单片机三相单三拍步进电机

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1、 单片机原理与应用 课程设计报告 主题名称 单片机控制步进电机 姓名 学生卡 专门 导师 任务书 单片机控制步进电机 步进电机是工业过程控制和仪表中的主要控制元件之一。它可以在机械结构中将丝杠的角度变成线性位移， 也可以用它来驱动丝杠电位器来调节电压和电流，从而实现对执行器的控制。在数字控制系统中，由于可以直接接受计算机输出的数字信号，无需进行 D/A 转换，使用起来非常方便。步进电机具有启停速度快、精度高的显着特点，已广泛应用于定位场合。 步进电机实际上是一个数角转换器和一个串行数模转换器。 因此，需要将并行二进制转换为串行脉冲序列，实现方向控制。每当步进电机脉冲输入线得到一个脉冲，它就会向

2、特定方向迈出一步。 设计要求： 单片机用于控制三相单三拍步进电机的工作。 步进电机的旋转方向由正反转控制信号控制。步进电机的步数由键盘输入，可输入的步数分别为 3、6、9、12、15、18、21、24、27 步。并且键盘具有键盘锁功能。键盘锁定时，步进电机不接受输入的步数，不运行。只有打开键盘锁并输入步数后，步进电机才会开始工作。电机运转时，有正反转指示灯指示。电机运行时，若过热，电机停止运行，红色指示灯亮，同时报警。 目录 一、简介 4 2. 方案论证（策划、选择） 7 3. 方案说明（设计） 7 4、硬件方案设计 8 5. 软件方案设计 12 6. 调试 13 七、技术总结（结束语） 14

3、 8. 参考文献. . 15 9. 附录（源码、电路图等） 16 1 简介 1.1 步进电机采用电脉冲信号控制，实现生产过程或设备的数字化控制。它是过程控制中非常重要和常用的动力执行装置。可将脉冲信号转换成角位移，可用作电磁制动轮、电磁微分器或角位移发生器等。近年来，由于计算机应用技术的飞速发展，步进电机往往形成高精度的数字控制系统和电脑一起。由于采用数字脉冲控制，非常适合单片机控制。基于此，本设计 89C 以 AT 51 型单片机为核心，结合外围电路，以步进电机为控制对象的控制系统。 1.2 单片机控制步进电机的原理 步进电机不同的驱动方式都在运行， 脉冲信号按一定的顺序依次加到三相绕组上，

4、从而达到不同的工作状态。由于通电顺序不同，工作模式有三相单三相拍、三相双三拍、三相单拍和双六拍（注： “三相上述“三相单三拍”中有三相绕组； “拍”是指定子绕组改变一次通电方式； “三拍”表示功率为通电 3 次完成一个周期。 “三相双三拍”中的“双”表示两相绕组同时通电） 。 1.2.1 三相单三拍运行方式：下图为无功步进电机的工作原理。如果脉冲分配器输出的第一个脉冲使 A 相绕组通电，则 B、C 相绕组不通电，A 相绕组不通电。相绕组通电时产生的磁场会在转子上产生一个反转矩，转子的第 1 和第 3 齿将与定子磁极对齐，如图（a）所示。第二个脉冲到达给 B 相绕组通电，而 A、C 相绕组不通电

5、； B相绕组产生的磁场将使转子的 2、4 齿与 B 相磁极对齐，如图（b）所示，与图（a）相比，转子旋转一圈逆时针角度。第三个脉冲到来后，C 相绕组通电， 而 A、 B 相不通电。 此时， 转子的第 1、 3 齿将与 C 组对齐。转子位置如图（c）所示，与图（b）相同。 )，然后逆时针转动一个角度。 图 1.1 反应式步进电机工作原理图 通过分配器按 A 相-B-相-C-相-A-相.规律连续接通和断开。 此时，步进电机的转子是连续连接的。逐步逆时针转动。如果改变步进电机的旋转方向，只要改变定子各绕组的通电顺序为 A 相-C 相-B 相-A 相，转子旋转方向就变为顺时针方向. 在单三拍分配方式中

