电工技师毕业论文

1、 维维 修修 电电 工工 技技 师师 论论 文文 完整图片 题 目： 单片机控制步进电机单片机控制步进电机 单 位： 广百惠州店商贸有限公司广百惠州店商贸有限公司 省 市： 广东省惠州市 姓 名： 张立宏张立宏 指导教师： 周彩云周彩云 日 期： 20112011 年年 0505 月月 0505 日日 1 目目 录录 摘要 .2 引言 .2 第一章：单片机部分 .3 （一）单片机的应用 .3 （二）mcs-51 单片机.3 （三）stc89c52rc 芯片简介.3 （四）stc89c52rc 单片机系统最小电路.4 1：时钟电路.4 2：复位电路.5 （五）stc89c52rc 单片机下载线.

2、5 （六）stc89c52rc 单片机编程器.6 （七）stc89c52rc 单片机编译器.6 第二章：数码管部分 .7 （一）数码管的应用 .7 （二）数码管的结构及硬件原理图 .7 （三）二位一体数码管内部结构 .8 （四）驱动数码管的方法 .9 （五）芯片 74hc595 简介 .9 第三章：步进电动机部分 .10 （一）步进电机简介 .10 （二）步进电机工作原理 .10 （三）永磁式步进电动机的控制及驱动方法 .11 （四）芯片 uln2003 简介 .12 （五）芯片 cd4069 简介 .12 第四章：系统 12v 和 5v 的电源电路 .13 第五章：系统整体方案及设计 .14

3、 （一）设计要求及实现的功能 .14 （二）系统框图 .15 （三）程序流程图 .15 （四）单片机 i/o 分配 .15 （五）系统电路图 .16 （六）系统程序 .16 第六章：总结 .19 2 单片机控制步进电机的设计 广百惠州店商贸有限公司 张立宏 摘要 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角 位移，具有控制简便、定位准确等特点。本文设计了基于stc89c51rc单片机利用汇 编语言编程设计对步进电动机的控制系统，给出了系统框图、系统整体电路图和程 序流程图。所设计系统通过按键实现对步进电动机的基本控制，并利用数码管实时 显示步进电动机的运行状态。该设计方案

4、开发成本比较低，并且具有全面性、灵活 性，对初学单片机的学者有很好的参考性，在实际的应用当中又具有很强的实用性。 关键词 ：mcs-51；单片机；步进电机；数码管 引言引言 随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是 一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止 的特点。 通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设 定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移 量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加 速度，从而达到调速的目的。 因为步进电动机组成的控制系统结构

5、简单，价格低 廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控 机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型 望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等，凡需要对转角 进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展， 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。 3 第一章：单片机部分第一章：单片机部分 （一）（一）单片机的应用 单片微型计算机（single chip microcomputer）简称单片机1各类专用控制 器而设计的通用或专用微型计算机系统，高密度集成了普通计算机微处理器，一

6、定容 量的 ram 和 rom 以及输入/输出接口，定时器等电路于一块芯片上构成的。单片机的优 点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活 性好，开发较为容易。单片机是生活必不可缺的，顾名思义单片机的应用是很广泛的， 导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机的网络通讯和数据传输、工业自动 化过程和实时控制数据处理、广泛使用的智能 ic 卡、民用豪华轿车的安全保障系统、 录像机和摄像机、全自动洗衣机的控制、以及程控玩具、电子宠物等等。在数字控制 系统中，步进电机用作伺服元件，广泛用于数控机床、绘图机、自动记录仪表、轧钢 机自动控制、数模转换等装置中，所以研究单

7、片机对步进电机的控制有实用的意义。 （二）（二）mcs-51 单片机 mcs-51 是指由美国 intel 公司生产的一系列单片机的总称，如 8031，8051，8751，8032，8052，8752 等，其中 8051 是最典型的产品，该系列其它单 片机都是在 8051 的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以习惯用 8051 来称呼 mcs-51 系列单片机。其中 89c52 单片机是我国非常流行的单片机，本次设计采用 mcs- 51 系列单片机中的 stc89c52rc 单片机。 （三）（三）stc89c52rc 芯片简介 stc89c52rc 为 40 脚双列直插封装的 8 位的 c5

