基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　課程名稱(chēng)： 單片機(jī)原理及應(yīng)用 </p><p>　　設(shè)計(jì)題目： </p><p&g

2、t;　　班 級(jí)： </p><p>　　姓 名： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 評(píng) 分： </p><p>　　年 月 日</p><p>&

3、lt;b>　　目錄</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)要求目的2</p><p>　　二、設(shè)計(jì)要求及任務(wù)2</p><p><b>　　三、儀器設(shè)備2</b></p><p>　　四、硬件線路圖及芯片說(shuō)明2</p><p>　　1、總體設(shè)計(jì)框圖3</p>

4、<p>　　2、主要硬件線路圖3</p><p>　　3、ULN2003芯片說(shuō)明5</p><p>　　五、系統(tǒng)工作原理5</p><p>　　1、步進(jìn)電機(jī)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(shè)計(jì)總結(jié)13</b></p>

6、<p><b>　　設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　通過(guò)具體小型測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)踐單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、上機(jī)調(diào)試及再設(shè)計(jì)的全過(guò)程，以加深對(duì)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理功能和指令系統(tǒng)的進(jìn)一步理解，并進(jìn)一步學(xué)習(xí)單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的原理與應(yīng)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(jī)系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計(jì)技術(shù)及調(diào)試技巧。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)

7、要求及任務(wù)</b></p><p>　　1. 電機(jī)轉(zhuǎn)速可以平穩(wěn)控制</p><p>　　2. 通過(guò)鍵盤(pán)和顯示器可以設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速</p><p>　　3. 顯示電機(jī)的速度趨勢(shì)</p><p><b>　　4. 具體任務(wù)</b></p><p>　　(1) 編寫(xiě)程序，通過(guò)單片機(jī)的P1 口

8、控制步進(jìn)電機(jī)的控制端，使其按一定的控制方式進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。</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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。</p><p>　　(3) 觀察不同控制方式下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)情況和步進(jìn)角的大小，比較這幾種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。</

9、p><p><b>　　儀器設(shè)備</b></p><p>　?。?）、PC機(jī)一臺(tái)；</p><p>　　（2）、51單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)一塊；</p><p>　?。?）、步進(jìn)電機(jī)一個(gè)；</p><p>　?。?）、Usb轉(zhuǎn)串口線、電源線。</p><p>　　硬件線路圖及主要芯片說(shuō)

10、明</p><p>　　本系統(tǒng)主要由按鍵電路、撥碼開(kāi)關(guān)、單片機(jī)最小系統(tǒng)、AT89c52單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路以及步進(jìn)電機(jī)等幾部分組成。本系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立開(kāi)關(guān)三個(gè)獨(dú)立按鈕，分別進(jìn)行啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)以及高低速的控制。驅(qū)動(dòng)電路采用ULN2003實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的供電采用獨(dú)立12V供電。</p><p><b>　　.</b></p><

11、p><b>　　1. 總體設(shè)計(jì)框圖</b></p><p>　　與傳統(tǒng)步進(jìn)控制器相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1. 用微型機(jī)代替了步進(jìn)控制器把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制；</p><p>　　2. 只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，每個(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度。</p><p&

12、gt;　　3. 根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。</p><p><b>　　2.主要硬件線路圖</b></p><p>　　(1)單片機(jī)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(biāo)出晶體頻率（選用12MHz），還有輔助電容20pF</p><p>　　C、 接復(fù)位：RES（PIN9）。接上電復(fù)位電路，以及手動(dòng)復(fù)位電路，分析復(fù)位工作原理</p><p>　　D、 接配置：EA（PIN31）。說(shuō)明原因。</p><p>　　(2)單片機(jī)內(nèi)部I/O部件</p>&

14、lt;p>　　A、 四個(gè)8位通用I/O端口，對(duì)應(yīng)引腳P0、P1、P2和P3； </p><p>　　B、 兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器；（TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1）</p><p>　　C、 一個(gè)串行通信接口；（SCON，SBUF）</p><p>　　D、 一個(gè)中斷控制器；（IE，IP）</p><p>　　3. U

15、LN2003芯片說(shuō)明</p><p>　　ULN2003 是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅NPN 復(fù)合晶體管組成。ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)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。可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。當(dāng)輸入5V TTL電平時(shí)，輸出可達(dá)500mA/50V。</p><p>　　如果ULN2003的達(dá)林頓管輸入端輸入低電平使其截止，其驅(qū)動(dòng)的元件是感性元件，則

