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1、 步進電動機的設計報告 題 目：步進電動機的設計與制作 學 院：大數(shù)據(jù)與信息工程學院 專 業(yè)：計算機科學與技術 班 級：電信113 學生姓名：王浩 指導教師：馬光喜老師

2、 2015年1月6日 目錄 前言---------------------------------------------------------------2 1. 設計目標及內(nèi)容------------------------------------------------3 1.1 設計內(nèi)容---------------------------------------------------4 1.2 設計目的----------------------------------------------

3、-----4 2. 硬件原理及設計分析--------------------------------------------4 2.1 步進電機的工作原理-----------------------------------------5 2.2 液晶顯示原理 ----------------------------------------------5 2.3 步進電機轉速控制及顯示設計（LCD顯示轉速）的硬件框圖--------6 2.4 總的硬件電路圖---------------------------------------------7 3. 軟件分析及設計-

4、-----------------------------------------------8 3.1 軟件需求分析-----------------------------------------------8 3.2 程序流程圖-------------------------------------------------8 3.3 軟件代碼---------------------------------------------------9 4. 操作說明及結果分析-------------------------------------------18 5. 調(diào)試過程

5、中遇到的問題和解決方法-------------------------------18 6. 硬件實習總結-------------------------------------------------19 7． 參考文獻-----------------------------------------------------19 前言 在電子科技不斷飛速發(fā)展的今天，數(shù)字控制技術得到了廣泛而深入的應用。步進電機是一種將數(shù)字信號直接轉換成角位移或線位移的控制驅動元件, 具有快速起動和停止的特點。因為步進電動機組成的控制系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制

6、的基本要求，所以廣泛地應用于手工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設備、照相機,投影儀、數(shù)碼攝像機、大型望遠鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器件以及各種可控機械工具等等。 步進電機突出的優(yōu)點是它可以在寬廣頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，在需要精確定位的地方都要用到它，比如打印機、繪圖儀等。而LCD顯示屏在很多數(shù)碼產(chǎn)品中有著廣泛的應用，如計算器,IC卡電話機,電子手表,掌上電腦,儀表顯示屏等。 同時，單片機也廣泛應用于實時控制、智能儀器、儀表通信和家用電器等各個領域，所涉及的內(nèi)容非常廣泛，是計算機科學、電子學、自動控制等基礎知識的綜合應用。單片機的應用系統(tǒng)有硬件和軟件所組成。

7、本次硬件實習是基于51單片機對步進電機轉速進行控制，加之液晶的顯示，使其轉速的檔位和方向顯示在液晶上。 1. 設計目標及內(nèi)容 1.1 設計內(nèi)容 1.1.1 利用實驗平臺上單片機P0口輸出脈沖序列，74LS244輸出開關量，開關K2—K7控制步進電機轉速，（分6檔），K0,K1控制轉向。驅動方式分兩種，四相四拍、四相八拍，通過軟件設計，控制步進電機的轉速和方向。并將轉速（1~6檔）和轉向（正轉“1”，反轉“0”） 顯示在LCD顯示器上 1.2 設計目的 1.2.1 了解步進電

8、機控制的基本原理； 1.2.2 掌握液晶顯示圖形的基本方法，從而對其它液晶屏的使用也能得心應手。 2. 硬件原理及設計分析 2.1 步進電機的工作原理 該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。 圖1 四相步進電機步進示意圖 　　開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相 繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁

9、極產(chǎn)生錯齒。當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。 　　四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。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動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序與波形分別

10、如圖2.a、b、c所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍 圖2 通電時序波形 本實驗使用的步進電機用直流+12V電壓，電機線圈由A、B、C、D四相組成。驅動方式為四相四拍方式,各線圈通電順序如下表。表中首先向A線圈輸入驅動電流， 接著B、C、D線圈驅動，最后又返回到A線圈驅動，按這種順序切換，電機軸按順時針方向旋轉。若通電順序相反，則電機軸按逆時針方向旋轉。 （注：為提高步進電機負載能力和運行平穩(wěn)，可使用四相八拍驅動方式。） 順序/相 A B C D 0 0 1 1

