基于C51單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)綜合控制實(shí)驗(yàn)

1、重慶工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院學(xué)院單片機(jī)原理及應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：步進(jìn)電機(jī)綜合控制實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)班級：2010級 自動化專業(yè)班級：2010級自動化三班指導(dǎo)老師：文遠(yuǎn)熔 組員：陶園2010133330 王路2010133344 江洋2010133335 陳婭2010133326 張琴芳2010133317 張丹2010133320（組長） 一、摘要：本實(shí)驗(yàn)利用8051單片機(jī)達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動、轉(zhuǎn)過指定角度、狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)指示的目的，使步進(jìn)電機(jī)控制更加靈活。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片采用ULN2003，ULN2003具有大電流、高電壓，外電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。利用ZLG7290模塊

2、驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示速度設(shè)定值。通過這個單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理和驅(qū)動過程以及LED顯示原理和ZLG7290模塊的使用方法，用LED數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)要求的狀態(tài)結(jié)果，設(shè)計(jì)電路的硬件接線圖和實(shí)現(xiàn)上述要求的程序。關(guān)鍵詞：51單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) ZLG7290 ULN2003二、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求：1、任務(wù)介紹：實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定的速度正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過指定的角度，要有點(diǎn)動功能。所有命令通過鍵盤輸入，步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中要有狀態(tài)和數(shù)據(jù)指示。2、每套設(shè)計(jì)文檔應(yīng)包括： 系統(tǒng)原理說明、程序框圖、電路原理圖和程序清單。三、實(shí)驗(yàn)器件介紹及原理：本實(shí)驗(yàn)采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控

3、制方法。在單片機(jī)環(huán)境下，用ULN2003驅(qū)動芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，用ZLG7290芯片作用下的按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。其控制框圖（圖一）為：按鍵控制單片機(jī)80C51ZLG7290驅(qū)動芯片ULN2003A驅(qū)動芯片共陰極數(shù)碼管步進(jìn)電機(jī)圖一：控制框圖1、系統(tǒng)硬件介紹1.1步進(jìn)電機(jī)相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)：a、相數(shù)：指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)，本實(shí)驗(yàn)用的是四相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同。b、步距角：表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。本實(shí)驗(yàn)程序運(yùn)行前要先測量步進(jìn)電機(jī)的步距角。c、拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指

4、電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角所需脈沖數(shù)。本實(shí)驗(yàn)用四相八拍運(yùn)行方式，為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A工作原理：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。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的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只

5、有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動：步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動可以選用專用的電機(jī)驅(qū)動模塊，比如L298、FT5754等，這類驅(qū)動模塊接口簡單，操作方便，它們既可以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，同時也可以驅(qū)動直流電機(jī)。但本實(shí)驗(yàn)使用ULN2003a驅(qū)動器，下面介紹該芯片。圖二：步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路1.2 ULN2003A芯片ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN

6、是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，但獨(dú)每個單元驅(qū)動電流最大可達(dá)350mA.資料的最后有引用電路，9腳可以懸空。 比如1腳輸入，16腳輸出，負(fù)載接在VCC與16腳之間，不用9腳。圖三：ULN2003A原理圖 ULN2003的

7、作用：ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機(jī)、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(fù)載。 輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列,由七個硅NPN達(dá)林頓管組成。 ULN2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。     

8、;  ULN2003A功能及引腳圖:功能：ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動芯片。 經(jīng)常在以下電路中使用，作為顯示驅(qū)動、繼電器驅(qū)動、照明燈驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動等電路中。ULN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003 的封裝采用DIP16 或SOP16 。ULN2

9、003可以驅(qū)動7個繼電器,具有高電壓輸出特性，并帶有共陰極的續(xù)流二極管使器件可用于開關(guān)型感性負(fù)載。每對達(dá)林頓管的額定集電極電流是500mA，達(dá)林頓對管還可并聯(lián)使用以達(dá)到更高的輸出電流能力。    顯示電路主要包括大型LED數(shù)碼管BSI20-1(共陽極，數(shù)字凈高12 cm)和高電壓大電流驅(qū)動器ULN2003，大型LED數(shù)碼管的每段是由多個LED發(fā)光二極管串并聯(lián)而成的，因此導(dǎo)通電流大、導(dǎo)通壓降高。ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路，他具有7個獨(dú)立的反相驅(qū)動器，每個驅(qū)動器的輸出灌電流可達(dá)500 mA，導(dǎo)通時輸出電壓約1 V，截止時輸出電壓可達(dá)50 V。ULN

