单片机控制步进电机课程设计

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1、 第一章 系统分析概述 步进电机是用电脉冲信号控制，以实现对生产过程或设备的数字控制，它是过程控制中一种十分重要和常用的功率执行器件，它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器或角位移发生器等，近年来由于计算机应用技术的迅速发展，步进电机常常和计算机一起组成高精度的数字控制系统。由于它是由数字脉冲控制，因此非常适合于用单片机控制，本设计便是在此基础上，以MCS51型单片机为核心，并结合外围电路以步进电机为控制对象的控制系统。1.1 功能简介 本设计系统有单片机最小系统、8个按键输入控制、四个数码管显示和步进电机驱动电路一共四大部分组成，通过按键输入数值来控制步进电机转速，并

2、且在数码管上显示数值（1）8个按键包括：数字键15；3个功能键：设置SET、清零 CLR、开始START；（2） 显示器上第一位显示次数，后三位显示每次行走的角度；（3） 通过键盘的按键，设置步进电机各次的角度值；第一位设置次数，后三位设置角度值。（4） 按START键启动步进电机开始转动，按SET键停止；按CLR键清零。1.2 方案选择1.2.1 步进电机驱动电路方案本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为四相六线制的步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V） 方案一：使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放

3、大后能够得到较大的功率，如图1-1，使用三极管组成的步进电机驱动电路。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。注：A、B、C、D分别为步进电机四相输入 图1-1 三极管组成的步进电机驱动电路方案二：使用ULN2003芯片驱动电机 ULN2003芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，如图1-2。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；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使

4、用比较方便。（注：IN1-IN7为单片机I/O输入，OUT为与输入对应的的驱动输出，接电机的四相A、B、C、D） 图1-2 ULN2003芯片驱动电路通过比较，使用ULN2003芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用ULN2003驱动电机。由于控制并不复杂，直接用单片机I/O模拟出时序信号。 1.2.2 数码管显示电路的设计方案一：串行接法 设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，但要使用SIO，发送数据时容易控制。如图1-3 图1-3 数码管显示驱动电路方案二：并行接法 使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独

5、输入数据，如果采用并行接法，每个数码管的控制需要8个I/O，本设计有四个数码管，占用资源较多，如图1-4 。1图1-4 数码管并行驱动电路由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，故需要选择了方案一。另外，使用锁存也起到节约资源的作用。第二章 硬件电路设计2.1 步进电机控制原理 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。步进电机可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，图2-1为电机内部原理

6、图。 图2-1 四相步进电机内部原理图开始时，B相接通电源，A、C、D断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时转子1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5齿和A、D相绕组产生错齿。 当C相接通电源，B、A、D断开，由于C相绕组的磁力线和1、4号之间磁力线的作用使转子转动，C相磁极和转子1、4号齿对齐，而转子0、3号齿就和A、B相绕组磁极产生错齿，2、5齿和A、D相绕组磁极产生错齿。以此类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，转子就会沿着A、B、C、D方向转动。 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，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方

7、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，图2-2为三种节拍控制方式的时序图。 图2-2-a单四拍 图2-2-b双四拍 图2-2-c八拍(1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。 (2)控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 (3)控制步进电机的速度 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

8、机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。2.2 步进电机转速与脉冲关系计算 首先介绍一个概念：步距角，步进电机每改变一次通电状态（一拍）转子所转过的角度称为步进电机的步距角。 假设我们想实现25转/分的转速，而上述四相步进电机的步距角为7.5，即每48个脉冲为1周，也就是要求为1200脉冲/分，相当于50ms/脉冲。若我们想实现要求为100转/分的转速，即48000脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。其他转速与脉冲关系如下：步进电机转速与定时器定时常数关系速度 单步时间(us) TH1 TL1 实际定时（us） 25 50000 76 0 49996.8 26 480

9、77 82 236 8074.18 27 46296 89 86 46292.61 28 44643 95 73 44640.155 100 12500 211 0 12499.2 表中不仅计算出了TH1和TL1，而且还计算出了在这个定时常数下，真实的定时时间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。 表中TH1和TL1是根据定时时间算出来的定时初值，这里用到的晶振是11.0592M。有了上述表格，程序就不难实现了，使用定时/计数器T1为定时器，定时时间到后切换输出脚即可。2.3 硬件电路中的主要芯片功能介绍及原理图 2.3.1 单片机最小系统本设计单片机最小系统采用单片机的型号为

10、STC89C52，结构包括CPU、存储器、并行接口、串行接口、两个定时/计数器T0和TI、两个外部中断INT0和INT1和中断系统，外接晶振频率为11.0592MHZ如图2-3-1 图2-3-1 单片机最小体统2.3.2 数码管驱动芯片 由于本设计有8个按键,4位数码管显示，四相步进电机驱动。而且还不包括其它的外围器件。这时整个系统的I/O资源就很吃紧了。系统的扩展性也不好。这时我们就需要考虑对单片机的I/O进行扩展，即采用串行接法控制数码管显示。虽然专门的I/O扩展芯片市场上也有不少，但对于我们一般的应用，没有必要设计的那么复杂。用一些简单的移位寄存器芯片一样可以实现我们的目标。下面我们来认

