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單片機原理與應用課程設計說明書 題 目： 步進電動機控制系統(tǒng)設計 系 部： 專 業(yè)： 班 級： 2013級1班 學生姓名: 學 號: 指導教師: 2013年 6 月 22 日 目 錄 1.項目設計任務與要求 1 2．項目設計方案 1 2.1設計思路 1 2.2器件選擇方案 1 2.2.1 單片機的選擇 1 2.2.2 AT80C51的主要性能 1 2.2.3 AT80C51引腳圖 2 2.2.4 管腳作用： 2 2.2.5 四相步進電動機工作原理 3 3 .硬件電路設計 5 3.1步進電動機介紹 5 3.2 步進電動機控制系統(tǒng)電路設計 5 3.3步進電動機驅(qū)動電路 5 3.4按鍵與指示電路 6 3.5晶振電路和復位電路 8 4.項目軟件設計 9 5.項目仿真與調(diào)試 12 5.1程序的調(diào)試 12 5.2步進電動機控制系統(tǒng)仿真 13 5.2.1步進電動機正轉仿真 13 5.2.2步進電動機反轉仿真 14 5.2.3步進電動機停止仿真 14 6.結論 15 7.附錄 16 參考文獻 18 1.項目設計任務與要求 使用80C51單片機對四相步進電動機進行控制，使其能夠順時針或逆時針旋轉。 1)電動機運行平穩(wěn)，正反轉控制自如； 2）根據(jù)要求改變運行圈數(shù)和運行速度； 3)寫出詳細的電路工作原理、參數(shù)計算； 4)畫出仿真電路圖； 5)仿真測試并記錄結果。 2．項目設計方案 2.1設計思路 步進電動機驅(qū)動原理如下：單片機發(fā)出脈沖信號，控制步進電動機定子的各相繞組以適當?shù)臅r序通、斷電，使其作步進式旋轉。四相步進電動機各相繞組的通電順勛可以單四拍（A→B→C→D）、雙四拍（AB→BC→CD→DA）和單雙八拍（A→AB→B→BC→C→CD→D→DA）的方式進行。按上述順序切換，步進電動機轉子按順時針方向旋轉。若通電順序相反，則電動機轉子按逆時針方向旋轉。 2.2器件選擇方案 2.2.1 單片機的選擇 本設計采用AT80C51單片機，80C51單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、價格便宜、耗電低、技術成熟和成本低等優(yōu)點。許多功能部件集成在芯片內(nèi)部，其信號通道受外接影響小，可靠性高，控制能力強，運行速度快等特點。 2.2.2 AT80C51的主要性能 1．與STC89C52 單片機產(chǎn)品系列兼容； 2．片內(nèi)有4KB可在線重復編程的快閃擦寫存儲器； 3.存儲數(shù)據(jù)保存時間為10年； 4.寬工作電壓范圍：VCC可為2.7V到6V； 5.全靜態(tài)工作：可從0Hz至16MHz ； 6.程序存儲器具有3級加密保護； 7.128*8位內(nèi)部RAM； 8.32條可編程I/O線； 9.兩個16位定時器/計數(shù)器； 10.中斷結構具有5個中斷源和2個優(yōu)先級； 11.可編程全雙工串行通道； 12.空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。 2.2.3 AT80C51引腳圖 圖1 80C51 PDIP封裝引腳圖 2.2.4 管腳作用： VCC：電源電壓，AT80C51電源的正極輸入端，接+5V電壓使AT80C51單片機正常工作。是單片機的電源提供端口。 GND：接地。 P0：P0口(P0.0～P0.7)是一個8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當訪問外部數(shù)據(jù)時，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向I／O口用P0口每一個引腳可以推動8個LSTTL負載。 P1：P1口(P1.0~P1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準雙向并行I/O口)，其輸出可以推動4個LSTTL負載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。 P2：P2口(P2.0~P2.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準雙向并行I/O口)，當訪問外部程序存儲器時，它是高8位地址。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向I／O口用。每一個引腳可以推動4個LSTL負載。 P3：P3口(P3.0~P3.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/0端口(準雙向并行I/O口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下： P3.0 RXD串行通信輸入。 P3.1 TXD串行通信輸出。 P3.2 INT0外部中斷0輸入，低電平有效。 P3.3 INT1外部中斷1輸入，低電平有效。 P3.4 T0計數(shù)器0外部事件計數(shù)輸入端。 P3.5 T1計數(shù)器1外部事件計數(shù)輸入端。 P3.6 WR外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效。 P3.7 RD外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 EA/VPP：片內(nèi)片外程序儲存器選擇控制端。 PSEN：片外程序儲存器（ROM）選通線。 2.2.5 四相步進電動機工作原理 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。 如下所示的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2是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。 圖2 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。 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3所示： 圖3 步進電機工作時序波形圖 3 .