8、2 内核的通用微处理器 ，管脚 排布及内部功能详见如下。 主要管脚有： xtal1（19 脚）和 xtal2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12mhz 晶振。 vcc（40 脚）和 vss（20 脚）为供电端口，分别接 +5v 电源的正负端。 p0p3 为可编程通用 i/o 脚，其功能用途由软件定义 。 rst（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 ale (30 脚)为地址锁存信号输入端，用作对外输出时钟或定时信号。 psen（29 脚）为程序存储允许输出信号端。 ea（31 脚）为外部程序存储器地址允许输入端， stc89c52rc 单片机内部已经上拉 到高电平，因此

9、不用将此管脚外接高电平进行执行片内程序存储器内的程序。 stc89c52rc 的引脚图如下图 1-1 所示；内部功能表如下表 1-2 所示. 4 图 1-1 stc89c52rc 的引脚 表 1-2 stc89c52rc 的内部功能 （四）（四）stc89c52rc 单片机系统最小电路 单片机最小电路一般有两块：时钟电路和复位电路。 1 1：时钟电路时钟电路 由一个晶振和两个小电容组成，用来产生时钟频率（如图 1-3） 。stc89c52rc 单片机 芯片内部有一个反向放大器构成的振荡器，xtal1 和 xtal2 分别为振荡器电路的输入端 和输出端，时钟可由内部和外部生成，在 xtal1 和

10、 xtal2 引脚上外接定时元件，内部 振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振 回路。晶振频率选择 12mhz，c1、c2 的电容值取 30pf,电容的大小对频率起微调的作用。 5 图 1-3 时钟电路 2 2：复位电路：复位电路 由一个电阻和一个电容组成，用来产生复位信号，使单片机上电的时候复位（如图 1-4） 。单片机有多种复位电路，本系统采用上电复位方式，当上电时使单片机复位。 偶尔碰到干扰时会造成错误复位，但是大多数条件下，不会出现单片机错误复位。 图 1-4 复位电路 （五）（五）stc89c52rc 单片机下载线 stc89c52rc 单片机的随

11、机存取存储器为 flash,称为闪速存储器，只要用电学的办 法就能擦除，寿命也很长，几万到十几万次不等，同时可以实现在线编程，通过编程 线路，将电脑中写好的单片机程序，经电脑串口和电平转换电路实现将数据串行传输 给单片机。我们通常称编程线路为 isp-下载线，在线编程线路如下图 1-5。 图 1-5 在线编程线路 6 （六）（六）stc89c52rc 单片机编程器 stc89c52rc 单片机的编程器也叫 isp 下载工具软件，针对不同型号的单片机适用的 编程器有很多种，这里选用 stc-isp.exe 软件，如下图 1-6 isp 下载工具,支持 *.hex(intel 16 进制格式)文件

12、，下载时需要单片机内部的电放光后上电复位（冷起 动）再运行系统 isp 程序。 图 1-6 isp 下载工具 下载步骤： step1/步骤 1：选择使用的单片机型号，如 stc89c52rc. step2/步骤 2：打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码 （*.bin,*.hex）. step3/步骤 3：选择电脑使用的串行口（或用 usb-rs232 转接器） ，如串行口 1- com1 step4/步骤 4：设置是否双倍速，双倍速选中 double speed 即可 step5/步骤 5：选择 download/下载按钮下载用户的程序进单片机内部 下载时注意：一般先选择 down

13、load/下载按钮，然后再给单片机上电复位（先彻底 断电） ，而不要先上电，即实现冷启动。 7 （七）（七）stc89c52rc 单片机编译器 单片机的编译器又叫编程软件，编程软件有很多，如 keil,伟福等，这里使用伟福 -v-系列的编程软件，如下图 1-7 伟福软件。使用简介： 步骤一：选择仿真器的类型，在仿真器设置里面选择 cpu 的类型 步骤二：新建文件，在文本框内书写用户的程序 步骤三：在项目设置里面选择编译，生成*.bin,*.hex 文件 步骤四：在文件设置里面选择文件保存 使用时注意：在仿真器设置里面选择目标文件，将生成 bin 文件和生成 hex 文件 两项选择，如不选择则编

