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1、华华 北北 水水 利利 水水 电电 学学 院院课课程程设设计计 说明书说明书 20112012 学年学年 第第 2 学期学期环环 节节名名 称：称：单片机应用基础课程设计单片机应用基础课程设计专专 业业班班 级：级：机自机自2009061学学号：号：200906118姓姓名：名：杨晓辉杨晓辉指指 导导教教 师：师：雷冀南雷冀南院院、系系 ：机械学院机械学院教教研研室：室：机械制造教研室机械制造教研室- 3 -课课程程设设计计任任务务书书课程设计名称课程设计名称单片机应用基础课程设计专业班级专业班级（学生人数（学生人数）机自 2010062622010070（96 人）指导教师雷冀南本学期承担
2、相应课程教 学任务情况单片机应用基础 理论：26 学时 实验：6 学时课程设计目的 及任务单片机应用基础课程设计是学好本门课程的又一重要实践性教学环节，课程设计的目的就是配合本课程的教学和平时实验， 以达到巩固消化课程的内容， 进一步加强综合应用能力及单片机应用系统开发和设计能力的训练， 是以培养学生综合运用所学知识的过程，是知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要阶段。课程设计任务： 根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元器件， 进行系统硬件电路设计和软件编程，根据系统制作并调试系统电路板，使之实现任务要求。有关参数选择要求符合国家标准。具体设计内容：模拟步进电机控制课程设计要求要求
3、：1、利用 proteus 软件设计各模块工作原理图，并进行模拟仿真；2、控制程序设计、调试及实现：（1）根据要求，写出完整的程序流程图；（2）将设计程序输入、汇编，排除语法错误，生成*.OBJ 文件；（3）利用 proteus 软件进行电路模拟仿真和调试4、设计硬件电路并烧写程序，调试后系统能按照要求工作5、写出课程设计说明书（统一格式）课程设计目标1课程设计说明书一份；2系统工作原理图一张；3汇编源程序4硬件电路板调试通过参考文献及资料1 李广第主编单片机基础第一版北京航空航天大学出版社北京1994 年 6 月2 王修才主编单片机接口技术第一版复旦大学出版社上海1995 年 10 月3 周
4、志德主编单片机原理及应用第一版高等教育出版社4 李运华主编机电控制第一版北京航空航天大学出版社5 秦曾煌主编电工学 上册：电工技术第五版高等教育出版社- 4 -目录目录第一章 课程设计的目的和要求 41.1 课程设计的目的和要求41.2 课题设计的任务41.3 课程设计预备知识4第二章总体设计 8 介绍对系统设计的总体认识及解决方案，并对采取的方案进行论证第三章硬件设计9 介绍本系统所选用的各种芯片的功能、引脚、相应的命令控制字格式等，画出系统工作 原理图及实现方法第四章系统调试11 介绍系统调试过程以及出现的问题、解决方法第五章结束语 11 简述课程设计的收获、体会以及对本教学环节的意见和建
5、议参考文献12附录13附录 1系统工作原理图附录 2各模块程序清单，并注释说明附录 3程序框图- 5 -第一章第一章 课程设计的目的和要求课程设计的目的和要求1.11.1 课程设计的目的和要求课程设计的目的和要求（一）课程设计目的（一）课程设计目的单片机应用基础课程设计是学好本门课程的又一重要实践性教学环节，课程设计的目的就是配合本课程的教学和平时实验，以达到巩固消化课程的内容，进一步加强综合应用能力及单片机应用系统开发和设计能力的训练，启发创新思维，使之具有独立单片机产品和科研的基本技能，是以培养学生综合运用所学知识的过程，是知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要阶段。（二）课程设计的要求
6、：（二）课程设计的要求：1、利用 proteus 软件设计各模块工作原理图，并进行模拟仿真；2、控制程序设计、调试及实现：（1）根据要求，写出完整的程序流程图；（2）将设计程序输入、汇编，排除语法错误，生成*.OBJ 文件；（3）利用 proteus 软件进行电路模拟仿真和调试3、写出课程设计说明书1.2 课程设计的任务课程设计的任务根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元器件，进行系统硬件电路设计和软件编程，根据系统制作并调试并焊接系统电路板，使之实现任务要求。有关参数选择要求符合国家标准。具体设计内容如下：模拟步进电机。1.31.3 课程设计预备知识课程设计预备知识（一）步进电机工作
7、原理（一）步进电机工作原理步进电机实际上是一个数字/角度转换器，三相步进电机的结构原理如图所示。从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A、A、B、B、C、C ，相邻的两个磁极之间夹角为 60，相对的两个磁极组成一相（A-A，B-B，C-C） ，当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成 N 极和 S 极，每个磁极上各有五个均匀分布矩形小齿，电机的转子上有 40 个矩形小齿均匀地分布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为 9。当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。-
