基于51單片機的步進電機控制課程設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計 報 告</p><p>　　課程設(shè)計名稱：單片機系統(tǒng)綜合課程設(shè)計</p><p>　　課程設(shè)計題目：基于51單片機的步進電機控制</p><p>　　院（系）：計算機學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)(嵌入式)</p><p><b>　　目

2、錄</b></p><p>　　第1章 總體設(shè)計方案1</p><p>　　1.1 課程設(shè)計的內(nèi)容和要求1</p><p>　　1.2課程設(shè)計原理1</p><p>　　1.3課程設(shè)計思路2</p><p>　　1.4 實驗環(huán)境3</p><p>　　第2章 詳

3、細(xì)設(shè)計方案4</p><p>　　2.1 實現(xiàn)方法4</p><p>　　2.2模塊設(shè)計5</p><p>　　2.2.1 步進電機的驅(qū)動5</p><p>　　2.2.2 按鍵電路設(shè)計5</p><p>　　2.2.3 時鐘產(chǎn)生及復(fù)位電路6</p><p>　　2.3主程序流

4、程圖圖7</p><p>　　第3章 調(diào)試及結(jié)果分析8</p><p>　　3.1 調(diào)試步驟及方法8</p><p>　　3.2 實驗結(jié)果及分析8</p><p><b>　　參考文獻9</b></p><p>　　附 錄1（源程序）10</p><p&g

5、t;　　附 錄2（系統(tǒng)原理圖）14</p><p>　　附 錄3（器件清單）15</p><p>　　第1章 總體設(shè)計方案</p><p>　　1.1 課程設(shè)計的內(nèi)容和要求</p><p><b>　　一、課程設(shè)計內(nèi)容：</b></p><p>　　步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成角位

6、移或線位移的電磁機械裝置，也是一種能把輸出解析為唯一增量和輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的驅(qū)動器件。步進電機具有快速啟動、停止的能力，精度高、控制方便，因此，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　利用單片機控制一個步進電機，而且要滿足如下技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　開始通電時，步進電機停止轉(zhuǎn)動。</p><p>　　單片機分別接按鍵開關(guān)K1、K2和K3，用來控制步進電

7、機的轉(zhuǎn)向，要求如下：</p><p>　　當(dāng)按下K1時，步進電機正轉(zhuǎn)。</p><p>　　當(dāng)按下K2時，步進電機反轉(zhuǎn)。</p><p>　　當(dāng)按下K3時，步進電機停止轉(zhuǎn)動。</p><p>　　步進電機的工作方式有單四拍、雙四拍、單雙八拍。</p><p><b>　　二、課程設(shè)計要求：</b>

8、</p><p>　　1. 獨立完成課程設(shè)計任務(wù)；</p><p>　　2. 通過老師當(dāng)場驗收；</p><p>　　3. 交出完整的課程設(shè)計報告。</p><p><b>　　課程設(shè)計原理</b></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(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一

9、個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)整節(jié)拍的目的。</p><p>　　本次設(shè)計是采用步進電機28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進電機的某一相或兩相

10、繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。 </p><p

11、>　　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1.1 (a)、(b)、(c)所示。</p><p>　　a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍</p><p>　　圖1.1步進電機工作時序波形圖</p><p><b>　　課程設(shè)計思路</b></p><p&

12、gt;<b>　　(1) 提出方案</b></p><p>　　電機的運轉(zhuǎn)一般由脈沖和方向信號來控制的，脈沖的頻率控制電機的轉(zhuǎn)速，脈沖的個數(shù)控制電機的轉(zhuǎn)角；方向信號的高、低電平控制著電機的正、反轉(zhuǎn)。用單片機控制步進電機，可以用一個輸出口發(fā)送脈沖：高電平->延時->低電平->延時……延時的長短控制脈沖的頻率，電平的轉(zhuǎn)換次數(shù)就是脈沖個數(shù)。</p><p>

13、;　　因為步進電機的控制是通過脈沖信號來控制的，將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。所以怎樣產(chǎn)生這個脈沖信號和產(chǎn)生怎樣的信號是電機控制的關(guān)鍵。</p><p><b>　　(2) 方案論證</b></p><p>　　用單片機來產(chǎn)生這個脈沖信號，通過單片機的P1口輸出脈沖信號，因為所選電機是四相的，所以只需要P1口的低四位P1.0~P1.3分別接到電機的四