14、译时不会生成*.bin 和*.hex 文件。 图 1-7 伟福软件 第二章：数码管部分第二章：数码管部分 （一）数码管的应用（一）数码管的应用 数码管因成本较低、驱动电路简单、既可以显示数字，又可以组合显示简单的图形， 因此在工业控制、计数器、定时器等需要显示的场合得到广泛的应用。 （二）数码管的结构及硬件原理图（二）数码管的结构及硬件原理图 数码管一般由多个 led 发光二极管组成，常见的 7 段数码管内部由 8 个 led 组合而 成，其中一个小数点。可显示 0 到 9 的数字、字符型 a 到 f 或一些特殊的字符，如下 图图 2-1 数码管的外部结构及引脚。数码管除了颜色、亮度、尺寸、位

15、数和制作工艺 不同外，在电路结构上分为二种，如下图 2-2 数码管的内部结构：一种是共阳极结构， 一种是共阴极结构，二种数码管的驱动方式是刚好相反的，所以在实际应用中不能直 接相互代换。本设计采用的是共阴极二位一体数码管。 8 图 2-1 数码管的外部结构及引脚 图 2-2 数码管的内部结构 （三）二位一体数码管内部结构（三）二位一体数码管内部结构 二位一体的数码管是由二个单只的数码管封装而成，每个数码管的 a、b、c、d、e、f、g、db 的 8 根引线并联在一起，一般称为数码管的段口，而 2 个公 共端则单独引出，一般称为位选，所以一般的二位数码管的引脚是 10 只或以上。如下 图图 2-

16、3 二位一体共阴极数码管内部结构。 图 2-3 二位一体共阴极数码管内部结构 9 （四）驱动数码管的方法（四）驱动数码管的方法 单片机驱动数码管一般有静态驱动和动态驱动二种方式。静态驱动亮度高、驱动 简单，但是需要增加额外的驱动电路，因此成本较高。动态扫描亮度稍低，但是驱动 电路比较简单，成本较低，因此应用比较广泛。本次设计采用利用 74hc595 对数码管 动态驱动的方式。数码管在正常工作的时候，段口和位选都需要送入正确的电平信号， 它才能正常工作。如要数码管显示 1，当 b、c 段发光时，即只要将 b、c 段对应的引脚 置高电平，com 段对应的引脚置低电平，就能够表示出数字 1。段口位与

17、段码和驱动芯 片 74hc595 的对应关系，如下表 2-4 共阴极数码管段码表。 表 2-4 共阴极数码管段码表 （五）芯片（五）芯片 74hc59574hc595 简介简介 它是具有 8 位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能，如图 2-5。 移位寄存器 和存储器是分别的时钟。数据在 shcp 的上升沿输入，在 stcp 的上升沿进入的存储寄 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

18、寄存器的数据输出到总线。每当 shcp 上升沿到来时,ds 引脚当前电平值在移位 寄存器中左移一位，在下一个上升沿到来时移位寄存器中的所有位都会向左移一位， 同时 q7也会串行输出移位寄存器中高位的值，这样连续进行 8 次，就可以把数组中每 一个数（8 位的数）送到移位寄存器；然后当 stcp 上升沿到来时，移位寄存器的值将 会被锁存到锁存器里，并从 q17 引脚输出。 10 图 2-5 74hc595 及其引脚 第三章：步进电动机部分第三章：步进电动机部分 （一）步进电机简介（一）步进电机简介 步进电动机是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件。其转子为 多级，定子有多相不同连接的

19、控制绕组。由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲， 步进电动机就移动一步，故也称为脉冲电动机。它的直线位移或角位移量与脉冲数成 正比，其线性速度或转速与脉冲频率成正比。改变脉冲频率的高低，即可调节电机转 速，并能快速起动、制动和反转。在一相绕组长期通电状态下具有自锁能力，在负载 能力范围内，不因电源电压、负载、环境条件波动而变化，在不丢步情况下，其步距 误差不会长期积累。步进电动机用于开环系统，可使整个系统大为简化，并可提高运 行的可靠性；也可以加上速度和位置检测装置，用于闭环系统。步进电动机的分类： 按运动形式分旋转式和直线式；按工作原理分反应式、永磁式和永磁感应子式；按定 子数目分单定子式和

