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1、课题：单片机控制步进电机目录一、前言11.1 步进电机简介11.2 摘要11.3 设计目的2二、设计任务及要求3三、总体方案设计43.1 方案的选择4四、硬件电路设计64.1 单片机及其外围电路介绍64.2 控制键电路84.3 步进电机驱动电路94.4 步进电机控制系统硬件电路图10五、软件设计125.1 程序设计平台125.2 程序设计思路135.3 程序流程图14六、仿真效果17七、实物调试187.1 调试与改进18八、设计总结19参考文献20几 一、前言1.1 步进电机简介步进电机是一种将数字脉冲信号转化为角位移的执行机构。也就是说，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
2、定的方向转动一个固定的 角度（即步进角、步距角）。您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；同时您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。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。步进电机最早是在1920 年由英国人所开发。以后经过不断改良，使得今日步进 电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制 性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们 很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指 令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电
3、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。 步 进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接 用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则 有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给 它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个 数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率 及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲 输入时，在绕组电源
4、的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因 此非常适合于单片机控制。1.2 摘要步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制, 用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程 可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括 AT89C51 单片 机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿 ULN2003） 模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN
5、3020） 6 个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键 盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最 终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显 示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。1.3 设计目的（1）设计并实现给定步进电机的控制；（2）进一步掌握步进电机的控制方法；二 设计任务及要求本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系 统。本系统采用 AT89C51 作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转 动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，如图一
6、系 统模块图。图一 系统模块图设计的步进电机控制系统应具有以下功能1. 步进电机的启停控制2步进电机的正反转控制3. 步进电机的加速控制三 总体方案设计本步进电机控制系统，按照系统设计功能的要求，确定系统由 4 个模块组成主控制器、电机驱动模块、LED指示灯电路、键盘电路。温度无线采集报警系统结构框图如图 2 所示图 2 系统结构框图3.1 方案的选择3.1.1 主控芯片方案方案一：采用传统的 STC89C52 单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便， 低功耗，比较经济实惠。方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款 高性能的低功耗的 16位单片
7、机，具有非常强大的功能，且内置高速 12 位 ADC。 但其价格比较昂贵，而且是 TPFQ 贴片封装，不利于焊接，需要 PCB 制板，大大 增加了成本和开发周期。方案三：采用宏晶科技有限公司的STC12C5A60S2增强型51单片机作为主控芯片。此 芯片内置ADC和SPI总线接口，且内部时钟不分频，可达到IMPS。而且价格适 中。考虑到此系统需要不用到ADC，从性能和价格上综合考虑我们选择方案一,即用 STC89C52 作为本系统的主控芯片。3.1.2 步进电机驱动方案方案 1：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调 整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的
8、响应时间慢,易损坏,寿命较 短,可靠性不高。方案 2：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电 阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在 于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案 3：采用ULN2003达林顿管电机驱动芯片，ULN2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，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。功率电子电路大 多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率 电子设备输出电路的
9、一个重要组成部分。ULN2003芯片高压大电流达林顿晶体管 阵列产品属于可控大功率器件。对步进电机控制方便灵活。因此我们选用了方案3 。3.1.3 显示模块方案方案一：选择主控为ST7920的带字库的LCD12864来显示信息。12864是一款通用的 液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及 ASCII 码，而且能够绘制图片，描点画 线，设计成比较理想的结果。方案二：采用四个LED发光二极管显示，其成本低，简单明了，容易显示控制。综合以上方案，我们选择了经济实惠LED来作为速度级别显示四硬件电路设计本文采用目前国内比较常用的单片机用与整个回路的控制，单片机选用51系列的AT89C51芯片，芯片及其
10、外围时钟电路和复位电路组成单片机最小系统, 按键SW1-SW4做为输入控制，ULN2003做为步进电机驱动器件。硬件电路总体框图如图3:图 3 硬件电路总体框图4.1 单片机及其外围电路介绍4.1.1CPU 芯片AT89C51是主机板的核心，接收各部分信息并向各部发出命令，控制电机运 行的各种工作状态。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器 (FPEROM一Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压， 高性能CMOS8位微处理器，在本次设计中不需要外扩存储器。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，
11、与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相 兼容。目前，可用于MCS-51系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类 开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用 于不同目的的各类应用系统。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯 片中，所以ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，因其高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用， 成为在工业生产中必不可少的器件， 而且在日常生活中发挥的作用也越来越大，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。单片机最小系统电路图如图 4 所示：pdhh mPD.1W.M pdia nsXTAIZ
12、pn.+4AD+PQSA DS阻眇闻P.TTPD.iiADTFZD-fGPPMALEPM!PSS.A-乜PZ.S.M*PZ.T-iSPinpfVRiinP 1 1PT3 irrsP12P3iTnnPITp-q TiTTTTP 1pA 山 F|P1SFismp 1JgPlJsWP1.7P3.7iPir1?13313图 4 单片机最小系统电路图管脚说明：P0 口： P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。当 P1 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储 器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入 口，当F
13、IASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。本次设计中， P0 口作为键盘输入口。P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出4TTL门电流。P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。本次设计中，P1 口作为脉冲输出口， 与步进电机驱动电路相连接。RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平 时间。XTAL1: 反向振荡放大器的输入及内 部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向
14、振荡器的输出。VCC:供电电压。GND:接地。, , . . EA /VPP :当EA保持低电平时，选用外部程序存储（OOOOH-FFFFH），当EA端保持高电 平时，用内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。4.1.2 AT89C51单片机的时钟电路：AT89C51单片机的时钟信通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振 荡方式。本设计由内部振荡方式产生。如图2-2中所示，在引脚XTAL1和XTAL2 外接晶体振荡器（简称晶振），就构成了内部振荡方式。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。两 个电
15、容器起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。当晶振 频率的值为12MHZ时内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中应用较 多。4.1.3 单片机复位电路：当MCS-51系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上 的高电平时，单片机就执行复位操作。根据应用的要求，复位操作通常有两种基 本形式：上电复位和上电或开关复位。上电或开关复位要求电源接通后，单片机 自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由 于电容的充电作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时， 按下复位键后松开，也能使RST保持一段时间的高电平，从而实现通电时的自动 复位操作，系统运行过程中的开关复位操作。4.2 控制键电路键盘是由若干按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备， 用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。按键是一种常开型按钮开关。由于按钮是机械触点，当机械触点断开、闭合 时，会有抖动，这种抖动对于人来