14、根電線上。定時器定時來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，通過鍵盤的按鈕，就可以對步進電機啟動和停止以及轉(zhuǎn)動方向節(jié)拍的控制，單片機上P3.0~P3.1連的是按鍵，這里鍵盤上的D鍵為啟動與A鍵停止鍵，B鍵為反轉(zhuǎn)鍵，C鍵為正轉(zhuǎn)鍵，K0、K1鍵為節(jié)拍控制鍵。用8051單片機作為控制芯片。</p><p><b>　　設(shè)計方案的確定</b></p><p>　　對步進電機的控制和驅(qū)動方案：<

15、;/p><p>　　方案一：使用多個功率放大器件驅(qū)動電機，通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。</p><p>　　方案二：使用ULN2003芯片驅(qū)動步進電機，可以直接用單片機的Y/O口提供信

16、號；而且電路簡單，使用比較方便。因此選擇方案二作為本設(shè)計的驅(qū)動電路。</p><p><b>　　1.4 實驗環(huán)境</b></p><p>　　·硬件環(huán)境：lab6000實驗箱，PC機。</p><p>　　·軟件環(huán)境：WAVE應(yīng)用軟件</p><p>　　第2章 詳細(xì)設(shè)計方案</p>

17、<p><b>　　2.1 實現(xiàn)方法</b></p><p>　　步進電機和普通電動機不同之處是步進電機接受脈沖信號的控制。即步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移的執(zhí)行元件。步進電機的控制可以用硬件，也可以用軟件通過單片機實現(xiàn)。硬件方法是采用脈沖分配器芯片進行通用換相控制；而軟件方法是用單片機產(chǎn)生控制脈沖來控制步進電機的運行狀態(tài)，這種方法可簡化電路，降低成本。</p&

18、gt;<p>　　在用軟件控制時，主要設(shè)計要點如下：</p><p><b>　　判斷旋轉(zhuǎn)方向；</b></p><p><b>　　按相序確定控制字；</b></p><p><b>　　按順序輸入控制字；</b></p><p>　　確定控制步數(shù)和每一步的延時

19、時間。</p><p>　　由于單片機的驅(qū)動電流一般都比較小，不能直接驅(qū)動電機工作，所以單片機的I/O口輸出必須接驅(qū)動電路，即功率驅(qū)動，才得以控制電機正常工作。控制框圖如下圖所示：</p><p>　　開始啟動時點擊處于停止轉(zhuǎn)動狀態(tài)，當(dāng)按下啟動按鍵時，點擊開始轉(zhuǎn)動并以單四拍作為默認(rèn)啟動方式，用兩個開關(guān)按鍵用于節(jié)拍控制，用鍵盤按鍵控制停止、啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。用8051作為總控制芯片。ULN2

20、003用于步進電機的驅(qū)動控制。其中在鍵盤控制時用鍵盤掃描程序。如圖2.1總方案圖。</p><p><b>　　圖2.1 總方案圖</b></p><p><b>　　模塊設(shè)計</b></p><p>　　2.2.1步進電機的驅(qū)動</p><p>　　步進電機的驅(qū)動采用ULN2003，接到單片機的P

21、1.0~P1.3，如圖2.1步進電機驅(qū)動和單片機連線圖。</p><p>　　圖2.1 步進電機驅(qū)動和單片機連線圖</p><p>　　2.2.2按鍵電路設(shè)計</p><p>　　鍵盤接口按不同標(biāo)準(zhǔn)有不同分類方法，按鍵盤排布，可以分為獨立方式（一組相互獨立的鍵盤）和矩陣（一行列組成矩陣）方式。此次設(shè)計只用到了六個按鍵，故可采用獨立按鍵，P3.0~P3.5分別接到K

22、1~K6。其原理圖如圖2.2 按鍵連線圖。</p><p>　　圖2.2 按鍵連線圖</p><p>　　2.2.3時鐘產(chǎn)生及復(fù)位電路</p><p>　　時鐘電路部分晶振為6MHz，其原理圖如圖2.3 時鐘產(chǎn)生及復(fù)位連線圖。</p><p>　　圖2.3 時鐘產(chǎn)生及復(fù)位連線圖</p><p><b>　

23、　主程序流程圖圖</b></p><p>　　進入主程序，首先是對鍵盤掃描，調(diào)用步進電機相關(guān)數(shù)據(jù)控制電機轉(zhuǎn)動，若檢測到有鍵按下，則進行相應(yīng)的處理。流程圖如下圖2.4主程序流程圖。</p><p>　　圖2.4 主程序流程圖</p><p>　　第3章 調(diào)試及結(jié)果分析</p><p>　　3.1 調(diào)試步驟及方法</p>