6、，步进电机由 A 相通电切换到 B 相通电，步进电机的转子转动一个角度，称为步进。此时转子的旋转角度为 30 度。步进电机每一步转动的角度称为步距角。 1.2.2 三相双三拍运行方式三相双三拍运行方式：每次通电两个绕组，通电方式为 AB-BC-CA-AB . ,如果通电顺序更改为 AB-CA- -BC-AB . 步进电机反转。在双三拍分配方式中，步进电机的步距角也是 30 度。 1.2.3 三相单双六拍运行模式：三相六拍配电模式是指每个周期有六个 通 电 状 态 。 这 六 种 电 状 态 的 顺 序 可 以 使A-AB-B-BC-C-CA-A .或 A- CA-C-BC-B-AB- A 六拍

7、通电方式中，存在两个绕组同时通电的瞬间，转子齿的位置会处于通电两相的中间。在三相六拍分配方式下，每步转子的旋转角度仅为三相三拍方式的一半，步距角为 15 度。 单三拍运行的突出问题是一次只能通电一相绕组。转换过程中，一相绕组断电，另一相绕组通电，容易出现失步；不好，在平衡位置附近容易震荡，所以少用。 双三拍运行的特点是每次两相绕组通电， 转换过程中始终通电一相绕组，因此运行平稳，步距角与单相绕组相同- 三拍操作。 转换六拍工作方式时，始终只有一相绕组通电，步距角小，工作稳定性好，但供电较复杂，实际应用较多。 2、方案论证 2.1 本设计中，由于需要实现 9 个不同部件的输入等功能，可以通过键盘

8、输入来实现步进电机的步数由键盘输入，并具有键盘锁定功能。本实验中单片机的端口数量足够，最终决定直接使用键盘输入。 2.2 步进电机方面，由于本次设计的软件采用 proteus，所以本软件中只有一款四相步进电机型号，再考虑到步进电机控制方式的难度，四相八拍最后采用控制方法。 , 由于单片机不能直接驱动步进电机，所以控制电压是由芯片放大的。 2.3 测温方面，最初计划用温度感应开关监测电机温度，温度过高时断开开关； 但考虑到系统的可操作性、 精度、 编程难度和仿真软件，最终决定用 DS18B20 代替电机的测量系统， 这样如果电机在运动过程中过热， 电机就会停止运行， 红色指示灯亮， 同时报警。

9、在转向方面，使用不同的指示器来指示正向和反向旋转。当温度超过安全温度时，报警灯亮，警铃鸣响，电机停止运转，键盘锁定。 三、节目说明 步进电机与普通电机的区别在于步进电机是由脉冲信号控制的。 也就是说，步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以通过单片机硬件或软件实现。 硬件方法是使用脉冲分配器芯片进行一般换相控制； 软件方式是利用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，可以简化电路，降低成本。 使用软件控制时，主要设计要点如下： 确定旋转方向； 根据相序确定控制字； 依次输入控制字； 确定控制步骤的数量和每个步骤的延迟时间。 因为单片机的驱动电流一般比较小，不能直

10、接驱动电机工作，所以单片机的 I/O 口的输出必须接驱动电路，即动力驱动，从而控制电机正常工作。控制框图如下图所示： 当它开始启动时，单击它停止旋转，并使用键盘按键控制键盘锁定、步数、正转和反转。使用 80c 51 作为总控芯片。 ULN2003 用于步进电机的驱动控制。其中，键盘扫描程序是在控制键盘时使用的。 图 3.1 总体方案图 C51 单 片 机 驱动电路 三相步进电电源与时钟电路 状态显示电路 正 反 转 与指示电路 键 盘 控 制电路 4.硬件方案设计 系统硬件设计 4.1 最小 MCU 系统 5V 电源：给系统供电。 复位电路：当程序跑掉时，复位电路可以使程序重新执行，相当于重新