20、多定子式；按相数分单相、两相、三相及多相。本次设计采用的 是永磁式步进电动机。 （二）步进电机工作原理（二）步进电机工作原理 一个三相反应式步进电动机如图 3-7，定子有六个磁极，每两个相对的极绕有一相 控制绕组，转子只有四个齿，齿宽等于定子极靴宽，上面没有绕组，若通电次序为 u- w-v-u,则电机将按顺时针方向转动，这种通电的方式为三相单三拍，单是指每次只一 相控制绕组通电，三拍是指经过三次切换控制绕组的通电状态完成一个循环。步进电 动机每拍转子所转过的角位移称为步距角，三相单三拍通电方式步距角为 30 度。三相 步进电动机除了单三拍通电方式外，还有“双三拍” 、 “单、双六拍”等通电方式

21、， “双 三拍”即按 uv-vw-wu 的通电顺序， “单、双六拍”则按 u-uv-v-vw-w-wu-ud 的通电顺 序。步进电动机除做成三相外，还有两相、四相、五相或六相等，随相数、齿数增多， 11 步距角减小，转速也降低。 图 3-1 三相反应式步进电动机 （三）永磁式步进电动机的控制及驱动方法（三）永磁式步进电动机的控制及驱动方法 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度。本 设计选择使用步进电动机的型号为 pm42s-048-kw01。表 3-1 为 pm42s-048-kw01 型步机 电机参数。图 3-2 是 pm42s-048-kw01 型

22、永磁步进电机的外形图和接线图，从图中可以 看出，电机共有四组线圈，四组线圈有两个公共端点 com 引出，这样一共有 6 根引出 线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将 com 端标识为 c，只要 ac、 c、bc、 c，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将 com 端接正电源，那么只要用开关元件，将 a、b 轮流接地。步进电动机工作电压为 12v，最大电流为 0.26a，因此用一块开路输出达林顿驱动器（uln2003）来作为驱动， 通过 p1.0p1.3 来控制各线圈的接通与切断，电路如图 3 所示。开机时，p1.0p1.3 均 为高电平，因此只要将反向驱

23、动器（cd4069ube）连接在单片机与驱动器之间，就可以 实现，依次将 p1.0p1.3 切换为低电平即可驱动步进电机运行，注意在切换之前将前 一个输出引脚变为高电平。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间， 而要改变电机的转动方向，只要改变各线圈接通的顺序。 表 3-2 pm42s-048-kw01 型步机电机参数 12 图 3-3 pm42s-048-kw01 型永磁步进电机的外形图和接线图 （四）芯片（四）芯片 uln2003uln2003 简介简介 uln2003 是高耐压、大电流达林顿阵列，由七个硅 npn 达林顿管组成。如图 3-7 uln2003 的内部结构，每一对

24、达林顿都串联一个 2.7k 的基极电阻，在 5v 的工作电压下 能与 ttl 和 cmos 电路直接相连，可直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 它的工作电压高，工作电流大，关态时能承受 50v 的电压，输出还可以高负载电流并 行运行。它是一个非门电路，包括 7 个输入单元（1-7） ，和 7 个输出单元（10-16） ， 并且相互对应使用，9 脚可以悬空或接电源。 图 3-4 uln2003 的内部结构 （五）芯片（五）芯片 cd4069cd4069 简介简介 cd4069 是六反相器，如图 3-8 cd4069 引脚功能，就是在一个集成电路中有六个非 门,非门的功能是（反相）:输入

25、 1 则输出为 0,输入 0 则输出 1. 有 14 个引脚：1 脚和 2 脚（1 输入 2 输出） ，3 脚和 4 脚（3 输入 4 输出） ，5 脚和 6 脚（5 输入 6 输出） ，8 脚 和 9 脚（9 输入 8 输出） ，10 脚和 11 脚（11 输入 10 输出） ，12 脚和 13 脚（13 输入 12 13 输出） ，7 脚是 vss，14 脚是 vcc。未使用的脚有四种接法，输入接地，输出接 vcc；输 入接 vcc，输出接地；输入接地，输出悬空；输入接 vcc，输出悬空。 图 3-5 cd4069 引脚功能 第四章：系统第四章：系统 12v12v 和和 5v5v 的电源电

