步进电机控制的设计

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1、电子技术课程设计题目:出租车计价器的设计姓名：周涛专业：自动化班 级: 自动化 2132学 号:摘要步进电机是机电控制中一种常用的执行机构， 步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛 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，它的需要量与日俱增，在各个国 民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、 控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片 机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。 它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响, 因而被广泛

2、应用于数模转换、速度控制和位置 控制系统。本课程设计以AT89C51单片机作为微控制器，使用混合式步进电机驱动芯片ULN2003AN进 行驱动，实现了对步进电机运行状态的简单控制，本设计是对步进电机进行四相八拍设计。能实现 的功能有电机正转、反转、加速与减速。用软件控制单片机产生脉冲信号，通过单片机的 P2 口输出脉冲信号，因为所选电机是四相的， 所以只需要P2 口的低四位P2.0P2.3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，设置复位键可使正在转动的电机停 止转动。关键字:四相步进电机，AT89C51单片机，ULN2003

3、，Proteus，调速目录摘要I第1章 概述 31.1 课程设计与简介错误!未定义书签。1.2 步进电机原理及控制技术31.3 系统方案论证与设计 5第2章 系统硬件设计错误!未定义书签。2.1 系统总电路的设计32.1.1系统的总框图 62.1.2芯片的选择72.2 最小系统设计82.2.1时钟电路的选择与设计82.2.2复位电路的选择与设计错误!未定义书签。2.2.3电源电路的的选择与设计错误!未定义书签。2.3 控制电路设计 82.4 驱动电路设计12第3章 系统软件设计133.1 主程序设计133.2 子程序设计13第4章 软件仿真184.1 keil 软件的简介184.2 Prote

4、us 软件的简介184.3 仿真电路图184.4 仿真结果与分析20小结21参考文献22附录A电路图23附录B程序24精选文档第1 章 概述1.1 课程设计与简介：本次课程设计主要采用AT89C51芯片，用汇编语言编写出电机的正转、反转、加速与减速程 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，控制系统主要由硬件 设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括单片机的最小系统模块、控制模块、步进电机 ULN2003A驱动模块3个功能模块的设计。并且通过仿真控制系统对硬件、软件进行了调试和改善， 实现电机的正转、反转、加速与减速功能。本系统具有智能性、实用性及可靠性的

5、特点。1.2 步进电机原理及控制技术（1）四相步进电机工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适 的时序通电，就能使步进电机步进转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双 四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因 此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。四相八拍工作方式：A-ABi BfBCfCCDfDfDAfA 步进电机的换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四相八拍，即 Ai ABfBfBCfCf

6、CDfDfDAfA。如果按反序通电换相，即 AfDAfDfCDfCfBCfBfBA -A，则电机就反转。 步进电机的速度控制 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间 隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。1.3 系统方案论证与设计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。通过系统方案论证有 2 种设计方法。第一种设计方法为：主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、各种开关状态的检测判 断等。其中系

7、统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P2 口送初值以决定脉冲分配方式，步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规 律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用 定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断 程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中 断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。第二种设计方法为：用软件

8、控制单片机产生脉冲信号，通过单片机的 P2 口输出脉冲信号， 因为所选电机是四相的，所以只需要P2 口的低四位P2.0P2.3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。第一种设计方法这种设计方案非常复杂，采用了定时器中断和外部中断。第二种设计方法这 种设计方案非常简单，采用了软件延时，可操作性强，故本次设计采用了第二种设计方案。本设计 采用的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路三大部分。最小系统只要是为了使单片机 正常工作。控制电路由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。驱动电路主要是 对单片机输出的脉冲

9、进行功率放大，从而驱动电机转动。第2 章 系统硬件设计2.1 系统总电路的设计2.1.1 系统的总框图本设计的硬件电路主要包括控制电路、最小系统、驱动电路三大部分。最小系统是为了使单片2.1.2 芯片的选择、AT89C51芯片介绍Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机，它采用CMOS 和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程内部除CPU外,还包括256字节RAM， 4个8位并行I/O 口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C5

10、1单片机 是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。由于本系统控制简单， 程序和数据量都不大，因此我们选用AT89C51单片机，AT89C51晶振频率采用12MHZ。P0 口： P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P3 口： P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL门电流。u 1 . .:19XTAL1PO.O/ADOP0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6

