_M2_FZ MOV P1,A JNB K3, MID1 JNB K1, MID2 JNB K5, DLY_M2_FZ ACALL DELAY1 INC R0 MOV R7,#4 ACALL DISPLAY JMP DLY_M1 RET ;-；反轉(zhuǎn)減速子程序DLY_M2_FZ: MOV R0,#05HDLY_M2: MOV A, R0 MOV DPTR, #TABLE MOVC A,A+DPTR JZ DLY_M2_F