11、启动计算机。 晶体振荡器：为微控制器的操作提供时钟。 EA 接高电平：表示从运行部门的程序存储器中下载的程序。 P0 接排阻：P0 口为开漏结构，使用时一般接排阻拉高电平。 4.2 键盘设计 电路采用独立键盘工作方式，共有十二个按键，分别为 3、6、9、12、15、18、21、24、27 布局选择功能，键盘锁定功能与旋转方向有关的步进电机。选择功能。有一些程序性决定开始发挥作用。 4.3 步进电机 步进电机驱动采用 ULN2003，接单片机 P1.0P1.3 ，如步进电机驱动与单片机接线图。 4.4 正反转显示灯及警铃 4.5 温度传感器模块 5. 软件设计 主程序流程图如下： 判断电机是否温

12、度确定输入步等 待 开 键盘 电机高温？ 报警， 红灯点亮，步进电机停转 开始 步进电机运转 是 锁键盘 否 是 初始化程序 否 6.调试 6.1Proteus 仿真软件 Proteus 是全球知名的 EDA 工具（仿真软件） ，从原理图布局、代码调试到单片机及外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现从概念到产品的完整设计。是全球唯一集电路仿真软件、PCB 设计软件、虚拟模型仿真软件于一体的设计平台。其处理器型号支持8051、HC11、PIC 10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和MSP430 等。2010 年增加了 Cortex 和 DS

13、P 系列处理器，并继续增加其他系列处理器型号。在编译方面，还支持 IAR、Keil、MPLAB 等多种编译器。 6.2 调试步骤和方法 电路经调试达到课题要求，各项技术指标均达到设计目的。具体操作控制方法如下： 1、当电机按下启动按钮时，步进电机按默认状态开始转动； 2、当电机按下停止按钮时，步进电机停止转动； 3、电机按下正转按钮时，步进电机正转； 4、当电机按下反转按钮时，步进电机反转； 5、当电机按下步数按钮时，步进电机按照步数旋转。 七、技术总结 为期一周的 MCU 课程设计即将结束。经过这么多天的努力，终于完成了本次课程设计的基本设计要求，在充实中也学到了很多知识，就是将所学的知识真

14、正应用在实践中。非常好的体验，让人们受益匪浅。因为这次控制要求不是很高，所以选择了 51 系列 80C51。接下来是硬件接口分配以及如何驱动电机的问题。 之前没有接触过步进电机，所以在网上查了很多关于步进电机的资料，知道了它的基本工作原理以及如何实现它的控制运行和驱动。 下一个主要问题是如何编程来控制它。这个程序的编写和调试对我来说是一个很大的挑战，因为我之前只写过一些简短的小程序， 这对大程序的整体方面非常重要。还是不能很好的把握。经过反复尝试和调试，采用找问题解决问题的方法，参考别人的一些经验和方法，编写了程序。这对我以后写程序来说是一个很好的经验积累。通过这次课程设计，我也了解到了自己的

15、不足。以前学单片机的时候，往往只看懂别人写的程序，以为看懂了就知道怎么写了，但事实并非如此，虽然这次是课程设计程序大功告成，但是花样繁多，编程也没有之前想象的那么简单。所以，以后的学习，不能高高在低，一定要脚踏实地，一步一个脚印，自己动手，这样才能真正学到知识。本次课程设计能够顺利完成，也感谢毛老师的指导，我的感受非常深刻，是一次很好的经验积累和设计经验。 8 参考文献 1.易纲主编， 单片机原理与应用高等教育，2010。 2. 楼然淼等主编， 51 系列单片机设计实例 ，航空航天大学，2006。 3. 王道辉， 单片机系统设计与实践电子工业2005。 4.谭浩强主编， C 程序设计（第三版）

16、 清华大学 2005 年。 5. 王港着， 电气电子实务指导科技2008。 6. 周润景主编， PROTEUS 入门实用教程机械工业2011。 7.林立主编， 单片机原理与应用：基于Proteus 和 Keil C电子工业 2011。 8. 严石主编， 数字电子技术基础高等教育，2006。 9 附录 实验设备 姓名 模型 数量 评论 单片机 AT89C51 1 MCU 基础 1 微动开关 9 自锁开关 3 发光二极管 引领 3 驱动芯片 ULN2003A 1 步进电机 28BYJ42 1 电源 1 温度感应器 18B20 1 蜂鸣器 1 三极管 NPN 1 晶体振荡器 12MHZ 1 电容 各