11、P0.7/AD739 :L38 :；.37 ；:18XTAL235 :_i33 :1；gRST32 ；P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A1021 22 ：L；2923 :24-:30PSENALEEAP2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/AMP2.7/A1525 :n26 28 111 :1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/iNTTP3.4/T0P3.5fT1P3.6WRP3.7/RD10：i 2i 312 i:413 :s-H :IT：:817 i1VT89C5T图 2.2 A

12、T89C51 芯片二、ULN2003芯片介绍ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理 的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关 态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。所以在课程设计中才用 ULN2003作为步进电机驱动电路驱动芯片。其芯片引脚分布图如图2.3所示。U2B B B B B B B 12 3 4 5 6 7MCCCCCCC01234567C15141312巨10ULN2003A 图 2.3 芯片引脚分布图引脚1-7:

13、CPU脉冲输入端引脚8 :接地。引脚9 :该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10-16 :脉冲信号输出端，与引脚1-7信号输入端一一对应。2.2最小系统设计单片机最小系统或者称为最小应用系统，用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，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。2.2.1 时钟电路的选择与设计AT89C51 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XTA

14、L2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。 其电容值一般在530pf晶振频率的典型值为12MHz,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。时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部 件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地一拍一拍地工作。时钟频率直接影响单片机的速度， 时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。在本系统中采用外部时钟方式的电路。如图 2.4 所示:C130pTEXT： iI XICRYSTAL -.订

15、XT U119XTAL1C218XTAL230p图 2.4 时钟电路2.2.2 复位电路的选择与设计复位是单片机的初始化操作，只要给RESET弓|脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态 时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。在系统中，为了实现上述的两项功能，采用常用的按键电平复位电路，这样复位键有复位和停止两个功能，如图2.5 所示：图 2.5 复位电路从图中可以看出，当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部 复位电路的电容充电来实现，只要V CC的上升时间不超过1ms就

16、可以实现自动上电复位功能。当系 统出错时，直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。2.2.3 电源电路的选择与设计该电机共有四相绕组，工作电压为+5V，可以和单片机共用一个电源。2.3 控制电路设计根据系统的控制要求，控制输入部分设置了电机正转，反转，加速和减速按键，控制电路如图2.6 所示。通过正转按键、反转按键状态变化来实现电机的正转和反转功能。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。该电路控制电机加速和减速主要是通过加速和减速按键的状态变化，进 入不同子程序中，在子程序中给不同的延迟程序，达到控制脉冲

17、频率，从而改变了电机转速。-VGC-R610k XEXTP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9图 2.6 控制电路2 .4 驱动电路设计由单片机直接输出的脉冲不足以驱动步进电机正常工作所以需要驱动电路给步进电机提供电源，在本设计中采用型号为 ULN2003A 的芯片，使步进电机正常工作。驱动信号由 P2 口的P2.0P2.3输出，分别与驱动芯片的1B-4B相连，电路如图2.7所示：P2.D/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.

18、B/A14P2.7/A15P3 -舷D P3.1/TXD P3 HlfW P3 .： WTP3OP3.5JT1P?右殛P3. RD川厲丄仝丄k!cB!B-COM1B1C2B2C3B3C4B4C5B5C6B6匚TB7C图 2.7 驱动电路第 3 章 系统软件设计3.1 主程序设计图3.1 主程序设计图由主程序扫描四个按键，若正转按键闭合，则跳转到正转子程序中，输出正序输出脉冲，使电 机正转并扫描其它四个按键。若再次检测到正转按键闭合，则跳转到初始化程序，电机停 止转动。若反转按键闭合，则跳转到反转子程序中，输出逆序输出脉冲，使电机反转并扫描其它三 个按键。若加速按键闭合，则脉冲频率加快，使电机加

19、速转动并扫描其它三个按键。若减速按键闭 合，则脉冲频率减慢，使电机减速转动并扫描其它三个按键。3.2 子程序设计（1）延迟程序设计DELAY: MOV R5,#40DD1: MOV R6,#10DD2: MOV R7,#100DJNZ R7,$DJNZ R6,DD2DJNZ R5,DD1RET本设计中延迟程序的功能有延时防按键抖动和控制脉冲频率达到控制电机转速的目的。在加速和减速的子程序中，要控制电机加速或减速，只要控制脉冲频率，修改一下延时时间即可。（2）正转和反转程序设计FW : JNB P0.0,$ACALL DELAYSJMP Z1Z1: MOV R4,#00HPOS1 :MOV A,