11、识一下74HC164这款芯片。这款芯片的作用是把串行输入的数据并行输出。在允许输出的情况下，每一个时钟的上升沿，数据依次从最低位移向最高位。因此，在做数码管的输出显示的时候会出现拖影的想象，在设计此电路时要注意考虑此情况，如图2-3-2-1所示为74HC164芯片管脚图。图2-3-2-1 74HC164芯片管脚图74HC164是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（A1 或 A2）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入

12、端或者连接在一起，或把不用的输入短接接高电平，一定不要悬空。下面我们再看看它的真值表，有了真值表我们才知道如何正确的去编写程序去驱动它： 表2-3-2 74HC164真值表由真值表可知，当Reset为低电平时不管时钟为高电平还是低电平也不管输入引脚A1,A2为何值，输出的并行数据均为低电平。当Reset为高电平时，只有在时钟的上升沿，A1，A2上的值才被移位输出。明白了使用原理，我们就可以设计数码管显示驱动了，设计采用4片74HC164通过串级连接的方式来驱动数码管，几种方法仅需要占用两个I/O口，大大节约了I/O资源如图2-3-2-2所示 图2-3-2-2 74HC164级联方式驱动数码管2

13、.3.3 步进电机驱动芯片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一个重要组成部分。在大型仪器仪表系统中,经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。ULN2000、ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件,由于这类器件功能强、应用范围语广，深受用户的欢迎。本设计采用ULN2003作为步进电机的驱动芯片，ULN2003电路具有以下特点： 电流增益高（大于1000） 带负载能力强（输出电流大于500mA） 温度范围宽（-4085） 工作电压高（大于50V）管脚排列如图2-3

14、-3-1 图2-3-3-1 ULN2003管脚图引出端功能符号：引出端序号符号功能引出端序号符号同意功能11B输入9COM公共端22B输入107C输出33B输入116C输出44B输入125C输出55B输入134C输出66B输入143C输出77B输入152C输出8E发射极161C输出ULN2003是由高压大电流达林顿晶体管阵列组成，因此一对输入输出最小单元其内部结构如下图2-3-3-2： 图2-3-3-2 单个达林顿晶体管电路原理图2.3.4 按键输入电路输入电路由8个按键组成，数字键15；3个功能键：设置SET、清零 CLR、开始START；用P0口控制，当按键按下时，对应的管脚电平变为低电平

15、。如图2-3-4-1 限流电阻和按键之间对应接单片机P1口。图2-3-4-1 八只输入按键连接电路图 第三章 软件设计系统电路流程图：系统程序系统程序主要由键盘程序、显示器程序、步进电机驱动程序三部份组成，主程序首先初始化各变量，将显示器的高3位消隐，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，然后调用键盘程序，并作判断，如果有键按下，则调用键盘处理程序，否则直接转下一步。下一步是将当前的转速值转换为BCD码，送入显示缓冲区；接着判断StartEnd这个位变量，是“1”还是“0”，如果是“1”，则开启定时器T1，否则关闭定时器T1，为防止关闭时某一相线圈长期通电，因此，在关闭定时器T1时，将P2.4P2

16、.7均置高。主程序的工作即结束。主程序流程键盘处理程序流程定时器中断处理程序流程第四章 总结本设计系统各种新片选型都为市场上常用的芯片，价格便宜，资源开放，例如STC89C52型单片机虽然功能不如别的加强型的单片机CPU，但他的基本功能已经满足了设计的要求，市场价个格35元，又以低廉的价格，和良好的性能，使其性价比非常高。使用串入并出数据传输芯片74HC164进行I/O扩展，使数码管驱动电路只需时钟CLK和数据DATA两条信号线便可以控制，大大的节约了I/O资源。步进电机驱动电路由功率放大芯片ULN进行电流电压的放大，最高耐压V，输出可以在高负载电流并行运行；可以直接用单片机的IO口提供信号；

17、而且电路简单，使用比较方便设计的步进电机基本能实现预期目标，经过调试和修改，但还是存在问题，比如按开关的时候会出现不稳定情况，转速有时比较乱，显示有时也有些不理想，这些原因一般都是有键盘消抖处理程序不完善和显示消隐不彻底造成的，后面的工作就是在软件和硬件等方面进行修改，以完全达到预期目标。参考文献梅丽凤单片机原理及应用北京：清华大学出版社张志良单片机原理与控制技术北京：机械工业出版社，何力民MCS系列单片机应用系统设计：系统配置与接口技术。北京：北京航空航天大学出版社石东海单片机数据通信技术从入门到精通。西安：西安电子科技大学出版社，郑崇勋数字系统故障对策与可靠性技术。北京：国防工业出版社许实章电机学【M】北京：机械工业出版社杨渝钦控制电机【M】北京：机械工业出版社14