8、 6 -由此可见，错齿是促使步进电机旋转的原因。三相步进电机结构示意图三相步进电机结构示意图例如在三相三拍控制方式中，若 A 相通电，B、C 相都不通电，在磁场作用下使转子齿和 A 相的定子齿对齐，我们以此作为初始状态。设与 A 相磁极中心线对齐的转子的齿为 0 号齿，由于 B相磁极与 A 相磁极相差 120，不是 9的整数倍（1209=40/3） ，所以此时转子齿没有与 B 相定子的齿对应，只是第 13 号小齿靠近 B 相磁极的中心线，与中心线相差 3，如果此时突然变为 B相通电，A、C 相不通电，则 B 相磁极迫使 13 号转子齿与之对齐，转子就转动 3，这样使电机转了一步。如果按照 AB
9、C 的顺序轮流通电一周，则转子将动 9。步进电机的运转是由脉冲信号控制的，传统方法是采用数字逻辑电路环形脉冲分配器控制步进电机的步进。 下图为环形脉搏冲分配器的简化框图。三相六拍环形脉搏冲分配器三相六拍环形脉搏冲分配器运转方向控制。如图所示，步进电机以三相六拍方式工作，若按 AABBBCCCAA 次序通电为正转，则当按 AACCCBBBAA 次序通电为反转。运转速度的控制。图中可以看出，当改变 CP 脉冲的周期时，ABC 三相绕组高低电平的宽度将发生变化，这就导至通电和断电时速率发生了变化，使电机转速改变，所以调节 CP 脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。旋转的角度控制。因为每输入一个
10、CP 脉冲使步进电机三相绕组状态变化一次，并相应地旋转一个角度，所以步进电机旋转的角度由输入的 CP 脉冲数确定。（二）利用（二）利用 P1 口进行步进电机控制系统设计原理图口进行步进电机控制系统设计原理图举例说明：20BY-0 型 4 相步进电机，其工作电压为 4.5V,在双四拍运行方式时,其步距角为18O,相直流电阻为 55,最大静电流为 80Ma。采用 8031 单片机控制步进电机的运转，按四相四- 7 -拍方式在 P1 口输出控制代码，令其正转或反转。因此 P1 口输出代码的变化周期 T 控制了电机的运转速度：n=60/TN式中：n 步进电机的转速（转/分） ；N 步进电机旋转一周需输
11、出的字节数；T 代码字节的输出变化周期。设 N=360/18=20，T=1.43ms,则步进电机的转速为 2100 转/分。控制 P1 口输出的代码字节个数即控制了步进电机的旋转角度。根据步进电机工作原理，使用 8031 的 P1.0-P1.3 分别驱动步进电机 A、B、C、D 相，用软件控制 P1 口输出一脉冲序列，控制步进电机转速、方向、步距。同时为能观察步进电机旋转状态，在 A、B、C、D 相输出到状态指示灯。控制原理（三）扩展（三）扩展 8255 的步进电机控制系统设计原理图的步进电机控制系统设计原理图步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转。切换是通过单
12、- 8 -片机输出脉冲信号来实现的。所以调节脉冲信号的频率便可以改变步进电机的转速，改变各相脉冲的先后顺序，可以改变电机的旋转方向。步进电机的转速应由慢到快逐步加速。电机驱动方式可以采用双四拍(ABBCCDDAAB) 方式，也可以采用单四拍(ABCDA)方式，或单、双八拍(AABBBCCCDDDAA)方式。各种工作方式的时序图如下： （高电平有效）单、双八拍工作方式：单、双八拍工作方式：双四拍方式：双四拍方式：单四拍方式：单四拍方式：上图中示意的脉冲信号是高有效，但实际控制时公共端是接在 VCC 上的，所以实际控制脉冲是低有效。8255 的 PA 口输出的脉冲信号经（MC1413 或 ULN2
13、003A）倒相驱动后，向步进电机输出脉冲信号序列。8051 或 80C196 单片机也可以通过 P1 口输出脉冲信号控制步进电机的运- 9 -转。第二章第二章 总体设计总体设计2.1、明确任务、明确任务步进电机功能：启/停；正转/反转；单四拍/双四拍；加速/减速。功能要求：启动时电机启动待机，按下停止按钮时电机停止；按正转按钮时电机八拍正转；按反转按钮时电机八拍反转；按双四拍按钮时电机双四拍正转；按单四拍按钮时电机单四拍正转；按加速按钮时速度加快；按减速按钮时速度降低。解决方案：采用 AT89C51 单片机和四相五线型步进电机。2.2、硬件和软件功能的划分、硬件和软件功能的划分“加速/减速”由
14、外部中断 0 控制； “正转/反转；单四拍/双四拍”由外部中断 1 控制； “加速”由 P2 口和外部中断 0 组合控制； “减速”由 P2 口和外部中断 0 组合控制； “正/反转；单四拍/双四拍由 P2 口和外部中断 1 组合控制” ；第三章第三章 硬件设计硬件设计步进电机步进电机技术参数：硬件设计的总体框图硬件设计的总体框图- 10 -本设计主要有：单片机、ULN2004 驱动部分。总体框图如下：总体框图总体框图最小系统最小系统对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。复位电路：使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。该设计要求只需4个键对步进电机的
15、状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了6路独立式键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用30PF的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。如图2示。晶振电路：8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 2 示。其电容值一般在 530pf,晶振频率的典型值为 12MHz,采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。AT89C51ULN2004驱动步进电机Led 显示时钟电路键盘控制电路复位电路- 11 -XTAL218X
