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1、 课 程 设 计 报 告 全套设计加扣3012250582 课程名称 单片机技术课程设计 设计题目 步进电机正反转控制 专业年级 电气112 姓 名 学 号 提交时间 2014-06-06 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院前言 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能
2、性。在当今社会的各个领域步进电机无处不在，应用领域涉及机器人、工业电子自动化设备、医疗器件、广告器材、舞台灯光设备、印刷设备、计算机外部应用设备等等。因此，设计出高精确度、实时监控、语音提示的步进电机具有重要的现实意义和实用价值。基于单片机的步进电机控制系统，能够有效地对步进电机转速、方向等进行控制。本设计采用单片机AT89C51对步进电机进行控制，通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过驱动芯片驱动步进电机；同时，用按键来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速。目录前言- 0 -第一章 设计目的及要求- 1 -1.1、设计目的- 1 -1.2、设计要求- 1
3、-1.2.1、课程设计要求- 1 -1.2.2、基本设计功能要求主要分为以下几个部分：- 1 -第2章 方案设计- 2 -2.1、题目及要求功能分析- 2 -2.1.1、步进电机- 2 -2.1.2、步进电机的转向控制- 2 -2.1.3、步进电机的启停控制- 2 -2.2、研究背景- 2 -2.3、本文研究的主要内容- 2 -2.4、方案论证- 3 -2.4.1、方案- 3 -第3章 主要元器件介绍- 4 -3.1 AT89C51单片机介绍- 4 -3.1.1 AT89C51芯片简介- 4 -3.1.2 引脚说明- 4 -3.2、ULN2003A简介- 6 -3.3、7SEG-MPX4的四位
4、LED数码管- 7 -3.4、步进电机- 7 -第4章 硬件电路设计- 9 -4.1、晶振时钟电路设计- 9 -4.2、复位电路设计- 9 -4.3、显示电路设计- 10 -4.4、驱动电路- 10 -第5章 软件设计及主要子程序- 11 -5.1、软件设计思路- 11 -5.2、主程序模块- 11 -5.4、显示子程序设计- 11 -第6章 系统仿真与调试- 13 -6.1、Keil编译- 13 -6.2、Protues仿真平台- 13 -6.2.1、Protues仿真简介及部分模块仿真- 13 -6.2.2、硬件电路总图与仿真- 14 -第7章 课程设计总结- 16 -附录- 17 -汇编
5、程序- 17 -PCB版：- 19 -参考文献- 21 -22步进电机正反转控制第一章 设计目的及要求1.1、设计目的本次课程设计目的在于系统地运用已学的理论知识解决实际问题的能力和查阅资料的能力。培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力，能通过独立思考、查阅工具书、参考文献，寻找解决方案；单片机基本应用系统的设计方法。真正的把所学单片机理论知识应用于实际，更加熟悉51单片机的硬件与软件。能灵活运用Keil进行软件编程调试以及用proteus软件仿真。本次设计组成步进电机控制系统，画出系统硬件电路图，LED显示、驱动、控制等子程序。在调试程序时，要求整个系统工作正常、显示正确、结果满意
6、。1.2、设计要求1.2.1、课程设计要求 能熟练运用51单片机实现硬件与软件结合完成电子产品的设计，把理论真正运用于实践，会用Keil等软件编程调试运行，熟悉应用Proteus软件仿真。强化编程练习，注意查询方式与中断方式的区别等等。1.2.2、基本设计功能要求主要分为以下几个部分：（1）具有速度和转向设定功能。（2）具有复位功能，在出状况时能及时停止。（3）具有开始、停止以及正反转键。（4）转速以及转向由数码管显示。第2章 方案设计2.1、题目及要求功能分析2.1.1、步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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
7、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，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其精度高等特点，广泛应用于各种工业控制系统中。2.1.2、步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为单四拍，即 A -B C - D。如果按反序通电换相，即则电机就反转。2.1.3、步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的
8、上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。 2.2、研究背景步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字执行元件，随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入，步进电机的需求量越练越大。随着工业技术的不断发展，以及同类产品的不断出现，步进电机面临着前所未有的挑战。但近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动步进电机的发展，为步进电机的应用开
9、辟了广阔的前景，近几年来，步进电机需求量一直呈现出较快的增长速度，其中扫描仪、打印机、传真、DVD-ROM/CD-ROM驱动器、空调及多功能自动化办公设备等应用对步进电机的需求增长最强。此外由于USB2.0的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售，步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。步进电机有着方方面面重要应用，如何对其进行有效控制，使其能够发挥最大的优势是各个行业技术开发人员所共同关注的，本次设计了一套简单的通用控制系统，对步进电机的转速、方向实行手动控制，并能通过数码管显示其转速。2.3、本文研究的主要内容 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的
10、驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。本次课程设计主要采用AT89S52芯片，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片ULN2003A以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的显示出来。控制系统主要由硬件设计和软件设计两部分组成。2.4、方案论证2.4.1、方案方案：因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。所以怎样产生这个脉 冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。p0.0p0.7AT89C51单片机p2.0p2.3p1.0p1.3p3.0p3.4四位数码显示管 控制按键复位
11、部分步进电机驱动部分外部晶振电路图2.1 系统方框图用软件控制单片机产生脉冲信号，通过单片机的P1口输出脉冲信号，因为所选电机是两相的，所以只需要P1口的低四位 P1.0P1.3分别接到电机的四根电线上。可以通过调整输出脉冲的频率来调整电机的转速，通过改变输入脉冲的顺序来改变转动方向，P0口接LED数码管，可以显示当前的电机转速和转向，设置复位键可使正在转动的电机停止转动，大概可分为如下图所示的几部分。第3章 主要元器件介绍3.1 AT89C51单片机介绍3.1.1 AT89C51芯片简介AT89C51是MCS51系列单片机中的一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位
12、CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。 主要性能：与MCS-51 微控制器产品系列兼容。 片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器存储数据保存时间为10年。宽工作电压范围：Vcc可为2.7V到6V全静态工作；可从0Hz至16MHz 程序存储器具有3级加密保护 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、中断结构具有5个中断源和2个优先级、可编程全双工串行通道、空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下
13、功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统各部分功能及说明类似于8051单片机内部结构说明。 特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 由上可见， 89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。
14、特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个1位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机设计的精美之处。3.1.2 引脚说明 图3.1是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。图3.1 AT89C51引脚图P00P07 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。P10P17 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。P20P27 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。P30P37 P3口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。1、P0口有三个功能： (1)外部扩展存储器时，用作数据总线（如图中的D0D7为数据总线接口）(2)外部扩展存储器时，用作地址总线（如图中的A0A7为地址总线接口）(3)不扩展时，可做一般的I/O口使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。2、P1口功能：P1口只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。3、P2口有两个功能：(1)扩展外部存储器时，当作地址总线使用；(2)做一般I