17、种大小 一些 反抗 各种大小 一些 排除 1 仿真图 程序 #include #define uchar 无符号字符 #define uint 无符号整数 #define led P0/数码管段选择 #define 哈哈 P2 位 s1 = P01; sbit s2 = P02;/密钥定义，s1 为正向，s2 为反向 sbit s3 = P03;/键定义，停止 sbit 扬声器 = P04; 位 LED1 = P05； 位 LED2 = P06; 位 LED3 = P07; 位 a = P23; 位 b = P22; 位 c = P21; sbit d = P20;/脉冲信号输入端子定义 sb

18、it _key3 =P10; /3 步 sbit _key6 =P11; /6 步 sbit _key9 =P12; /9 步 sbit _key12 =P13; /12 步 sbit _key15 =P14; /15 步 sbit _key18 =P15; /18 步 sbit _key21 =P16; /21 步 sbit _key24 =P17; /24 步 sbit _key27 =P00; /27 步 unsigned char code dofly_DuanMa10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/显示段码值 0

19、9 unsigned char code dofly_WeiMa=0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7, 0xef, 0xdf, 0xbf, 0x7f;/对应数码管亮，即位码 无符号字符临时数据8； /存储显示值的全局变量 /*- DS18B20 端口定义 -*/ sbit DQ=P27;/ds18b20 端口 bit ReadTempFlag;/定义读取时间标志 /*- 函数声明 -*/ 无符号整数 ReadTemperature(void); 位初始化_DS18B20（无效）； 无符号字符 ReadOneChar(void); 无效 WriteOneChar（无符号字符数据）； 无

20、效 DelayUs2x（无符号字符 t）； void DelayMs(unsigned char t); 无效_18b20（无效）； /DS18B20 定义 /*- -* / uchar code display11=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff;/共阳数码管驱动信号 0-9，不显示 uchar 码 time_counter102=0xda,0x1c,0xde,0xe4,0xe1,0xec,0xe5,0xd4,0xe9,0xbc, /9.7 -1ms 0xed,0xa4,0xf1,0x8c,0xf5,0x74,0x

21、f9,0x5c,0xfc,0x18； uchar num1 = 0;/控制取激励信号变量 uchar num2 = 8; uchar 灌木 = 0; uchar k=1;/加减档控制，1 为最小档 bit flag1 = 0;/初始正转，正反转标志 uchar buf4=0,10,10,1;/数码管显示缓存，正转，不显示，不显示，显示1 档，高-低（不能去掉） 无效键（无效）； 无效键扫描（无效）； /= 定时器 0/1 初始化函数= = = 无效 T0_T1_init() TMOD = 0x11;/定时器 0/1 都工作在模式 1，16 位定时模式 TH0 = (65536 - 4000)/

22、256； TL0 = (65536 - 4000)%256;/定时器 0，数码管扫描显示定时 4ms TH1 = time_counterk-10; TL1 = time_counterk-11;/定时器 1，步进电机调速定时 10ms TR0 = 1； TR1 = 1； ET0 = 1； ET1= 1;/开启定时器中断 EA = 1;/开启总中断 /=ms 级延时函数= = = 无效延迟 1m（uint x） uint i,j; for(i=0;ix;i+) /连续 x 次，约 x ms for(j=0;j 0; m-) if(flag1 = 0)/正转 LED3 = 1；扬声器 =1； L

23、ED1 = 0； LED2 = 1； 开关（num1） 情况 0：a = 1；b = 0；c = 0；d = 0；中断； 情况 1：a = 1；b = 1；c = 0；d = 0；中断； 情况 2：a = 0；b = 1；c = 0；d = 0；中断； 情况 3：a = 0；b = 1；c = 1；d = 0；中断； 情况 4：a = 0；b = 0；c = 1；d = 0；中断； 情况 5：a = 0；b = 0；c = 1；d = 1；中断； 案例 6：a = 0；b = 0；c = 0；d = 1；中断； 情况 7：a = 1；b = 0；c = 0；d = 1；中断； 数字 1+； 如