20、R4MOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRJZZ1MOVP2,AJNBP0.0,ZZJNBP0.1,RSJNBP0.2,S1JNBP0.3,S2ACALLDELAYINC R4AJMP POS1RETZZ: JNB P0.0,$ACALL DELAYACALL START以上为正转的子程序，其中这程序还有一个功能当正转按键第二次按下时，电机停止转动。反 转程序与正转程序的差异性在于读取TAB表中数据的顺序不一样。（3）加速和减速程序设计S1:JNB P0.2,$ACALL DELAYSJMP Z3Z3:MOV R4,#00POS3:MOV A,R4MOV DPTR,#TABMOV

21、C A,A+DPTRJZ Z3MOV P2,AJNB P0.1,RSJNB P0.0,FWJNB P0.3,S2ACALL DELAY1INC R4AJMP POS3RET以上为加速的子程序，其中加速和减速的核心在于脉冲频率即延迟时间的设计。加速程序与减速程序的差异性在于调用不同的延迟程序。第4章 软件仿真4.1 keil 软件的简介Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、 连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision ）将这些部份组合在一起。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇

22、编源文件。 然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.obj）。目标文件可由LIB51创建生成库文件， 也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.abs）。abs文件由OH51转换成标准的 hex 文件。HEX文件格式是In tel公司提出的按地址排列的数据信息数据宽度为字节,所有数据使用16进 制数字表示, 常用来保存单片机或其他处理器的目标程序代码。它保存物理程序存储区中的目标代码 映象。一般的编程器都支持这种格式。4.2 Proteus 软件的简介Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操 作系统上，可以

23、仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿 真和 SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统 的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪 器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类 型有:68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、 HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断 点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等

24、的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须 具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVisio n2等软件。具有强 大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强 大。可仿真51、AVR、PIC。4.3 仿真电路图HCTALITO.CUAOOW.l.A01PQ.2JAD2PO.4.ATi4MJ.MD5MjEJADGPO神3P2.0MP2.1Jft3P321OP2.M11 P2 4M12 P25W13P2.6jM14P2 F.W15RJJWRXDP3 1/T：WP3 2iTNTja p.safjrTP3.4JT0P3.5

25、/F1 P3J6VjP P37JRD-=ltKT=-.图 4.1 四相八拍步进电机从仿真电路图中我们可以看出四相八拍步进电机是由最小系统，安键控制系统,AT89C51和电机驱动系统构成。最小系统为 AT89C51 单片机提供工作电源和脉冲信号。使得单片机正常工作。按键控制系统为单片机的输入I/O 口提供工作信号信号通过单片机的输出I/O 口传递给驱动系统，最后控制步进电机的工作状态。4.4 仿真结果与分析图 4.2 步进电机正转运行图图 4.3 步进电机正转运行图J图 4.4 步进电机正转运行图图 4.5 步进电机正转运行图由 4.2 到 4.5 四幅图可以看出步进电机是加速转动。在仿真时当正

26、转按键闭合时，电机顺 时针转动，在电机转动时点击暂停仿真，电机停止，当再点暂停仿真时，两者数字变化 大概在40 度。再当正转按键再次闭合时，电机停止转动。当反转按键闭合时，电机逆 时针转动，转速与正转时速度相同。当加速按键闭合时，电机转速加快，明显比正转时 速度快，在电机转动时点击暂停仿真，电机停止，当再点暂停仿真时，两者数字变化大 概 60 度。当减速按键闭合时，电机转速变慢，明显比正转时速度慢，在电机转动时点 击暂停仿真，电机停止，当再点暂停仿真时，两者数字变化大概在 20 度。小结经过小组成员的逐步摸索，我们在多次失败后终于达到了预期设计目的，圆满的完成本次课程 设计。本次课程设计主要以