硬件電路設計 3.1步進電動機介紹 步進電動機是工業(yè)過程中一種能夠快速啟動、反轉和制動的執(zhí)行機構，其功能是將電脈沖轉換為相應的角位移或直線位移。作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行機構，它具有結構簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點，廣泛應用在數(shù)控機床、機器人、自動化儀表等領域。本次設計，通過軟件和硬件的結合實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉、反轉、加速、減速功能，并且步進電機所處的狀態(tài)用相應的發(fā)光二極管顯示。主要通過三大塊來設計，包括驅(qū)動電路的設計、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分是設計。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而精確地控制轉動角度；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的角度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 3.2 步進電動機控制系統(tǒng)電路設計 步進電動機控制系統(tǒng)電路原理圖如圖4所示。 圖4 步進電動機控制系統(tǒng)電路原理圖 圖中除單片機、晶振電路、復位電路外，還包括步進電動機驅(qū)動電路，另外使用了3個按鍵S1～S3與3個發(fā)光二極管D1～D3，用來控制與指示電動機的正轉、反轉與停止，還使用了四個發(fā)光二極管D4～D7，作為步進電動機轉動步數(shù)的指示。 3.3步進電動機驅(qū)動電路 常用的小型步進電動機集成驅(qū)動電路為ULN2003。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，可用于采用單片機控制的各類小型電動機的驅(qū)動。 ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封裝。ULN2003內(nèi)部結構即等效電路如圖5所示。 圖5 ULN2003的內(nèi)部結構 （a） 內(nèi)部結構 （b）等效電路 引腳1～7作為輸入，引腳16～10作為輸出，8腳接地，9腳接+5V電源，如果1腳接高電平1，則16腳輸出低電平0。ULN2003的驅(qū)動電流可達500mA。 圖4中用P1.0～P3.2作為步進電動機驅(qū)動信號輸出口，輸出信號經(jīng)ULN2003達林頓管進行電流放大后，驅(qū)動步進電動機運行。 3.4按鍵與指示電路 P3.0～P3.2作為按鍵K1～K3的輸入接口，K1～K3分別是正轉、反轉和停止按鍵。 如圖6按鍵鏈接電路圖。 圖6 按鍵鏈接電路圖 P0.0～P0.2接了三個LED發(fā)光二極管D1～D3，用來指示當前步進電動機的正轉、反轉和停止運行情況，還使用了四個發(fā)光二極管D4～D7，作為步進電機轉動步數(shù)的指示。如圖7和圖8指示圖。 圖7 電動機工作指示鏈接電路圖 圖8 步進電機轉動步數(shù)的指示鏈接圖 3.5晶振電路和復位電路 晶振電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏，可以通過提高時鐘頻率來提高CPU的速度，本次設計采用的晶振為12MHz。如圖9晶振電路和復位電路鏈接圖。 圖9 晶振電路和復位電路鏈接圖 4.項目軟件設計 本項目的關鍵在于步進電動機通電序列的控制，表1給出了四相步進電動機的單四拍、雙四拍與單雙八拍三種通電模式。 表1 四相步進電動機的三種通電模式 系統(tǒng)主程序框圖如圖10所示。 選擇讓四相步進電動機工作于單雙八拍方式，按下正轉鍵實現(xiàn)正傳三圈，按下反轉鍵實現(xiàn)反轉三圈，按下停止鍵，立即停步。設步進電動機的步進角為9，C51語言程序設計如下： #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code FFW[]= { 0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09 }; //步進電動機正轉八拍A→AB→B→BC→C→CD→D→DA uchar code REV[]= { 0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01 }; //步進電動機反轉八拍AD→D→DC→C→CB→B→-BA→A sbit K1 = P3^0; //正轉按鍵 sbit K2 = P3^1; //反轉按鍵 sbit K3 = P3^2; //停止按鍵 void DelayMS(uint ms) //延時程序 { uchar i; while(ms--) { for(i=0;i<120;i++); } } void SETP_MOTOR_FFW(uchar n) //步進電動機正轉 { uchar i,j; for(i=0;i<5*n;i++) //步進電動機的步距角為每拍9，八拍為72，轉一圈需要五個八拍 { for(j=0;j<8;j++) { if(K3 == 0) break; //按下停止按鍵則跳出循環(huán) P1 = FFW[j]; DelayMS(500); } } } void SETP_MOTOR_REV(uchar n) //步進電動機反轉 { uchar i,j; for(i=0;i<5*n;i++) //步進電動機的步距角為每排9，八拍為72，轉一圈需要五個八拍 { for(j=0;j<8;j++) { if(K3 == 0) break; //按下停止按鍵則跳出循環(huán) P1 = REV[j]; DelayMS(500); } } } void main() { uchar N = 3; while(1) { if(K1 == 0) //當按鍵K1按下時，步進電動機開始正轉三圈 { P0 = 0xfe; SETP_MOTOR_FFW(N); if(K3 == 0) break; } else if(K2 == 0) //當按鍵K2按下時，步進電動機開始反轉三圈 { P0 = 0xfd; SETP_MOTOR_REV(N); if(K3 == 0) break; //當按鍵K3按下時，步進電動機停轉 } else { P0 = 0xfb; //待機狀態(tài)時，停止指示燈亮 P1 = 0x03; //P1.0和P1.1口處于高電平 } } } 5.