16、電流不能突變，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高壓；如果沒(méi)有二極管，達(dá)林頓管會(huì)被擊穿，所以這個(gè)二極管主要起保護(hù)作用。</p><p>　　由于ULN2003是集電極開(kāi)路輸出，為了讓這個(gè)二極管起到續(xù)流作用，必須將COM引腳（pin9）接在負(fù)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(jìn)電

17、機(jī)工作原理</p><p>　　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)。通俗一點(diǎn)講：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（及步進(jìn)角）。可以通過(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)您可以通過(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，從而達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　四相步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(shí)序與波形分別如圖所示：</p><p>　　（a） （b） （c）</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的工作方式時(shí)

19、序圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)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(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的八拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳—AB—B—BC—C—CD—D—DA,通電控制脈沖必須嚴(yán)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向</p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。</p><p>　　(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度</p><p>　　如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越

21、短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。</p><p><b>　　2.采樣原理</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的脈沖序列來(lái)決定其工作方式為單四拍、雙四拍和八拍，并能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)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(jī)將立即數(shù)存放到相應(yīng)的工作寄存器中，不同的延時(shí)子程序里，將不同的立即數(shù)存放到相應(yīng)的工作寄存器中，以實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的延時(shí)，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)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(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的

23、主要手段。鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合。鍵盤(pán)所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。</p><p>　　一個(gè)電壓信號(hào)在機(jī)械觸點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，一般為5—10ms；兩次抖動(dòng)之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時(shí)間由按鍵動(dòng)作所決定；第一次抖動(dòng)前和第二次抖動(dòng)后為斷開(kāi)狀態(tài)。</p><p>　　系統(tǒng)采用4個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，分別是總開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)向控制、中速檔和高速檔，

24、撥碼開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電源通過(guò)上拉電阻和開(kāi)關(guān)到單片機(jī)I/O口形成通路，給單片機(jī)送入一個(gè)高電平，高電平即為有效電平。</p><p>　　狀態(tài)指示采用6個(gè)發(fā)光二極管分別表示步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、低速運(yùn)行、中速運(yùn)行和高速運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)光二極管正極接電源，負(fù)極接單片機(jī)I/O口，同時(shí)，每個(gè)發(fā)光二極管需要接限流電阻起保護(hù)作用。</p><p>　　為了確保單片機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消

25、除抖動(dòng)的影響。消除按鍵抖動(dòng)通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡(jiǎn)單。其原理是在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后在確認(rèn)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(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。其原理圖如圖所示:</p><p><b>　　鍵盤(pán)控制模塊原理圖</b>

26、</p><p>　　采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)與個(gè)項(xiàng)參數(shù)，方法簡(jiǎn)單，容易控制，成本低。設(shè)計(jì)如下圖</p><p>　　5.中斷處理（定時(shí)器中斷0服務(wù)程序流程圖）</p><p>　　當(dāng)CPU檢測(cè)到與撥碼開(kāi)關(guān)相連引腳電平的變化時(shí)，停止當(dāng)前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而跳至標(biāo)號(hào)處去執(zhí)行中斷請(qǐng)求所對(duì)應(yīng)的程序，當(dāng)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(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)的P00、P01作為開(kāi)關(guān)輸入，P02、P03、P04為按鍵輸入，主程序根據(jù)鍵盤(pán)掃描的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的操作，并由定時(shí)器0產(chǎn)生定時(shí)中斷，輸出控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（利用給步進(jìn)電機(jī)送入與原來(lái)相反的脈沖即可）、步進(jìn)電

28、機(jī)的高低速控制（修改T0的初值）。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)體會(huì)</b></p><p>　　這一學(xué)期我們學(xué)習(xí)了單片機(jī)原理及其應(yīng)用這門(mén)課程，作為一名自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的大三學(xué)生，我覺(jué)得做單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是十分有意義的，而且是十分必要的。</p><p>　　在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，我覺(jué)得最困難的是程序設(shè)計(jì)，首先要理解原理，然后進(jìn)行流程設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化為程序，

29、進(jìn)行調(diào)試，我們?cè)谡{(diào)試的時(shí)候出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，改錯(cuò)的過(guò)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(wèn)題并沒(méi)有因此結(jié)束，當(dāng)我們裝上步進(jìn)電機(jī)后，轉(zhuǎn)速等級(jí)之間的轉(zhuǎn)速差別，是否能夠帶動(dòng)電機(jī)，顯示閃爍快慢，轉(zhuǎn)速變慢時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)打嗝和顫抖的情況，往往讓我感到手足無(wú)措，但是在老師的指導(dǎo)和同學(xué)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(jié)果，在此感謝老師的悉心指導(dǎo)。</p><p>　　還有一點(diǎn)體會(huì)就是要養(yǎng)成