11、 1 1 1 0 1 1 2 1 1 0 1 3 1 1 1 0 表二：驅動方式 2.2 液晶顯示原理 本實驗用的是1602液晶，1602液晶可以顯示兩行字符，其寫入字符是根據(jù)時序特點，寫指令，寫數(shù)據(jù)等操作。以下是1602液晶的相關資料， 讀狀態(tài) 輸入 RS=L，R/W=H，E=H 輸出 D0—D7=狀態(tài)字 寫指令 輸入 RS=L，R/W=L，D0—D7=指令碼，E=高脈沖 輸出 無 讀數(shù)據(jù) 輸入 RS=H，R/W=H，E=H 輸出 D0—D7=數(shù)

12、據(jù) 寫數(shù)據(jù) 輸入 RS=H，R/W=L，D0—D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖 輸出 無 表二：基本操作時序表 讀寫操作時序如圖所示 圖3：讀操作時序 圖4：寫操作時序 2.3 步進電機轉速控制及顯示設計（LCD顯示轉速）的硬件框圖 如圖5所示，整個硬件圍繞51單片機，根據(jù)開關輸入通過外接電路控制步進電機的轉速和方向，并顯示在液晶上。 8051單片機作為處理器，整個硬件功能圍繞8051進行實現(xiàn)，首先，由開關通過擴展輸入實現(xiàn)對整個硬件功能的控制。當開關設置為某個狀態(tài)時，由8051單片機輸出相應的值，通過擴展輸出對步進電機進行相應方向和轉速的控制

13、，并由1602進行相應的顯示。 8051單片機 開關 液晶LCD 步進電機 擴展輸出 驅動電路 LCD驅動電路 擴展輸入 圖5 硬件框圖 2.4 總的硬件電路圖 如硬件電路圖圖6所示。其中，74LS373為地址鎖存器，74LS244為帶3態(tài)輸出的八緩沖器，74LS273為帶清除的八觸發(fā)器；74LS138為三八譯碼器。開關由擴展輸入對單片機進行輸入相關變量，從而通過單片機對步進電機的轉速和方向進行控制。再有液晶進行相應的顯示。 3. 軟件分析及設計 3.1

14、軟件需求分析 本實習要求用開關控制步進電機的轉速和方向，并將相應的數(shù)據(jù)顯示在液晶上；通過分析，我們只需將開關的輸入量轉換成相應的步進電機轉速即可，然而，通過前面講過的步進電機的相關驅動方式我們可以知道，轉速可以通過設置延時子程序的時間長短來實現(xiàn)，而步進電機的方向則通過不同的時序來控制，從而加上很容易的實現(xiàn)步進電機的轉速控制，在根據(jù)液晶的時序規(guī)則來顯示相應的數(shù)據(jù)，很簡單的實現(xiàn)了整個實習要求。 3.2 程序流程圖 如圖(圖7：程序流程圖)所示，在程序開始后先進行各個參數(shù)的初始化，然后對開關量進行讀取，根據(jù)讀取的數(shù)值進行對步進電機的轉速量和方向量進行設置，并同時在LCD上顯示出相應的數(shù)據(jù)，定時

15、，置輸出地址，然后輸出相應的參數(shù)，從而實現(xiàn)對步進電機和液晶的相應控制。 圖7： 如下圖(圖8：LCD框圖所示)為LCD液晶的顯示子程序框圖,程序先進行LCD初始化，然后進行清屏，在需要寫入時，對LCD進行寫操作，最后就可以顯示出來你想要的字符。 圖8：LCD程序框圖 3.3 軟件代碼 #include "reg52.h" #include //#define uchar unsigne

16、d char //#define uint unisgned int //#define BYTE unsigned char //#define num unsigned int sbit k1 = P2^0; sbit k2 = P2^1; sbit k3 = P2^2; sbit k4 = P2^3; sbit k5 = P2^4; sbit k6 = P2^5; sbit k7 = P2^6; sbit k8 = P2^7; void delay1(unsigned int t) //電機驅動延時程序 { unsigned int k; whi

17、le(t--) { for(k=0; k<100; k++) } } void motor_ffw(unsigned char i) //電機順時針轉動程序 { P1=0x01; delay1(i); P1=0x02; delay1(i); P1=0x04; delay1(i); P1=0x08; delay1(i); } void motor_ffz(unsigned char i) //電機逆時針轉動程序 { P1=0x0