24、果（num1 = 8）num1 = 0； else /功率 LED3 = 1；扬声器 =1； LED1 = 1； LED2 = 0； 开关（num2） 情况 0：a = 1；b = 0；c = 0；d = 1；中断； 情况 1：a = 0；b = 0；c = 0；d = 1；中断； 情况 2：a = 0；b = 0；c = 1；d = 1；中断； 情况 3：a = 0；b = 0；c = 1；d = 0；中断； 情况 4：a = 0；b = 1；c = 1；d = 0；中断； 情况 5：a = 0；b = 1；c = 0；d = 0；中断； 案例 6：a = 1；b = 1；c = 0；d =

25、 0；中断； 情况 7：a = 1；b = 0；c = 0；d = 0；中断； 数字 2+； 如果（num2 = 8）num2 = 0; 无效键（） if(s3 = 1) /这里开关关闭，表示键盘锁打开。如果开关未闭合，则表示已锁定，电机不转动 延迟 1m(100); 如果（s3 = 1） if(_key27=0) 布什=27; /步数较高者优先，即同时打开多个步数开关，运行步数较多 否则 if(_key24=0) bushu=24; 否则如果（_key21=0）bushu=21； 否则如果（_key18=0）bushu=18； 否则 if(_key15=0) bushu=15; 否则如果（_

26、key12=0）bushu=12； 否则 if(_key9=0) bushu=9; 否则 if(_key6=0) bushu=6; 否则 if(_key3=0) bushu=3; /以下是 18B20 程序 /*- 18b20 初始化 -*/ 位初始化_DS18B20（无效） 位数据=0； DQ = 1; /DQ 复位 延迟 Us2x(5); /稍微延迟 DQ = 0; /MCU 拉低 DQ 延迟 Us2x(200); /精确延迟大于 480us 小于 960us 延迟 Us2x(200); DQ = 1; / 将总线拉高 延迟 Us2x(50); /1560us 后接收 60-240us 存

27、在脉冲 数据=DQ； /如果 x=0，初始化成功，如果 x=1，初始化失败 延迟 Us2x(25); / 稍等片刻后返回 返回数据； /*- 读取一个字节 -*/ 无符号字符 ReadOneChar(void) 无符号字符 i=0; 无符号字符 dat = 0; 对于 (i=8;i0;i-) DQ = 0; / 给出脉冲信号 数据=1； DQ = 1; / 给出脉冲信号 如果（DQ） 数据|=0x80； 延迟 Us2x(25); 返回（数据）； /*- 写一个字节 -*/ 无效 WriteOneChar（无符号字符数据） 无符号字符 i=0; 对于 (i=8; i0; i-) DQ = 0;

28、DQ = dat&0x01; 延迟 Us2x(25); DQ = 1; 数据=1； 延迟 Us2x(25); /*- 读取温度 -*/ 无符号整数 ReadTemperature(void) 无符号字符 a=0; 无符号整数 b=0; 无符号整数 t=0； 初始化_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); / 跳过读取序列号列号的操作 WriteOneChar(0x44); / 开始温度转换 延迟毫秒（10）； 初始化_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); /跳过读取序列号列号的操作 WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器等（一共可

29、以读取 9 个寄存器）前两个是温度 a=ReadOneChar(); /低阶 b=ReadOneChar(); /高位 b4； TempL=温度&0x0F; TempL=TempL*6/10;/十进制逼近处理 如果（温度/100=0） 临时数据1=0； 别的 TempData1=dofly_DuanMaTempH/100; /十位数温度 if(TempH/100=0)&(TempH%100)/10=0)/消隐 临时数据2=0； 别的 TempData2=dofly_DuanMa(TempH%100)/10; /十位数温度 TempData3=dofly_DuanMa(TempH%100)%10|0x80; /单位温度，带小数点 TempData4=dofly_DuanMaTempL; 临时数据6=0x39； /显示 C 符号 if(TempH/100) = 3 & (TempH%100) = 1) LED3 = 0； 扬声器 = 0; EA = 0; 导师 注释 课程设计 分数 导师 签名 年月日