單片機(jī)課設(shè)步進(jìn)電機(jī)控制正反轉(zhuǎn)

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)學(xué) 院 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 王水魚 2010 年 秋季 學(xué)期起止時(shí)間：2011年1月10日至2011年1月14日平時(shí)（10%）任務(wù)完成（30%）答辯（30%）課設(shè)報(bào)告（30%）總評(píng)成績(jī)目錄1. 設(shè)計(jì)目的22. 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求23. 題目及要求功能分析24. 設(shè)計(jì)方案54.1 整體方案54.2 具體方案55硬件電路的設(shè)計(jì)6 5.1 硬件線路6 5.2 工作原理7 5.3 操作時(shí)序86. 軟件設(shè)計(jì)8 6.1 軟件結(jié)構(gòu)8 6.2 程序流程9 6.3 源程序清單97. 系統(tǒng)仿真98. 使

2、用說明109. 設(shè)計(jì)總結(jié)10參考文獻(xiàn) 11附錄 12步進(jìn)電機(jī)的控制1. 設(shè)計(jì)目的（1） 熟悉單片機(jī)編程原理。（2） 熟練掌握51單片機(jī)的控制電路和最小系統(tǒng)。（3） 單片機(jī)基本應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。2. 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求（1） 查閱資料，了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理。（2） 通過單片機(jī)給參數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。（3） 通過按鈕控制啟停及反轉(zhuǎn)。（4） 其他功能。3題目及要求功能分析步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，

3、從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其精度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)中。三相單、雙六拍步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理：三相單、雙六拍步進(jìn)電機(jī)通電方式：這種方式的通電順序是：UUVVVWWWUU或?yàn)閁UWWWVVVUU。按前一種順序通電，即先接通U相定子繞組；接著是U、V兩相定子繞組同時(shí)通電；斷開U相，使V相繞組單獨(dú)通電；再使V、W兩相定子繞組同時(shí)通電；W相單獨(dú)通電；W、U兩相同時(shí)通電，并依次循環(huán)。這種工作方式下，定子三相繞組需經(jīng)過六次切換才能完成一個(gè)循環(huán)，故稱為“六拍”，而“單、雙六拍”

4、則是因?yàn)閱蜗嗬@組與兩相繞組交替接通的通電方式。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電機(jī)應(yīng)由專用的驅(qū)動(dòng)電源來供電，由驅(qū)動(dòng)電源和步進(jìn)電機(jī)組成一套伺服裝置來驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，主要包括邊頻信號(hào)源、脈沖分配器和脈沖放大器等三個(gè)部分，邊頻信號(hào)源是一個(gè)頻率從幾十赫茲到幾千赫茲的可連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器。變頻信號(hào)員可以采用多種線路。最常見的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體管構(gòu)成的馳張振蕩器兩種。它們都是通過調(diào)節(jié)電阻和電容的大小來改變電容充放電的時(shí)間常數(shù)，以達(dá)到選取脈沖信號(hào)頻率的目的。脈沖分配器是由門電路和雙穩(wěn)態(tài)處發(fā)起組成的邏輯電路，它根據(jù)指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使步進(jìn)電機(jī)按一定的運(yùn)行方式運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電

5、機(jī)的釘子繞組可以是任意相數(shù)，常有三相制，四相制，五相制，六相制4種。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，步進(jìn)電機(jī)分為3種：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛。繞組通電方式通常有單排方式、雙拍方式和單雙拍方式3種。通過軟件編程，用單片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制的脈沖分配；實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正常工作。根據(jù)題目要求，開機(jī)后，電機(jī)不轉(zhuǎn)，按下前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)任意一按鈕，電機(jī)按設(shè)置的方式轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)按下停止按鈕后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速通過設(shè)置延時(shí)時(shí)間常數(shù)來確定。延時(shí)時(shí)間常數(shù)越小電機(jī)轉(zhuǎn)速越快.反之越快。4. 設(shè)計(jì)方案4.1 整體方案 本系統(tǒng)主要是由A

