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1、机电一体化课程设计题 目:基于单片机的步进电机控制 专 业： 机械电子工程 姓 名： 王琦 学 号： 0801010434 南理工泰科院机械工程学院 2011年10月20日基于单片机的步进电机控制 摘要：随着工业自动化的发展,步进电机的应用越来越广泛。步进电机是一种用于开环控制的驱动元件。本文阐述了步进电机的基本知识和特性,提出了基于单片机的步进电机控制系统。本设计采用AT89C51单片机对步进电机进行控制,实现了软件与硬件相结合的控制方法，单片机通过程序控制ULN2003A间接控制步进电机运转，通过按钮开关来调节步进电机进行正转与反转。关键词：步进电机，单片机，ULN2003A 背 景单片机
2、是20世纪70年代中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块，其特点是功能强大、体积小、可靠性高、价格低廉。它在工业控制、数据采集、机电一体化等领域得到广泛应用，极大地提高了这些领域的技术水平和自动化程度。因此，单片机的开发、应用已成为工程领域的一项重大课题。目前，单片机正朝着多品种，高性能的方向发展。单片机已经成为计算机发展的一个重要方面。另一方面，单片机的重要意义还在于：它从根本上改变了控制系统的设计思想与设计方法，从前必须由模拟电路与数字电路实现大部分功能，现在已经可以用单片机通过软件来控制了，由软件控制系统运行，这是自动控制技术的一次革命。 AT89C51简介 AT89C51是一种
3、带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 1主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器
4、锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 。 AT89C51的引脚图步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而
5、达到调速的目的。 步进电机是一种感应电机，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的，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。 现在比较常用的步进电
6、机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 步进电机必须由脉冲电流来驱动,正反转可由脉冲顺序来控制。步进电机的励磁方式可分为全部励磁和半步励磁，其中全部励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又叫1-2相励磁。本次课程设计中我选用的是1-2相励磁法：为1相与2相轮流交替导通。因分辨率提高，且运转平滑，每送一励磁信号可走9度，故亦广泛采用。若以1相励磁法控制步进电机正转，其励磁顺序如表1-1所示。若励磁信号反向传输，则步进电机反转。电动机的负载转矩与速度成反比，速度越快转矩越小，但速度快至极限时，步进电机不再运转，所以在每走一步后，程序必须
7、延时一段时间。励磁顺序：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-ASTEPABCD11000211003010040110600117000181001ULN2003A简介 ULN2003A是高压大电流达林顿晶体管,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A电路是美国Texas Instruments公司和Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列电路。ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动7组负载的能力,为单片双极型大功率高速集成电路。 ULN2003A引出端功能
8、符号引出端序号符号功能引出端序号符号同意功能11B输入9COM公共端22B输入107C输出33B输入116C输出44B输入125C输出55B输入134C输出66B输入143C输出77B输入152C输出8E发射极161C输出 硬件设计打开Proteus ISIS编辑环境，按下表所列元件清单添加元件。元件名称所属类所属子类AT89C51Microprocessor ICs8051 FamilyCAPCapacitorsGenericCRYSTALMiscellaneous-RESResistorsGenericBUTTONSwitches & RelaysSwitchesMOTOR-STEPPER
9、Electromechanical-ULN2003AAnalog ICsMiscellaneous 元件添加好以后，在Proteus ISIS的编辑区域中按下图连接硬件线路。 51单片机内部有一个时钟电路，但并没有形成时钟的振荡信号，因此必须外接谐振器才能形成振荡。 下图是单片机的振荡电路，采用的晶振频率是12MHZ.电容的是20PF，这是典型的单片机的振荡电路，采用外部方式，外部振荡信号直接引入XTAL1和XTAL2引脚。 下面介绍复位电路，单片机的复位电路分为上点复位和按键复位。本次采用的是按键复位电路。 在单片机已经通电的情况下，只需要按下按键饥渴复位。此时电源VCC经过电阻R2和R1分
10、压，在RST端产生一个复位高电平。满足要求。 软件设计本程序采用汇编语言，如下：ORG 00HSTART: MOV DPTR,# TAB1 MOV R0, # 03 MOV R4,#0 MOV P1,#3WAIT: MOV P1,R0 ；初始角度，0度 MOV P0,# 0FFH JNB P0.0,POS ；判断键盘状态 JNB P0.1,NEG SJMP WAITJUST: JB P0.1,NEG ；首次按键处理POS: MOV A,R4 ；正转9度 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY INC R4 AJMP KEYNEG: MOV R4, #6 ；反转9度
11、 MOV A,R4 MOVC A,A+ DPTR MOV P1,A ACALL DELAY AJMP KEYKEY: MOV P0,#03H ；读键盘情况 MOV A,P1 JB P0.0,FZ1 CJNE R4,# 8,LOOPZ ；是结束标志 MOV R4,#0LOOPZ: MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ；输出控制脉冲 ACALL DELAY ；程序延时 INC R4 ；地址加1 AJMP KEYFZ1: JB P0.1,KEY CJNE R4,#255,LOOPF ；是结束标志 MOV R4,# 7LOOPF: DEC R4 MOV A,R4 MOVC A,A+ DPTR MOV P1,A ；输出控制脉冲 ACALL DELAY ；程序延时 AJMP KEYDELAY: MOV R6,# 5DD1: MOV R5,#080HDD2: MOV R7,#0DD3: DJNZ R7,DD3 DJNZ R5,DD2 DJNZ R6,DD1 RETTAB1: DB 02H,06H,04H,0CH DB 08H,09H,01H,03H ；正转模型 END调试与仿真 （1） 打开Keil V2软件，新
