《单片机微型计算机与接口技术》课程设计论文步进机的控制

1、单片微型计算机与接口技术课程设计论文设计题目： 步进机的控制 院 系： 惠州学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 08电科（2）班 姓 名： 学 号： 指导教师： 成绩： 二零一一年 六月 四日课程设计（论文）任务书单片机控制步进电机设计任务：设计一个控制步进电动机的控制装置。步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。它可以在机械结构中把丝杠的角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行d/a转换，所以使用起来十分方便。步进电机具有快速的启停能力和精度高的显著特点，在

2、定位场合得到了广泛的应用。步进电机实际上是一个数字/角度转换器，因此，需把并行的二进制数字量转换成串行的脉冲序列，并实现方向控制。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着特定的方向走一步。设计要求：采用单片机控制一个四相八拍的步进电机工作。步进电机的旋转方向由正反转控制信号控制。步进电机的步数由键盘输入，可输入的步数分别为4，8，12，16，20，24，28，32步。并且键盘具有键盘锁功能，当键盘上锁时，步进电机不接受输入步数，也不会运转。只有当键盘锁打开并输入步数时，步进电机才开始工作。电机运转的时候有正转和反转指示灯指示。电机在运转过程中，如果过热，则电机停止运转，同时红色指示灯亮，

3、同时警报响。本题目的关键之处是：如何生成控制步进电机的脉冲序列。摘要：本设计采用单片机stc89c52对步进电机进行控制，通过io口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片uln2003a驱动步进电机；同时，用按键来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机转动的步数，采用74hc595作为数码管的显示驱动，从单片机输入信号；采用温敏电阻对电机进行过热监测保护，通过电压比较器lm339向单片机确认是否达到温度上限。关键词： 步进电机 单片机 数码管 过热保护目录一、概述51.1课题简介51.1.1步进电机简介51.1.2步进电机控制工作原理51.1.3步进电机的启停控制51.1.

4、4步进电机的转向控制61.1.5步进电机的速度控制61.1.6步进电机的换向控制6二、系统的总体设计62.1硬件设计72.1.1单片机72.1.2按键电路设计82.1.3驱动电路的设计82.1.4显示电路的设计102.1.5过热保护电路的设计122.1.6指示模块的设计132.1.7整体原理图142.2软件设计142.2.1主程序142.2.2键盘扫描子程序152.2.3电机转动子程序172.2.4全部程序代码（c语言）18三、调试与仿真233.1 keil程序调试233.2 protues 仿真24四、 实物制作264.1焊接电路及调试264.2 实物图27五、 结束语27六、谢辞27七、参

5、考文献28一、概述1.1课题简介1.1.1步进电机简介步进电机是一种感应电机（如左图1所示），它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电（ 图1）的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发

6、展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。1.1.2步进电机控制工作原理步进电机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行的数模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4 个方面。从结构上看 ,步进电机分为三相、四相、五相等类型 ,常用的则以三相为主。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3 种 。1.1.3步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时

7、,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 1.1.4步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为二六拍 ,即 a-ab-b-bc-c-ca。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。1.1.5步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲 ,它就转一步 ,再发一个脉冲 ,它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。1.1.6步进电机的换向控制步进电机换向时 ,一定要在电机减速停

8、止或降到突跳频率范围之内再换向 ,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1 个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求要有一定的脉冲宽度(一般不小于5s)、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了减速换向加速3 个过程。 二、系统的总体设计主要由单片机stc89c52，步进电机驱动芯片uln2003a，4相5线步进电机，按键，过热保护电路及一些其他相关元件设计而成。总体框图如下图2 按键模块过热保护模块单片机stc89c52驱动芯片uln2003a数码管显示指示灯和报警模块步进机（ 图2） 2.1硬件设计2.1.1单