27、单片机为基础，用单片机来控制步进电机的转动，熟悉单片机的一般搭建 电路，了解单片机最小系统，一般电子电路与单片机构成简单系统及简单编程的方法。熟练掌握了KeilC51集成开发环境的使用方法，进一步加深对单片机常用指令的理解与运用。能够较熟练的运 用Proteus绘制电路原理图以及进行仿真。以及KeilC51和Proteus的联合调试。在设计过程中， 我们开始采用了一种方法，其缺点不能实现电机加速与减速，必须在重新改写程序代码后再次加载 到原理图中才能实现电机加速与减速，在此基础上，经小组成员着力改进，解决了上述问题和不足， 设计出了最后的电路原理图和程序。在不断改进过程中，使我在单片机的基本原

28、理、单片机应用系 统开发过程，以及常用编程设计思路技巧的掌握方面有了很大的提高。在这次课程设计中，通过用 单片机控制步进电机的正、反转，我也对单片机的知识也进行了复习和巩固。这次课程设计，真正的将理论和实践结合起来，让我们更深刻理解到了实践的重要性。提醒我 们在今后的学习过程中更要注意理论、实践相结合，同时锻炼了我们团队合作精神。最后，尤其感 谢老师在设计期间对我们的细心指导和耐心答疑，让我们在遇到不能解决的问题时能得到极大的帮 助！参考文献1 张毅刚，刘杰.MCS-51系列单片机原理及应用M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.2 张毅坤，陈善久，裘雪红单片微型计算机原理及应用M.西安电

29、子科技大学出版社,2005.3 汪道辉单片机系统设计与实践M电子工业出版社出版,2009.4湖辉.单片机原理及应用设计M.中国水利水电出版社,2014.5 高洪志.MCS51单片机原理及应用技术教程M.北京：人民邮电出版社，2009.6 程国钢.Proteus原理图设计与电路仿真就这么简单M.北京：电子工业出版社，2014.附录A Proteus仿真电路图EIX 二31LE AI LL 二唱启d h52 日 Eg IP= 日西 550/l.b 貝r口 SLWTM 工當殳 p龍殳 LLWC 殳 吕爲仝 罢NdJSIE: ELTrE;:窗曲 LH BL _. 住msAIEcl-X附录 B 程序：S

30、TART:MOVDPTR,#TABMOVR0,#3MOVR4,#0MOVP2,R0WAIT: MOV P0,#0FFHJNBP0.0,FWJNBP0.1,RSJNBP0.2,S1JNBP0.3,S2SJMPWAITFW : JNB P0.0,$ACALL DELAYSJMP Z1Z1: MOV R4,#00HPOS1 :MOV A,R4MOV DPTR,#TABJZZ1MOVP2,AJNBP0.0,ZZJNBP0.1,RSJNBP0.2,S1JNBP0.3,S2ACALLDELAYINC R4AJMP POS1RETZZ: JNB P0.0,$ACALL DELAYACALL STARTRS:

31、 JNB P0.1,$ACALL DELAYSJMP Z2Z2: MOV R4,#9POS2:MOV DPTR,#TABMOVCA,A+DPTRJZ Z2MOVP2,AJNBP0.0,FWJNBP0.2,S1JNBP0.3,S2ACALLDELAYINC R4AJMP POS2RETS1: JNB P0.2,$ACALL DELAYSJMP Z3Z3:MOV R4,#00POS3: MOV A,R4MOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRJZ Z3JNB P0.1,RSJNB P0.0,FWJNB P0.3,S2ACALL DELAY1INC R4AJMP POS3RETS2: J

32、NB P0.3,$ACALL DELAYSJMP Z4Z4:MOV R4,#00POS4: MOV A,R4MOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRJZ Z4MOV P2,AJNB P0.1,RSJNB P0.2,S1ACALL DELAY2INC R4AJMP POS4RETDELAY: MOV R5,#40DD1:MOV R6,#10DD2:MOV R7,#100DJNZ R7,$DJNZ R6,DD2DJNZ R5,DD1RETDELAY1: MOV R5,#50DD3:MOV R6,#5DD4:MOV R7,#100DJNZ R7,$DJNZ R6,DD4DJNZ R5,DD3RETDELAY2: MOV R5,#60DD5:MOV R6,#50DD6:MOV R7,#100DJNZ R7,$DJNZ R6,DD6DJNZ R5,DD5RETTAB: DB 0FEH,0FCH,0FDH,0F9H,0FBH,0F3H,0F7H,0F6H,00HDB 0F6H,0F7H,0F3H,0FBH,0F9H,0FDH,0FCH,0FEH,00HEND