項目仿真與調(diào)試 5.1程序的調(diào)試 把編好的程序（包括正反轉程序、停止程序、顯示程序等）合理安排好結合到一起用uVision3 IDE軟件進行編譯。由于編譯只能檢查是否存在語法錯誤，所以還要看是否存在邏輯錯誤。程序修改好以后，當顯示編譯0錯誤，0警告的時候，這說明已經(jīng)沒有語法錯誤了，是否有邏輯錯誤還要看接上電路板通過仿真以后，步進電機能否正常轉動，顯示是否正常。用uVision3 IDE軟件編譯調(diào)試程序，如圖11所示 圖11 uVision3 IDE軟件編譯調(diào)試程序 5.2步進電動機控制系統(tǒng)仿真 用proteus軟件對步進電動機控制系統(tǒng)進行仿真，如圖12所示。 圖12 步進電動機控制系統(tǒng)proteus仿真電路 導入C51程序，進行正轉、反轉、停止測試。 5.2.1步進電動機正轉仿真 按下k1鍵，電動機開始正轉，如圖13所示。 圖13 步進電動機控制系統(tǒng)正轉仿真圖 5.2.2步進電動機反轉仿真 按下k2鍵，步進電動機開始反轉，如圖14所示。 圖14 步進電動機控制系統(tǒng)反轉反轉仿真圖 5.2.3步進電動機停止仿真 按下k3，步進電動機停止運行，如圖15所示。 圖15 步進電動機控制系統(tǒng)仿真圖 6.結論 為期兩個星期的課程設計已經(jīng)結束，在這兩星期的學習、設計過程中我們感觸頗深。使我們對抽象的理論有了具體的認識。通過對步進電動機控制系統(tǒng)設計，我們掌握了常用元件的識別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接方法；以及如何提高電路的性能等等。 通過這次設計，是我深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設計，我們不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中理解了書本上的知識，明白了學以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個課程設計的原因。他是為了教會我們?nèi)绾芜\用所學的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。 在做本次設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計了。我們是按照學號分組，2人一組，在我們軟件編程的過程中，有很多問題我們都無法解釋，只好去查書，為了讓設計更加完善，查閱這方面的設計資料也是十分必要的。在這次課程設計中，我們運用到了以前所學的專業(yè)課知識，如：C語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去從未獨立應用過它們，但在學習的過程中帶著問題去學發(fā)現(xiàn)效率很高，這是做這次課程設計的又一收獲。設計結束了，但是從中得到的知識會讓我們受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力的提高都會受益于在以后的學習工作和生活中。此次設計更鍛煉了我們的毅力和小組合作交流的能力，我覺得做任何事情要善始善終，不要中途放棄，只要自己認真的去對待，再難的問題也能找到辦法解決。 7.附錄 步進電動機控制系統(tǒng)匯編語言程序參考 .MODEL SMALL .8086 .STACK .CODE .STARTUP MOV DX,0200H MOV AL,0B3H OUT DX,AL // 電動機停止，停轉指示燈亮 AGAIN: MOV DX,0400H IN AL,DX //讀入開關狀態(tài) TEST AL,01H JZ CLOCKWISE //電動機正轉 TEST AL,02H JZ UNCLOCKWISE //電動機反轉 JMP AGAIN CLOCKWISE: MOV SI,0 //電動機正轉開始 LOP0: MOV DX,0200H MOV AL,FFW[SI] OUT DX,AL CALL DELAY MOV DX,0400H IN AL,DX TEST AL,02H //檢測反轉按鍵是否按下 JZ UNCLOCKWISE TEST AL,04H //檢測停止按鍵是否按下 JZ STOP INC SI CMP SI,8 JB LOP0 //繼續(xù)正轉循環(huán) JMP CLOCKWISE UNCLOCKWISE:MOV SI,0 //電動機反轉開始 LOP1: MOV DX,0200H MOV AL,REV[SI] OUT DX,AL CALL DELAY MOV DX,0400H IN AL,DX TEST AL,01H //檢測正轉按鍵是否按下 JZ CLOCKWISE TEST AL,04H //檢測停止按鍵是否按下 JZ STOP INC SI CMP SI,8 JB LOP1 //繼續(xù)反轉循環(huán) JMP UNCLOCKWISE STOP: MOV DX,0200H MOV AL,0B3H OUT DX,AL //電動機停止，停轉指示燈亮 JMP AGAIN DELAY PROC NEAR PUSH BX PUSH CX MOV BX,25 DEL1: MOV CX,295 DEL2: LOOP DEL2 DEC BX JNZ DEL1 POP CX POPBX RET DELAY ENDP .DATA FFW DB 069H,068H,06CH,064H,066H,062H,063H,061H //單雙八拍正轉 REV DB 051H,053H,052H,056H,054H,05CH,058H,059H //單雙八拍反轉 END 參考文獻 [1]鄒華.張?zhí)m紅.單片機原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：301-306. 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