18、1; delay1(i); P1=0x02; delay1(i); P1=0x04; delay1(i); P1=0x08 delay1(i); } sbit RS = P0^5; //定義P2^5為液晶控制端口RS sbit RW = P0^6; sbit E = P0^7; uchar code table[]=" Gui zhou da xue " //字符定義 uchar code table1[]="wangxiaogang " uchar code table2[]="1120020075

19、 " uchar code table3[]=" SPEED:123456"; uchar code table4[]=" startstepmotor "; uchar code table5[]=" SPEED: "; uchar code table6[]="123456"; typedef unsigned char BYTE; //定義字符變量BYTE typedef unsigned int WORD; //定義整形變量WORD typedef bit BOOL; //字符變量BOOL //LCD驅動程序 void lcddelay(BYTE ms)

20、 // 延時子程序 { BYTE i; while(ms--) { for(i = 0; i< 250; i++) //循環(huán)250次 { _nop_(); _nop_(); _nop_(); //空操作延時1us _nop_(); } } } // 測試LCD忙碌狀態(tài)-忙檢測函數(shù) BOOL lcd_bz() { B

21、OOL result; //定義字符變量result,用于存放測試的LCD忙碌狀態(tài)值 RS = 0; // 寄存器的選擇控制口，選擇指令寄存器 RW = 1; // 讀寫操作控制端口， RW = 1表示讀操作 E = 1; // _nop_(); // 延時4us _nop_(); _nop_(); _nop_(); result = (BOOL)(P0 & 0x80); E = 0; return result; } //寫入指令數(shù)

22、據(jù)到LCD void lcd_wcmd(BYTE cmd) { while(lcd_bz()); RS = 0; RW = 0; E = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E = 0; } //寫入字符顯示數(shù)據(jù)到LCD void lcd_wda

23、t(BYTE dat) { while(lcd_bz()); RS = 1; RW = 0; E = 0; P0 = dat; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E = 0; } } //LCD初始化設定 void lcd

24、_init() { lcd_wcmd(0x38); //設置LCD為8位數(shù)據(jù)，兩行顯示，5*7點陣 lcddelay(1); lcd_wcmd(0x0E); //顯示開關控制指令設定，LCD開顯示和光標，不閃爍 lcddelay(1); lcd_wcmd(0x06); //設光標和畫面的移動方式I/D=1，S=0 設置讀寫操作之后 AC自動加一，顯示不移動 lcddelay(1); lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的顯示內(nèi)容 lcddelay(1); }

25、 void out0init()//外部中斷0的初始化 EX0 = 1; IT0 = 1; EA = 1; void lcd_xianshi() //lcd液晶顯示程序 lcd_wcmd(0x00); for(num=0;num<15;num++) { lcd_wdat(table[num]); delay(1); } lcd_wcmd(0x80+0x40); for(num=0;num<12;num++) { lcd_wdat(table1[num]); delay(1);

26、 } lcd_wcmd(0x80+0x40); for(num=0;num<10;num++) { lcd_wdat(table2[num]); } lcd_wcmd(0x80+0x40); for(num=0;num<11;num++) { lcd_wdat(table3[num]); delay(1); } lcd_wcmd(0x80+0x40); for(num=0;num<14;num++) { lcd_wdat(table4[num]); delay(1); } lcd_wcmd(0x8

27、0+0x40); for(num=0;num<6;num++) { lcd_wdat(table5[num]); delay(1); } void delay1ms(void) //判斷按鍵是否按下延時時間 誤差 0us { unsigned char a,b,c; for(c=1;c>0;c--) for(b=142;b>0;b--) for(a=2;a>0;a--); } void 0ut0inter(void) interrupt 0 using 1

28、 delay1ms(10) if(k1 = = 0) { delay1ms(2) if(k1 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); lcd_wdat(table6[0]); delay(1); } else if(k2 = =0) { delay1ms(2) if(k2 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=100; lcd_

29、wdat(table6[1]); } else if(k3 = =0) delay1ms(2) if(k3 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=80; lcd_wdat(table6[2]); } else if(k4 = =0) delay1ms(2) if(k4 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=60; lcd_wdat(table6[3])