10、2003的17腳為信號輸入腳，依次對應(yīng)的輸出端為1610腳，8腳為接地端。當(dāng)驅(qū)動電源電壓為+12 V時，若要求數(shù)碼管每段導(dǎo)通電流為40 mA，則每段的限流電阻為50。則一塊ULN2003恰好驅(qū)動一個LED數(shù)碼管的7段。大數(shù)碼管采用共陽極接法，低電平有效。鎖存器輸出的電平經(jīng)NPN三極管9014反相后，再由ULN2003放大后推動大數(shù)碼管顯示 圖四：ULN2003A引腳圖1.3 ZLG7290芯片 ZLG7290作用及其功能介紹 ZLG7290能夠直接驅(qū)動8 位共陰式數(shù)碼管（或64 只獨(dú)立的LED），同時還可以掃描管理多達(dá)64 只按鍵。其中有8 只按鍵還可以作為功能鍵使用，就像電腦鍵盤上的Ctrl

11、、Shift、Alt 鍵一樣。另外ZLG7290B 內(nèi)部還設(shè)置有連擊計(jì)數(shù)器，能夠使某鍵按下后不松手而連續(xù)有效。采用I2C 總線方式，與微控制器的接口僅需兩根信號線。可控掃描位數(shù)，可控任一數(shù)碼管閃爍。 引腳說明如下圖：圖五：ZLG7290引腳圖 ZLG7290使用說明 ZLG7290B是基于I2C總線接口的芯片。主控單片機(jī)ADUC831作為主器件時，內(nèi)部沒有I2C總線功能，因此需用SPI總線的引腳來模擬I2C總線。具體連接如下： ZLG7290BADUC831 GNDDGND SDAMOSI SCLSCLOCK /INTINT0 VCCDVDD 但是，這種連接不是唯一的，只是在所寫的軟件里需要這

12、樣連接。其實(shí)中斷可以根據(jù)自己所選的中斷而定。地（GND）和電源（VCC）也可以另外從電源上接過來。所用電源為5V。 編譯軟件使用的是WSD，這個軟件主要是用于AD系列芯片的。只要下載擴(kuò)展名為HEX的文件即可。 ZLG7290工作原理 ZLG7290的核心是一塊ZLG7290B芯片，它采用I2C接口，能直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管，同時可掃描管理多達(dá)64只按鍵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的功能資源十分豐富。除具有自動消除抖動功能外，它還具有段閃爍、段點(diǎn)亮、段熄滅、功能鍵、連擊鍵計(jì)數(shù)等強(qiáng)大功能，并可提供10種數(shù)字和21種字母的譯碼顯示功能，用戶可以直接向顯示緩存寫入顯示數(shù)據(jù)，而且無需外接元件即可直接驅(qū)動數(shù)碼管，還可

13、擴(kuò)展驅(qū)動電壓和電流。此外，ZLG7290B的電路簡單，使用也很方便。 用戶按下某個鍵時，ZLG7290的INT引腳會產(chǎn)生一個低電平的中斷請求信號，讀取鍵值后，中斷信號就會自動撤銷。正常情況下，微控制器只需要判斷INT引腳就可以得到鍵盤輸入的信息。微控制器可通過兩種方式得到用戶的鍵盤輸入信息。其一是中斷方式，該方式的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是要占用微控制器的一個外部中斷源。其二是查詢方式，即通過不斷查詢INT引腳來判斷是否有鍵按下，該方式可以節(jié)省微控制器的一根IO口線，但是代價是I2C總線處于頻繁的活動狀態(tài)，消耗電流多并且不利于抗干擾。 ZLG7290驅(qū)動數(shù)碼管及按鍵開關(guān)連接線路圖圖六：ZLG7

14、290電源部分接線圖圖七：ZLG7290驅(qū)動數(shù)碼管電路圖圖八：ZLG7290驅(qū)動按鍵開關(guān)電路圖在本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了十個按鍵其中：S1按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，S2控制步進(jìn)電機(jī)的啟動，S3控制步進(jìn)電機(jī)的關(guān)斷，S4控制步進(jìn)電機(jī)的單步運(yùn)行鍵，S5為步數(shù)加鍵，S6為步數(shù)減鍵，S7為速度加鍵，S8為速度減鍵，S9為連續(xù)運(yùn)行與指定步數(shù)運(yùn)行切換鍵。1.4總電路圖：電路圖中包含最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路和顯示電路圖九：總電路圖 最小系統(tǒng)：單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。a、復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤，單