24、<p>　　本電路經(jīng)調(diào)試符合題目要求，各項技術(shù)指標(biāo)均達到設(shè)計的目的。具體操作控制方法如下：</p><p>　　1、當(dāng)電機啟動按鈕時，步進電機根據(jù)制定默認(rèn)狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動；</p><p>　　2、當(dāng)電機停止按鈕時，步進電機停止轉(zhuǎn)動；</p><p>　　3、當(dāng)電機正轉(zhuǎn)按鈕時，步進電機正轉(zhuǎn)；</p><p>　　4、當(dāng)電機反轉(zhuǎn)按鈕時

25、，步進電機反轉(zhuǎn)；</p><p>　　5、當(dāng)電機按鈕K1K0為00時，步進電機單四拍工作；</p><p>　　6、當(dāng)電機按鈕K1K0為01時，步進電機雙四拍工作；</p><p>　　7、當(dāng)電機按鈕K1K0為11時，步進電機單雙八拍工作。</p><p>　　3.2 實驗結(jié)果及分析</p><p>　　故障一：首先在

26、設(shè)計總體方案時，思路上出現(xiàn)了一些問題，我首先是想在中斷里完成許多應(yīng)在中斷之外完成的事，經(jīng)過老師的指點，后來想清楚了。只需在主函數(shù)調(diào)用就行了，并設(shè)定了一個參數(shù)對電機的轉(zhuǎn)動節(jié)拍進行調(diào)控。</p><p>　　故障二：由于編寫程序的經(jīng)驗不多，在計算電機節(jié)拍，并將其控制電機時，遇到了一些問題，節(jié)拍轉(zhuǎn)換公式是找出來了，但怎樣將其節(jié)拍表示出來，困惑了好久，最后還查閱資料才解決。</p><p>　　故

27、障三：在鍵盤掃描時不太懂怎么進行掃描，總是不懂地址的掃描和讀數(shù)據(jù)，我以為是程序方面出了問題，后來又仔細(xì)看了關(guān)于鍵盤掃描這些知識才弄明白了，最后掃描正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王迎旭.《單片機原理及及應(yīng)用》.北京：機械工業(yè)出版社</p><p>　　[2]張迎新.《單片微型計算機原理、應(yīng)用及接口技

28、術(shù)》.北京：國防工業(yè)出版社</p><p>　　[3]郭天祥.《新概念51單片機C語言教程》.北京：電子工業(yè)出版社</p><p>　　[4]蔡明文 馮先成編著.《單片機課程設(shè)計》.北京：華中科技大學(xué)出版社</p><p>　　[5]王曉明.《電動機的單片機控制》.北京航空航天大學(xué)出版社 </p><p>　　[6]張毅剛.劉杰.MCS-51

29、單片機原理及應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾冰工業(yè)大學(xué)出版社，2008</p><p>　　附 錄1（源程序）</p><p>　　#include <reg51.h> //頭文件</p><p>　　#include <stdio.h></p><p>　　#include <std

30、lib.h></p><p>　　#define uint unsigned int //宏定義整形</p><p>　　#define uchar unsigned char //宏定義字符型</p><p>　　void delay(uint xms); //延時函數(shù)，調(diào)整轉(zhuǎn)速，數(shù)越小轉(zhuǎn)的越快</p><p>

31、;　　void keyw0(); //電機工作函數(shù)</p><p>　　void keyw1(); //反轉(zhuǎn)函數(shù)</p><p>　　void keyz1(); //正轉(zhuǎn)函數(shù)</p><p>　　void keyover(); //停止函數(shù)</p><p>　　

32、unsigned int i;</p><p>　　unsigned char xdata *q1=0x8002; //列地址</p><p>　　unsigned char xdata *q2=0x8001; //行地址</p><p>　　sbit key1=P3^0; // 節(jié)拍選擇控制，00為單四拍；01為雙四拍；11為單雙八拍

33、</p><p>　　sbit key2=P3^1;</p><p>　　// 單雙八拍工作方式：</p><p>　　//A-AB-B-BC-C-CD-D-DA</p><p>　　uchar code FFZ[]={0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09}; //正轉(zhuǎn)</p><

34、p>　　uchar code FFW[]={0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08}; //反轉(zhuǎn)</p><p>　　//雙四拍工作方式：</p><p>　　//AB-BC-CD-DA</p><p>　　uchar code shuangz[]={0x0c,0x06,0x03,0x09};</p>&l