30、; } else if(k5 = =0) delay1ms(2) if(k5 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=40; lcd_wdat(table6[4]); } else if(k6 = =0) delay1ms(2) if(k6 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=30; lcd_wdat(table6[5]); } motor_ffw(i);

31、 else if(k7 = =0) delay1ms(2) if(k7 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); lcd_wdat(table6[0]); delay(1); if(k2 = = 0) delay1ms(2) if(k2 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=100; lcd_wdat(table6[1]); } else

32、if(k3==0) delay1ms(2) if(k3 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=80; lcd_wdat(table6[2]); } else if(k4 = =0) delay1ms(2) if(k4 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=60; lcd_wdat(table6[3]); } else if(k5 = =0)

33、 delay1ms(2) if(k5 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=40; lcd_wdat(table6[4]); } else if(k6 = =0) delay1ms(2) if(k6 = =0) { lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07); delay(1); i=30; lcd_wdat(table6[5]); } lcd_wdat(table6[5]); motor_ffz(i)

34、; } void main (void) { lcd_xianshi(); lcd_init(); out0init(); while(1) { motor_ffw(i); delay1ms(80) motor_ffz(i); delay1ms(80) } } 4. 操作說明及結果分析 P1八位分別接開關開關的八個口，F(xiàn)208接38譯碼器，PO前四口分別接步進電機四口，F(xiàn)200接液晶 把程序燒寫進去后運行，液晶第一行顯示FX：當K0撥上時液晶顯示FX：1，步進電機順時鐘轉，當Ｋ１撥上

35、時液晶顯示FX：0，步進電機逆時針轉，開關K2—K7控制步進電機轉速，（分6檔），并正常顯示在液晶上，K2上撥時，第二行顯示SPEED:1；K3上撥時顯示SPEED:2；K4上撥時顯示SPEED:3； K5上撥時顯示SPEED:4；K5上撥時顯示SPEED:4；K6上撥時顯示SPEED:7；K7上撥時顯示SPEED:8；整個程序運行符合實習要求。 5. 調(diào)試過程中遇到的問題與解決方法 在整個調(diào)試過程中遇到了很多問題，現(xiàn)在就幾個比較有代表性和常見的問題加以說明。 首先，在本人調(diào)試步進電機速度時，剛開始遇到了電機只抖不轉的現(xiàn)象，當時檢查了整個程序，未發(fā)生程序上的錯誤，于是很納悶。不過

36、再后來上網(wǎng)差了很多資料后才慢慢了解到，是一下子給步進電機的速度太大，使其無法正常加速到那個速度。比較好的解決方法就是減速或是慢慢加速到那個快的速度。 其次，就是在液晶顯示程序完成后，調(diào)試過程中會遇到?jīng)]執(zhí)行完一次程序閃一下，通過查找相關資料和仔細閱讀自己程序后才知道，原來是自己在寫程序的時候，每次判斷后都有液晶清屏，后來改了之后正常顯示了。其他方面沒有大的問題。最終我們完成了完美的程序。 6. 硬件實習總結 為期兩個星期的單片機軟件、硬件實習很快就結束了，雖然整個過程進行的不是那么太順利，實習過程中遇到了種種問題，但在自己不懈的努力和指導老師的殷切教誨下，終歸還是依依解決，正如大家

37、所說，在自己努力之下嘗到成功的滋味是一件很幸福的事情，的確如此。在這次實習中收獲很多，我覺得最值得一提的是通過本次實習，培養(yǎng)了我對單片機的濃厚興趣，完成了這次實習任務覺得很有成就感。 在專業(yè)只是方面也收獲很多，首先，提高了自己的動手能力，并且在編程方面也有了很大的飛躍，通過本次的實習，鞏固了單片機的知識，學以致用才是學習的最終目標。我想這次實習在我以后的學習和工作中都會起到至關重要的幫助。 7. 參考文獻 【1】 趙德安.單片機原理與應用.機械工業(yè)出版社 【3】 向艷.周天彤.程起才.史兵.C語言程序設計.清華大學出版社 【4】 朱正偉.何寶祥.劉訓飛.數(shù)字電路邏輯設計.清華大學出版社 【5】 坂本正文（日）. 步進電機應用技術.北京科學出版社 【6】 叢爽.李澤湘.實用運動控制技術.電子工業(yè)出版社