15、片機(jī)的P1口鍵盤的接口。b、晶振電路：8051單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如下圖所示。 圖十：時鐘振蕩電路 驅(qū)動電路：通過ULN2003構(gòu)成比較多的驅(qū)動電路，電路圖如圖十所示。通過單片機(jī)的P1.0P1.3輸出脈沖到ULN2003的1B4B口，經(jīng)信號放大后從1C4C口分別輸出到電機(jī)的A、B、C、D相。 顯示電路：在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以連續(xù)與單步運(yùn)行，可以加速、減速，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級分為4級，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級，設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行狀態(tài)，和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路。電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行用c

16、表示，但步運(yùn)行用d表示。轉(zhuǎn)速一共4級，分別用14來表示，速度從14遞增。電機(jī)的正向運(yùn)行用f表示，反向運(yùn)行用b表示。指定步數(shù)運(yùn)行時其步數(shù)從199均可。2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 2.1 程序流程圖主要作用是根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動控制，換向控制，加速控制，減速控制按鈕，單步運(yùn)行控制和指定步數(shù)運(yùn)行控制。 主流程圖如下：N系統(tǒng)初始化開始循環(huán)檢測按鍵有鍵按下外部中斷子程序Y 外部中斷程序流程圖如下：外部中斷入口關(guān)外部中斷ZLG7290庫函數(shù)讀取鍵值鍵值處理程序輸出結(jié)果返回開外部中斷2.2程序清單步進(jìn)電機(jī)測步距角的程序 BAEQUP1.0BBEQUP1.1BCEQUP1.2BDEQUP1.3OR

17、G0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:MOVSP,#60HACALLDELAYMOV R2,#2SMRUN:;電機(jī)控制方式為單雙八拍MOVP1,#08H;AACALLDELAYMOVP1,#0CH;ABACALLDELAYMOVP1,#04H;BACALLDELAYMOVP1,#06H;BCACALLDELAYMOVP1,#02H;CACALLDELAYMOVP1,#03H;CDACALLDELAYMOVP1,#01H;DACALLDELAYMOVP1,#09H;DAACALLDELAYDJNZR2,SMRUNSJMP $;循環(huán)轉(zhuǎn)動DELAY:;單步延時程序MOVR4,#255

18、DELAY1:MOVR5,#255DJNZR5,$DJNZR4,DELAY1RETEND2.2.2 步進(jìn)電機(jī)按要求運(yùn)行的程序/* 基于51單片機(jī)的異步電機(jī)控制程序*/#include<reg51.h>#include "VIIC_C51.H"#include "ZLG7290.h"sbit BA=P10;sbit BB=P11;sbit BC=P12;sbit BD=P13;sbit SDA=P16; sbit SCL=P17;sbit KEY_INT=P32;#define uchar unsigned char#define uint u

19、nsigned int/*四相步進(jìn)電動機(jī)單、雙八拍運(yùn)行狀態(tài)表11111110F8HA11111100FCH AB11111101F4HB11111001F6HBC11111011F2HC11110011F3HCD11110111F1HD11110110F9HDA*/uchar code step_tab =0xf0,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1,0xf9;uint code delaytime4 = 60,40,20,10;/延時時間列表/變量的定義uchar direction;/狀態(tài)變量0正向，1反向uchar continuous; /狀態(tài)變量0指

20、定步數(shù)運(yùn)行，1連續(xù)速度運(yùn)行uchar run; /狀態(tài)變量0電機(jī)未運(yùn)行，1電機(jī)運(yùn)行中uchar speed_num; /連續(xù)速度運(yùn)行標(biāo)號1-4uchar cur_step; /八拍運(yùn)行狀態(tài)uchar step_num; /指定運(yùn)行的步數(shù)，范圍0-99/鍵值定義#define Key_dir1 /方向鍵#define Key_Run2 /啟動鍵#define Key_stop 3 /停止鍵#define Ket_Step 4 /單步運(yùn)行鍵#define Key_step_add 5/步數(shù)加鍵#define Key_step_sub 6/步數(shù)減鍵#define Key_speed_add 7/速度