6、T89C51，步進(jìn)電機(jī)控制器ULN2004，步進(jìn)電機(jī)，通過單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制的脈沖分配，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)以及停止等功能。4.2具體實(shí)現(xiàn)方案 根據(jù)系統(tǒng)要求畫出單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制框圖，見下圖（1）。系統(tǒng)包括單片機(jī)、按鍵和步進(jìn)電機(jī)。按 鍵AT89C51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步 進(jìn) 電 機(jī)(1) 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制框圖開始通電后，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，單片機(jī)分別接有按鈕開關(guān)K1，K2，K3，K4用來控制步進(jìn)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)向，不同轉(zhuǎn)速，當(dāng)按下K1后，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)按下K2后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)按下K3，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 為實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速，減速，給電機(jī)設(shè)置不同延時(shí)時(shí)間常數(shù)，根據(jù)時(shí)間常數(shù)的不同，電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，延

7、時(shí)時(shí)間常數(shù)越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，延時(shí)時(shí)間常數(shù)越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。5硬件電路的設(shè)計(jì)5.1 硬件線路 根據(jù)系統(tǒng)框圖，可以設(shè)計(jì)出單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的硬件電路圖，電路圖見附錄圖（2），圖（3），圖（4）為提高部分電52工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)的選擇，單片機(jī)的種類較多，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)量的大小來確定。由于本系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，程序和數(shù)據(jù)量都不大，因此我們選用89C51單片機(jī)，89C51晶振頻率采用12MHZ。外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1:接外部晶體的一個(gè)引腳.在單片機(jī)內(nèi)部,它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端.當(dāng)采用外部振蕩器時(shí),該引腳接受振蕩器的信號(hào),即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器

8、的輸入端.XTAL2:接外部晶體的另一個(gè)引腳.在單片機(jī)內(nèi)部,它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端.采用外部振蕩器時(shí),此引腳應(yīng)懸浮不連接.單片機(jī)外接電路時(shí)鐘產(chǎn)生產(chǎn)生和復(fù)位電路片內(nèi)電路與片外器件就構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，CPU的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2MHz12MHz之間選取。C1、C2是反饋電容，其值在5pF30pF之間選取，典型值為30pF。本電路選用的電容為30pF，晶振頻率為12MHz。這樣就確定了單片機(jī)的4個(gè)周期分別是：振蕩周期1/12； 機(jī)器周期（SM）；指令周期。晶振電路如下圖所示。按鍵采用5個(gè)功能，前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)按鍵分

9、別接在單片機(jī)的P2.0至P2.4引腳上，用來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，作為控制信號(hào)的輸入端鍵，按下不同鍵，電機(jī)按要求實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。提高電路圖，則用8個(gè)按鍵，K1至K6為設(shè)置電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，K7和K8為電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)的輸出電流太小，不能直接接與步進(jìn)電機(jī)相連，需要增加驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于小直流0.5A的步進(jìn)電機(jī)，可采用ULN2003類的驅(qū)動(dòng)IC。ULN2003的技術(shù)參數(shù)如下所示最大輸出電壓：50V。最大連續(xù)輸出電流：0.5A。最大連續(xù)輸入電流：25mA。功率：1W。如下圖（4）為ULN2003系列驅(qū)動(dòng)器的引腳圖，左邊1-7為輸入端，接單片機(jī)P1口的輸出端，引腳8接地；左側(cè)10-16引腳為輸