9、片机单片机引脚如图3。本次设计使用单片机芯片stc89c52stc89c52的工作特性：内含8kb的flash存储器檫写次数十万次； 内含512字节的ram；具有32根可编程i/o线；具有3个16位定时器/计数器 具有8个中断源，4级优先权的中 断结构； 具有2个数据指针dptr；工作电源为5.5-3.4v典型值为5v；最高工作频率为40mhz； （图3）2.1.2按键电路设计本系统利用按键分别接到p3口的，p3.0，p3.1，p3.3，p3.4，p3.5分别控制电机的正反转、增加、锁键、减少、确定。如图4。 （图4）2.1.3驱动电路的设计ln2003是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平

10、时uln2003输出端为低电平，当输入端为低电平时uln2003输出端为高电平。如图4所示功能特点：高电压输出50v输出钳位二极管输入兼容各种类型的逻辑电路应用继电器驱动器。 （图4） 在此系统中把单片机输出的信号加到uln2003a，把uln2003a的输出信号加到步进电机上。以此通过改变单片机的输出信号来控制步进电机的启/停、正反转以步数。电路连接如图5。 （图5） 由于本系统是采用四相八拍的通电方式（a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a），即驱动方式是4-1-2相驱动，如表1。导线颜色12345678红橙黄粉蓝 （表1）结合图5和表1可得出逆时针的相序是：0x08,0x0c,0x0

11、4,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09 顺时针的相序是：0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08步距角度是5.625/64，所以64个脉冲才转过5.625。本设计是以5.625为一步的。也就是走8步的话就转过45度。2.1.4显示电路的设计 显示部分使用2位数码管，通过74hc595驱动。 数码管介绍：本系统采用的是共阳数码管，其原理图如图5。 （图5） 74hc595介绍：74hc595是硅结构的cmos器件， 兼容低电压ttl电路，遵守jedec标准。 74hc595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分

12、别的时钟。 数据在shcp的上升沿输入，在stcp的上升沿进入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（ds），和一个串行输出（q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能oe时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。 8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。三态。其引脚图如图6 （图6） 显示电路的原理图如图7 （图7）结合图5和图7可以得出个符号的编码，如表2符号g f e d c b a h十六进制01 0 0 0 0 0 0 00x8011 1 1 1

13、0 0 1 00xf220 1 0 0 1 0 0 00x4830 1 1 0 0 0 0 00x6040 0 1 1 0 0 1 00x3250 0 1 0 0 1 0 00x2460 0 0 0 0 1 0 00x0471 1 1 1 0 0 0 00xf080 0 0 0 0 0 0 00x0090 0 1 0 0 0 0 00x20f0 0 0 1 1 1 0 00x1c （表2）2.1.5过热保护电路的设计 当电机力矩不够，卡住时，若是还不停地输入脉冲，电机的温度会上升，最终会烧坏电机，所以有必要增加电机的过热保护电路。改电路使用了温敏电阻和电压比较器lm339。 温敏电阻简介:温敏

14、电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造。本设计使用的是负温度系数的电阻。负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60300）、中温（300600）、高温（600）三种，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温

15、控系统。 lm339简介：lm339 集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mv；2）电源电压范围宽，单电源为2-36v，双电源电压为1v-18v；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（ucc-1.5v）vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。其引脚图如图8。 （图8） 电路原理图如图9。 （图9）它用单电源供电，1/4lm339 的反相输入端加一个固定的参考电压，它的值取决于rv1, r8。ur=rv1/（rv1+r8）*ucc。同相端的电压就等于热敏元件rt1 的电压降。当机内温度

16、为设定值以下时，“+”端电压大于“-”端电压，uo 为高电位。当温度上升为设定值以上时，“-”端电压大于“+”端，比较器反转，uo 输出为零电位，使保护电路动作，调节rv1 的值可以改变门限电压，既设定温度值的大小。2.1.6指示模块的设计 指示模块包括led发光二极管和蜂鸣器。电路如图10。 （图10）2.1.7整体原理图2.2软件设计2.2.1主程序流程图（如图11）正转子程序反转子程序退出标志置0是否正转？开始初始化键盘锁定？电机停转键盘扫描子程序是否启动？启动标志置0是否是否否是 （图11）2.2.2键盘扫描子程序程序框图如图12。进入是否有键按下？延时消抖是否有键按下？判断是什么功能