26、路的电源电路 220v 交流市电通过电源变压器换成交流低压，再过桥式整流电路和滤波电容，其中 滤波电容与桥式电路并联，在固定式三端稳压器和地两端形成一个并不十分稳定的直 流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化） 。此直流 电压经过 12v 三端稳压器和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度 好的 12v 直流输出电压,此电压供给步进电动机和 uln2003 驱动器使用，此 12v 直流电 压再经过 5v 三端稳压器和电容的滤波，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度 好的 5v 直流输出电压,本稳压电源可作为 ttl 电路或单片机电路的电源。三端稳压器

27、 7812 和 7805 是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本 低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广 泛的一种单片式集成稳压器件。电路设计如下。 图 4-1 12v 和 5v 的电源电路 14 第五章：系统整体方案及设计第五章：系统整体方案及设计 （一）设计要求及实现的功能（一）设计要求及实现的功能 通过单片机 stc89c52rc 来控制步进电动机，开机后，电机不转，按下启动键，电 机正转，速度为 25 转/分，按下加 1 键，速度增加一档，按下减 1 键，速度降低档， 最高速度为 100 转/分，最低转带为 25 转/分，按

28、下停止键，电机停转。同时速度当前 值在数码管上显示出来。按要求，最低转速为 25 转/分，而上述步进电机的步距角为 7.5，即每 48 个脉冲为 1 周，即在最低转速时，要求为 1200 脉冲/分，相当于 50ms/脉 冲。而在最高转速时，要求为 100 转/分，即 48000 脉冲/分，相当于 12.5ms/脉冲。如 果设脉冲时间为 t(t10),转速为 v(v125),则可得脉冲时间和转速之间的关系为， v*t=1250。例如：60/（50ms/脉冲*48 个脉冲为 1 周）/1000=25。根据公式可以列出 下表，设定时器定时常数为 x. 本次采用速度档位为 25 转/分，30 转/分，

29、35 转/分， 40 转/分，45 转/分，50 转/分，55 转/分，60 转/分，65 转/分，70 转/分，75 转/分， 80 转/分，85 转/分，90 转/分，95 转/分，100 转/分进行设计，即实现间隔调速。每 次按加一或减一按键，速度实现间隔档位加速或减速。当中还要实现的功能：12v 和 5v 的电压输入，时钟电路、复位电路和下载线电路的设置，74hc595 芯片、cd4069 芯 片及 uln2003 芯片的应用，以及单片机的编程器和编译器的软件使用。 表 5-1 步进电机间隔转速与定时器定时常数关系 15 （二）系统框图（二）系统框图 图 5-2 系统框图 （三）程序流

30、程图（三）程序流程图 图 5-3 程序流程图 （四）单片机（四）单片机 i/oi/o 分配分配 表 5-4 单片机 i/o 分配表 16 （五）系统电路图（五）系统电路图 1234 a b c d 4321 d c b a 0 protel international p/l l3, 12a r odborough rd frenchs f orest nsw australia 20860 wait 23-apr-201108:32:34 d:design explorer 99 seexamplespldzhang.ddb - folder1wait.sch title size:numb

31、er: date: file: revision: sheetoftime: a4 t1 变变压压器器/ /1 12 2v v 1 2 3 4 d1 三三三三 c6 三三/104 c8104p c7104p c14 30p c9104p c15 30p c10 104p +c1 三三/1000uf +c2 三三/470uf j2 220-a c j1 220-a c y1 三三/12m 1 6 2 7 3 8 4 9 5 j1 三三三三三三 d3 三三三 a bf c g d e dpy 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp ds2 三三三 a bf c g

32、d e dpy 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp ds1 三三三 f1三三/220三 12 34 56 78 910 1112 1314 1516 jp2 m ax232 12 34 56 78 910 1112 1314 jp7 三三三/cd4069ube d1 le d m1 三三三三三/p m 42s-048-kw01;lot m o tb41164 vin 1 gnd 2 vout 3 u2 三三三三三/5v vin 1 gnd 2 vout 3 u1 三三三三三/12v s4三三 s3三三 s1三三 s2三三 s2 三三 +c3 三三/1000uf +c4 三三/1000uf +c5 三三/470uf s1 三三 1 2 j2 三三/5v 1 2 j1 三三/12v st