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1、二相步进电机控制系统的设计(采用双极性控制)课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 二相步进电机控制系统的设计（采用双极性控制）初始条件：设计一个二相步进电机控制系统，电机有两组带中心抽头的线圈，要求系统具有如下功能：采用双极性（H桥）控制（不使用线圈的中心抽头），用K0-K1做为通电方式选择键，K0为四拍，K1为八拍， K2为启动/停止控制、K3方向控制、K4加速、K5减速；用4位LED数码管显示工作步数。用3个发光二极管显示状态：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮；要求完成的主要任务: 1 硬件设计：系统总原理图及各部分详细原理图2 软件设计：系统总体
2、流程图、步进电机四拍，八拍各模块流程图、显示模块流程图等3 编写程序：能够完成上述任务并用仿真软件演示4 完成符合要求的设计说明书时间安排：2013年6月24日2013年7月4日指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要11 设计任务及要求的分析22 方案比较及认证22.1 单片机选型22.2驱动模块选择33 系统实现的原理说明34 硬件设计说明54.1 单片机系统原理分析54.2 二相步进电机工作原理分析74.3 L298驱动电路设计94.4 四位LED数码管显示设计115 软件设计说明125.1总体流程分析与设计125.2 设置电机转动模式流程分析与设计13
3、5.3 显示模块流程分析与设计146 调试记录及结果分析156.1 总体硬件仿真设计156.2调试与仿真结果分析16小结与心得体会18参考文献19附录1：20附录2：20摘要步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性大大降低;软件环形分配器要占用主机的运行时间，降低了速度;专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但其适应性受到限制，同时开发周期
4、长、需求费用较高。本控制系统的设计方案，以单片机为核心，辅以驱动电路，完成二相步进电机的控制。本次设计的硬件部分主要包括单片机系统、按键控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块等功能模块的设计，软件部分由几个模块控制子程序分别控制硬件模块的运行，最终实现对步进电机转动方向及转动模式（四拍，八拍）的控制，并且将步进电机的步进数动态显示在LED数码管上。关键词：步进电机 单片机 控制 LED二相步进电机控制系统的设计1 设计任务及要求的分析设计的步进电机控制系统要求有以下功能：1. 二相步进电机采用双极性（H桥）控制；2用K1作为通电方式选择键，可选择四拍和八拍；3. 用K2作为启动/停止控制键，
5、闭合表示启动，断开表示停止；4. 用K3作为正反转控制键，开关闭和表示反转，断开表示正转；5. 用K4作为加速控制键，闭合时电机加速运转；6. 用K5作为减速控制键，闭合时电机减速运转；7. 用4位LED数码管显示工作步数；8. 用3个发光二极管显示状态：正转时红灯亮，反转时黄灯亮，不转时绿灯亮。本次设计需要对二相步进电机进行双极性控制，使其能在控制下进行正转、反转和停止，同时利用数码管和二极管分别显示其工作步数和工作状态。由于控制功能较为复杂，所以本系统需要采用单片机以及驱动模块进行设计。2 方案比较及认证2.1 单片机选型单片机以其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等优点，在各个领域都获
6、得了广泛的应用，在我国，近几年单片机也得到了广泛的应用特别是在工业控制、智能仪表等方面。单片机种类繁多，目前市场上常用的单片机有51系列，AVR系列与PIC系列等。MCS-51系列运算与寻址能力强、存储空间大、片内集成外设丰富、功耗低等。其中大部分兼容芯片有Flash,价格便宜，常用于仪器仪表、测控系统、嵌入式系统开发。ATMEL公司的AVR单片机是增强型RISC内载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便.AVR单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期内可执行复杂的指令,每MHz可实现1MI
7、PS的处理能力.AVR单片机工作电压为2.76.0V,可以实现耗电最优化.AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域。PIC系列单片机: PIC系列单片机的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构，分别仅有33,35条指令,采用Harvard双总线结构，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积。适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用，PIC系列单片机在
8、世界单片机市场份额排名中逐年提高，发展非常迅速。比较这三种类型的单片机，MCS-51系列单片机以抗干扰能力强、对环境要求不高、灵活性强等别的系统所不具备的优点被广泛使用。即使非电子计算机专业人员，通过学习一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量，来开发所希望的单片机应用系统。由于本次设计的所要实现的功能并不复杂，鉴于成本考虑，选用便宜而常用的MCS-51系列较为合适。本次设计采用其中低功耗型80C51单片机。2.2驱动模块选择驱动模块常用有uln2003a和L298，考虑到二相步进电机需采用双极性控制，故电机的驱动模块使用芯片L298实现，接线简洁，稳定性好。3 系统实现的原理说明本次课程设
9、计系统以单片机80C51为核心进行设计，单片机与按键、数码管、发光二极管、L298驱动模块相连接，人为操作按键，在程序控制下，单片机将通过驱动模块控制步进电机转动，并使数码管和发光二极管分别显示步进电机的工作步数和状态。系统的总体原理框图如下所示：按键设置80c51单片机系统L298驱动模块发光二极管显示状态二相步进电机四位数码管图3-1系统总体原理框图本系统以单片机80C51为核心的控制系统，由P1口进行开关按键的设置，具体为：P1.2接K5减速开关，开关闭合时作用，低电平有效；P1.3接K4加速开关，开关闭合时作用，低电平有效；P1.4接K3正/反转开关，高电平为正转，低电平为反转；P1.