35、t;p>　　uchar code shuangw[]={0x09,0x03,0x06,0x0c};</p><p>　　//單四拍工作方式：</p><p><b>　　//A-B-C-D</b></p><p>　　uchar code danz[]={0x08,0x04,0x02,0x01};</p><p>

36、　　uchar code danw[]={0x01,0x02,0x04,0x08};</p><p><b>　　void main</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{&

37、lt;/b></p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x0f) //行掃描鍵盤</p><p><b>　　{</b></p><p>　　*q1=0xfb; //鍵盤第三列掃描給低電平</p><p>　　if((*q2&0x0f)

38、==0x0e) //按D啟動電機</p><p><b>　　{</b></p><p>　　keyw0(); //調(diào)用電機工作函數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><

39、;p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void keyw0()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p>

40、<b>　　{</b></p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x0d) keyz1(); //按C鍵正轉(zhuǎn) ；調(diào)用正轉(zhuǎn)函數(shù)</p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x0b) keyw1(); //按B鍵反轉(zhuǎn) ；調(diào)用反轉(zhuǎn)函數(shù)</p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x07)

41、 keyover(); //按A鍵停止；調(diào)用停止函數(shù)</p><p>　　for(i=0;i<4;i++)</p><p>　　{ //默認(rèn)以單四拍正轉(zhuǎn)工作</p><p>　　P1=danz[i];</p><p>　　delay(30);</p>&l

42、t;p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void keyz1() //正轉(zhuǎn)函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p

43、><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x0e) keyw0();</p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x0b) keyw1();</p><p>　　if((*q2&a

44、mp;0x0f)==0x07) keyover();</p><p>　　if(key1==1&&key2==0) //雙四拍</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(i=0;i<4;i++)</p><p><b>　　{</b&

45、gt;</p><p>　　P1=shuangz[i];</p><p>　　delay(30);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key1==1&&key2==1)

46、 //單雙八拍</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(i=0;i<8;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=FFZ[i];</p><p>　　delay(30);</p><p

47、><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key1==0&&key2==0) //單四拍</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(i=0;i<4;i++

48、)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=danz[i];</p><p>　　delay(30);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>&l

49、t;b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void keyw1() //反轉(zhuǎn)函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p

50、><b>　　{</b></p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x0e) keyw0();</p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x0d) keyz1();</p><p>　　if((*q2&0x0f)==0x07) keyover();</p><p>　　i

51、f(key1==1&&key2==0) //雙四拍</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(i=0;i<4;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=shuangw[i];</p>

52、<p>　　delay(30);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key1==1&&key2==1) //單雙八拍</p><p><b>　　{</b>&l

53、t;/p><p>　　for(i=0;i<8;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P1=FFW[i];</p><p>　　delay(30);</p><p><b>　　}</b></p><p><b&g

54、t;　　}</b></p><p>　　if(key1==0&&key2==0) //單四拍</p><p><b>　　{</b></p><p>　　for(i=0;i<4;i++)</p><p><b>　　{</b></p>&l

55、t;p>　　P1=danw[i];</p><p>　　delay(30);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</

56、b></p><p>　　void keyover() //停止函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p&g

57、t;　　if((*q2&0x0f)==0x0e) keyw0(); //是否按了D啟動</p><p>　　P1=0xf0; // 停止</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void

58、 delay(uint xms) //延時函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint i,j;</b></p><p>　　for(i=110;i>0;i--)</p><p>　　for(j=xms;j>0;j--);</

59、p><p><b>　　}</b></p><p>　　附 錄2（系統(tǒng)原理圖）</p><p>　　附 錄3（器件清單）</p><p>　　Bill of Material for DJ.Bom</p><p>　　Used Part Type Design

60、ator Footprint </p><p>　　==== ====================== ========== ========== </p><p>　　5 4.7K R1 R2 R3 DIP-16 </p><p>　　R4 R5 </p>&

61、lt;p>　　1 6MHZ X1 L5 </p><p>　　1 10u C3 RB.2/.4 </p><p>　　2 30p C1 C2 RAD-0.2 </p>&l

62、t;p>　　1 8051 U1 DIP-40 </p><p>　　1 A K3 S/1 </p><p>　　1 B K4 S/1 </p><

63、;p>　　1 C K5 S/1 </p><p>　　1 D K6 S/1 </p><p>　　1 K0 S0 L10 </p><

64、p>　　1 K1 S1 L10 </p><p>　　1 K2 S2 L10 </p><p>　　1 MOTOR STEPPER M1 V.20/.10 </p><p