17、键正反转：正反转标志位取反，相应指示灯点亮增加：每次步数加4，调用显示子程序显示步数减小：每次步数减4，调用显示子程序显示步数确定：启动标志置1按键松开？返回是否是否是否 （图12）2.2.3电机转动子程序程序框图如图13进入steps36?k=0,time=0,j=0timesteps?j=0j8?k=0k8?p1=rightk延时4ms退出标识为1？返回k+j+time+k=0k8?p1=rightk延时4ms退出标识为1？k+是否是否是否是否是否是否是否（图13）2.2.4全部程序代码（c语言）#includesbit hc595_si =p21;/serial 串行sbit hc595

18、_sck =p20;/进入595sbit hc595_rck =p22;sbit fm=p37;/蜂鸣器sbit rightt=p23; /正转指示灯sbit revertt=p24; /反转指示灯sbit alarm=p25; /报警指示灯sbit alarmt=p32; /温度过高sbit lockkey=p33; /键盘锁unsigned int x;unsigned char temp,flag=1,flag2=0,flag3=0; /flag为1是正转,flag2为1是退出,flag3为1是锁键。unsigned char steps=4; /steps步数 unsigned cha

19、r q,star=0;unsigned char table11= 0x80,0xf2,0x48,0x60,0x32,0x24,0x04,0xf0,0x00,0x20,0x1c;unsigned char revert8=0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09; /逆时针转动unsigned char right8=0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08;/顺时针转动/-/中断初始化void setint(void) ea=1; /开总中断 ex0=1; /开外部中断0 ex1=1; /开外部中断1 tcon=0x

20、05; / 决定中断触发方式/显示子程序void hc595_ch(unsigned char ch ) /一个字节进入595 unsigned char i; for(i=0;i8;i+)/1个字节有8 bit hc595_si=ch&0x80; ch=ch0;x-)for(y=112;y0;y-); /扫描键盘void scan(void) temp=p3; temp=temp&0x33; if(temp!=0x33) for(x=1000;x0;x-);temp=p3;temp=temp&0x33;if(temp!=0x33)temp=p3;temp=temp&0x33;switch(t

21、emp)case 0x32: flag=!flag;/正反转if(flag) rightt=0; revertt=1; else rightt=1; revertt=0; break;case 0x31: / 增加 if(steps4) steps=steps-4; q=steps%10; hc595_ch(tableq); q=steps/10; hc595_ch(tableq); hc595_rck=0; hc595_rck=1; break; case 0x13:star=1; /确定 break; while(temp!=0x33)temp=p3;temp=temp&0x33; /电机

22、正转子程序void motor_rig(void) unsigned char j,k,time; if(steps36) for(time=0;timesteps;time+) for(j=0;j8;j+) for(k=0;k8;k+) p1=rightk; delay1(4); if(flag2) return; else while(1) for(k=0;k8;k+) p1=rightk; delay1(4); if(flag2) return; /电机反转子程序void motor_rev(void) unsigned char j,k,time; if(steps36) for(ti

23、me=0;timesteps;time+) for(j=0;j8;j+) for(k=0;k8;k+) p1=revertk; delay1(4); if(flag2) return; else while(1) for(k=0;k0;x-); if(!lockkey) flag2=1;/电机停止退出标志 flag3=!flag3; if(flag3) alarm=0; else alarm=1; while(!lockkey); ex1=1; 三、调试与仿真3.1 keil程序调试keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统，与汇编相比，c语

24、言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用c来开发，体会更加深刻。3.2 protues 仿真proteus软件是英国labcenter electronics公司出版的eda工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它eda工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。proteus是世界上著名的eda工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切

25、换到pcb设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、pcb设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。在编译方面，它也支持iar、keil和mplab等多种编译器。proteus软件具有其它eda工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是： （1）原理布图 （2）pcb自动或人工布线 （3）spice电路仿真 革命性的特点： （1）互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如ram，rom，键盘，马达，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。 （2）仿真处理器及其外围电路 可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型本课设主要用到其强大的仿真功能。4、 实物制作