10、出端，接步進(jìn)電機(jī)，引腳9接電源5V，該驅(qū)動(dòng)器可提供最高0.5A的電流。 正轉(zhuǎn)采用1相激磁方式，反轉(zhuǎn)采用一到倆相激磁方式。5.3 操作時(shí)序 按電路圖再Proteus中連接號(hào)電路圖，檢查無(wú)誤后導(dǎo)入程序，編譯連接后進(jìn)行仿真。按不同的鍵實(shí)現(xiàn)不同的功能。從而控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止以及電機(jī)以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。6. 軟件設(shè)計(jì) 6.1 軟件結(jié)構(gòu)對(duì)單片機(jī)的P2口設(shè)置堆棧，開始時(shí)步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，按鍵進(jìn)行掃描，判斷是否有按鍵按下，由于按鍵的時(shí)間特性，程序中加入了消抖程序，當(dāng)判斷按鍵按下時(shí)消除按鍵的抖動(dòng)，按下不通的鍵跳至不同的轉(zhuǎn)動(dòng)模塊，調(diào)用轉(zhuǎn)動(dòng)程序，轉(zhuǎn)動(dòng)程序通過查表實(shí)現(xiàn)，當(dāng)執(zhí)行完之后繼續(xù)掃描看是否有按鍵按下，沒有則繼續(xù)

11、當(dāng)前循環(huán)，有則跳至相應(yīng)的模塊。 6.2 程序流程圖附錄（二） 6.3 源程序清單程序采用ASM51匯編語(yǔ)言編寫。附錄（三）7. 系統(tǒng)仿真 連接好電路后，對(duì)程序進(jìn)行裝載編譯連接后，仿真。結(jié)果：按下前進(jìn)按鈕 電機(jī)1正轉(zhuǎn)，電機(jī)2反轉(zhuǎn) 按下后退按鈕 電機(jī)1反轉(zhuǎn)，電機(jī)2正轉(zhuǎn) 按下左轉(zhuǎn)按鈕 電機(jī)1正轉(zhuǎn)，電機(jī)2正轉(zhuǎn) 按下右轉(zhuǎn)按鈕 電機(jī)1反轉(zhuǎn)，電機(jī)2反轉(zhuǎn)注：步進(jìn)電機(jī)控制模擬小車的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)模型。提高要求：按下K7，按下K1時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速較快，當(dāng)按下K1至K6不同鍵時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，越來越慢。按下K8，按下K1時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速較快，當(dāng)按下K1至K6不同鍵時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，越來越慢。8. 使用說明 步進(jìn)電機(jī)控

12、制模擬小車使用說明，系統(tǒng)上有5個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵都有不同的功能： 按下前進(jìn)按鈕，電機(jī)1正轉(zhuǎn)，電機(jī)2反轉(zhuǎn)，小車前進(jìn) 按下后退按鈕，電機(jī)1反轉(zhuǎn)，電機(jī)2正轉(zhuǎn)，小車后退 按下左轉(zhuǎn)按鈕，電機(jī)1正轉(zhuǎn)，電機(jī)2正轉(zhuǎn)，小車左轉(zhuǎn) 按下右轉(zhuǎn)按鈕，電機(jī)1反轉(zhuǎn)，電機(jī)2反轉(zhuǎn)，小車后退9. 設(shè)計(jì)總結(jié)體會(huì) 一周的課設(shè)很快的就結(jié)束了，本次課設(shè)主要以單片機(jī)為基礎(chǔ)，用單片機(jī)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，熟悉單片機(jī)的一般搭建電路，熟練掌握了KeilC51集成開發(fā)環(huán)境的使用方法，進(jìn)一步加深對(duì)單片機(jī)常用指令的理解與運(yùn)用。能夠較熟練的運(yùn)用protues繪制電路原理圖以及進(jìn)行仿真。以及keilc51和protues的聯(lián)合調(diào)試。在課設(shè)過程中，使我得到了一次

13、用專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能分析和解決問題、全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在單片機(jī)的基本原理、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及常用編程設(shè)計(jì)思路技巧的掌握方面有了很大的提高。同時(shí)在老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，獲得了豐富的理論知識(shí)，極大地提高了實(shí)踐能力，單片機(jī)領(lǐng)域?qū)ξ医窈筮M(jìn)一步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)有極大的幫助，參考文獻(xiàn)：1潘曉寧，朱耀東。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教程2劉海寬，包建華。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)教程3楊居義，馬寧。單片機(jī)原理與工程應(yīng)用4胡健，劉玉賓。單片機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)踐教程5韓志軍，劉新民。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例6朱博，馬鳴鶴。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)教程附錄（一）流程圖開 始設(shè) 置 堆 棧步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)按 鍵 掃 描按下QJ