10、5接K2启动/停止开关，高电平为停止状态，低电平为启动状态； P1.6和P1.7接K0单刀双掷开关，用于控制工作模式的选择，P1.6接八拍，P1.7接四拍。P3口与P0口外接4位LED数码管，显示步进步数，通过控制P3口的电平信号，达到片选的目的，进而实现4位数值的显示。P0口作为输出口外接LED的AG以及DP。另外P2.4接绿色发光二极管，使其在电机停转时亮；P2.5接红色放光二极管，使其在电机正转时亮；P2.6接黄色发光二极管，使其在电机反转时亮。P2外接驱动电路L298的4个输入端，具体为P2.0接IN1，P2.1接IN2，P2.2接IN3，P2.3接IN4。这样即可通过控制单片机的P2
11、口输出电平来实现二相步进电机的启动，停止，正反转以及四拍，八拍运转。具体工作过程需通过对单片机编程来实现。电路图如下所示图 3-2 系统电路原理图4 硬件设计说明4.1 单片机系统原理分析80C51是MCS-51系列单片机中CHMOS工艺的一个典型品种。其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计，由先进CMOS 工艺制造，并带有非易失性Flash 程序存储器 ，全部支持12 时钟和6 时钟操作，P89C51X2 和P89C52X2/54X2/58X2 分别包含128 字节和256 字节RAM、32 条I/O 口线、3
12、 个16 位定时/计数器、6 输入4 优先级嵌套中断结构、1 个串行I/O 口、可用于多机通信 I/O 扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路。其主要结构组成如下：1中央处理器（CPU）2内部数据存储器（内部RAM）3内部程序存储器（内部ROM）4定时器/计数器5并行I/O口6串行口7时钟电路8中断系统9外接晶体引脚图4-1 80C51单片机管脚图单片机管脚如图4-1所示，下面对其各个管脚进行必要的说明。P0、P1、P2、P3口的电平与CMOS和TTL电平兼容。P0口的每一位口线可以驱动8个LSTTL负载。在作为通用I/O口时，由于输出驱动电路是开漏方式，由集电极开路（OC门）电路或漏极
13、开路电路驱动时需外接上拉电阻；当作为地址/数据总线使用时，口线输出不是开漏的，无须外接上拉电阻。 P1、P2、P3口的每一位能驱动4个LSTTL负载。它们的输出驱动电路设有内部上拉电阻，所以可以方便地由集电极开路（OC门）电路或漏极开路电路所驱动，而无须外接上拉电阻。 当CPU不对P3口进行字节或位寻址时，内部硬件自动将口锁存器的Q端置1。这时，P3口作为第二功能使用。 P3.0 ：RXD（串行口输入）； P3.1 ：TXD（串行口输出）； P3.2 ：外部中断0输入； P3.3 ：外部中断1输入； P3.4 ：T0（定时器0的外部输入）； P3.5 ：T1（定时器1的外部输出）； P3.6
14、：（片外数据存储器“写”选通控制输出）； P3.7 ：（片外数据存储器“读”选通控制输出）。 EA/VPP: 访问程序存储器控制信号，当其为低电平时，对ROM的读操作限定在外部的程序存储器，当其为高电平时，对ROM的读操作是从内部存储器开始的，并可延至外部程序存储器。 ALE/PROG: 编程脉冲 PSEN: 外部程序存储器读选通信号，在读外部ROM时PSEN是低电平有效，以实现对ROM 的读操作。 RST/VPD: 复位信号，当输入信号延续2个周期以上的高电平有效，用以完成单片机复位初始化操作。 XTAL: 时钟晶振输入端。 本系统设计中所用P1P3全部当做IO口用。4.2 二相步进电机工作
15、原理分析步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机一般分为永磁式(PM)、反应式(VR)和混合式(HB)3种类型。目前，二相混合式步进电机的应用最为广泛。图4-3为二相六线式步进电机的工作原示意图。由图可知，它有2个绕组，且每个绕组都有一个中间抽头。因此，二相步进电机也就有了6根引线。当电机中的绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到相应的磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向使定子在顺时针方向轮流产生磁场，则电机可顺时针转动；通电方向使定子在逆时针方向轮流产生磁场，则电机可逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即一个步距角。脉冲频率越高，电机转动也就越