21、加鍵#define Key_speed_sub 8/速度減鍵#define Key_Con_Set9/連續(xù)運(yùn)行與指定步數(shù)運(yùn)行切換鍵。/定義鍵盤中斷標(biāo)志，F(xiàn)lagINT0=1 表示有鍵按下volatile bit FlagINT0 = 0;void KeyProsess( uchar key );/*函數(shù)：INT0_SVC()功能：ZLG7290 鍵盤中斷服務(wù)程序說明：中斷觸發(fā)方式選擇負(fù)邊沿觸發(fā)，因此不必等待中斷請求信號恢復(fù)為高電平*/void INT0_SVC() interrupt 0unsigned char KeyValue;/讀取鍵值KeyValue=ZLG7290_GetKey();

22、/處理鍵值KeyProsess(KeyValue);/*函數(shù)：Delay()功能：定時器實(shí)現(xiàn)延時tms*/void Delay(unsigned int t)do/TH64536TH1 = 0xFC;TL1 = 0x18;TR1 = 1; /啟動定時器T1并等待中斷while ( !TF1 );TF1 = 0; /中斷請求標(biāo)致清零TR1 = 0; /停止T1定時器 while (-t);/*函數(shù)：DispDir()功能：顯示方向子程序說明：dat 0 正向，1反向*/void DispDir(uchar dat)if(dat = 0)ZLG7290_SendCmd(0x60+7,0x0f);

23、/"F" 表示正轉(zhuǎn)elseZLG7290_SendCmd(0x60+7,0x0b); /"B"表示反轉(zhuǎn)/*函數(shù)：DispSpeed()功能：顯示速度號子程序說明：dat 14 代表四種不同的速度*/void DispSpeed(uchar dat)ZLG7290_SendCmd(0x60+5,dat);/*函數(shù)：DispStepNum()功能:顯示運(yùn)行步數(shù)號程序說明：間接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)過指定角度=步距角*步數(shù) */void DispStepNum(uchar dat)unsigned char d;d = dat / 10;ZLG7290_SendCmd(0x6

24、0+1,d);d = dat - d * 10;ZLG7290_SendCmd(0x60+0,d);/*函數(shù)：DispContinuous()功能：顯示運(yùn)行狀態(tài)，連續(xù)還是指定步數(shù)說明：0指定步數(shù)運(yùn)行，1連續(xù)速度運(yùn)行*/void DispContinuous(uchar dat)if(dat = 0)ZLG7290_SendCmd(0x60+3,0x0d); /'d'表示指定步數(shù)運(yùn)行狀態(tài)elseZLG7290_SendCmd(0x60+3,0x0c); /'C'表示連續(xù)速度運(yùn)行/*函數(shù)：OnStep()功能：實(shí)現(xiàn)單步運(yùn)行*/void OneStep()if(dir

25、ection = 0)/正向if(cur_step = 8)cur_step = 1;elsecur_step +;P1 = step_tabcur_step; /輸出elseif(cur_step <= 1)cur_step = 8;elsecur_step -;P1 = step_tabcur_step; /輸出/*函數(shù)：OnContinue()功能：連續(xù)運(yùn)行*/void OnContinue()if(continuous != 0)/連續(xù)運(yùn)行while(run!=0)OneStep();Delay(delaytimespeed_num-1);/延遲 目的改變轉(zhuǎn)速else/指定步數(shù)運(yùn)

26、行if(step_num != 0)OneStep();Delay(50); /50ms 延遲step_num-;DispStepNum(step_num); /更新顯示步數(shù) 即顯示剩下沒有執(zhí)行的步數(shù)if(run = 0) return; /若停止鍵按下，則停止elserun = 0;/停止return;/*函數(shù)：KeyProsess()功能：鍵值處理程序*/void KeyProsess( uchar key )switch(key)case Key_dir:/方向鍵if(run=0)if(direction = 0)direction =1;elsedirection = 0;DispDi

27、r(direction);break;case Key_Run:/啟動鍵if(run =0)run =1;break;case Key_stop:/停止鍵if(run !=0)run =0;break;case Ket_Step:/單步運(yùn)行鍵 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動功能if(run =0)run =1;OneStep();run =0;break;case Key_step_add:/步數(shù)加鍵 n=(步距角*60)/(360*t*0.001) 單位r/minif(run =0)if(step_num = 99)step_num = 0;elsestep_num +;DispStepNum(step_num);break;case Key_step_sub:/步數(shù)減鍵if(run =0)if(step_num = 0)step_num = 99;elsestep_num -;DispStepNum(step_num);break;case Key_speed_add:/速度加鍵if(run =0)if(speed_num = 4)speed_num = 1;elsespeed_num +;DispSpeed(speed_num);break;case Key_speed_sub:/速度減鍵if(run =0)if(