14、按鈕了嘛？按下TZ按鈕了嗎？按下RZ按鈕了嗎？按下HT按鈕了嗎？按下LZ按鈕了嗎？前進(jìn)模塊后退模塊左轉(zhuǎn)模塊右轉(zhuǎn)模塊電機(jī)停轉(zhuǎn)讀取表格輸 出結(jié) 束YNYYYYNNNN（3）程序流程圖附錄（二）硬件原理圖 （2）基本電路圖（3）基本電路圖（4）提高電路圖附錄（三）源程序QJ EQU P2.0 ; 前進(jìn) HT EQU P2.1 ; 后退 LZ EQU P2.2 ; 左轉(zhuǎn) RZ EQU P2.3 ; 右轉(zhuǎn) TZ EQU P2.4 ; 停止 OUT EQU P1 ;p1口 輸出;- ORG 40HSTOPS1: ORL OUT,#0FFH ;步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)LOOP: JNB QJ,ZZ1 ；判斷是否按下前進(jìn)

15、按鈕 JNB HT,FZ1 JNB LZ,LZ1 JNB RZ,RZ1 JNB TZ,STOPS JMP LOOP ；循環(huán);-ZZUAN: MOV R0,#00H ; 前進(jìn)-1正轉(zhuǎn) ，2反轉(zhuǎn)；制表初值ZZUAN1: MOV A,R0 MOV DPTR,#TAB ；表指針 MOVC A,A+DPTR ；取表代碼 JZ ZZUAN ；是否取到結(jié)束碼？ ;CPL A MOV OUT,A ；從P1輸出，前進(jìn) JNB HT,FZ1 JNB LZ,LZ1 JNB RZ,RZ1 JNB TZ,STOPS CALL DELAY ；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速 INC R0 ；取下一個(gè)碼 JMP ZZUAN1;-FZUAN:

16、MOV R0,#05H ; 后退-2正轉(zhuǎn) ，1反轉(zhuǎn)FZUAN1: MOV A,R0 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR JZ FZUAN ;CPL A MOV OUT,A JNB QJ,ZZ1 JNB LZ,LZ1 JNB RZ,RZ1 JNB TZ,STOPS CALL DELAY INC R0 JMP FZUAN1;-ZZ1: CALL DELAY ;鍵盤去干擾；按前進(jìn)按鈕消除抖動(dòng) JNB QJ,$ ；放開了前進(jìn)按鈕嗎？ CALL DELAY ；放開消除抖動(dòng) JMP ZZUAN ；步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)FZ1: CALL DELAY JNB HT,$ CALL DELAY JMP

17、 FZUANLZ1: CALL DELAY JNB LZ,$ CALL DELAY JMP LZUANRZ1: CALL DELAY JNB RZ,$ CALL DELAY AJMP RZUANSTOPS: CALL DELAY JNB TZ,$ CALL DELAY JMP STOPS1;-LZUAN: MOV R0,#0AH ;左轉(zhuǎn)-1，2正轉(zhuǎn)LZUAN1: MOV A,R0 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR JZ LZUAN ;CPL A MOV OUT,A JNB QJ,ZZ1 JNB HT,FZ1 JNB RZ,RZ1 JNB TZ,STOPS CALL DELAY INC R0 JMP LZUAN1;-RZUAN: MOV R0,#0fH ;右轉(zhuǎn)-1，2反轉(zhuǎn)RZUAN1: MOV A,R0 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR JZ RZUAN ;CPL A MOV OUT,A JNB QJ,ZZ1 JNB HT,FZ1 JNB LZ,LZ1 JNB TZ,STOPS CALL DELAY INC R0 JMP RZUAN1;-DELAY: MOV R1,#255 ;延時(shí)D