步進(jìn)電機(jī)角度控制設(shè)計(jì)

1、目錄摘要.11設(shè)計(jì)任務(wù)與要求. 21.1設(shè)計(jì)目的. 21.2設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo). 22方案分析.33系統(tǒng)硬件部分.43.1主控模塊. 43.2鍵盤輸入模塊.73.3電機(jī)模塊. 83.4顯示模塊.114系統(tǒng)軟件部分.134.1整體流程圖及主程序.134.2按鍵流程圖及程序.144.3顯示模塊程序.194.4電動機(jī)模塊流程圖及程序.204.5中斷程序.225仿真運(yùn)行.246心得體會.25參考文獻(xiàn).26附錄一：Protues硬件仿真圖.27附錄二：系統(tǒng)程序.28摘要步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)中具有很廣泛的應(yīng)用。它可以把脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器或角位移發(fā)生器等。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖

2、信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。速的目的。此次設(shè)計(jì)使用 C 數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到 C 語言，適開發(fā) 。硬件部分使用 89C51 作為主控芯片，并使用 ULN2003A 將單片機(jī)的信號放大以控制步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)使用 4 位數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)動角度及次數(shù)。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) C 語言 AT89C51 ULN2003A 轉(zhuǎn)動角度1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)制作和調(diào)試一個(gè)由 8086 習(xí)熟悉鍵盤控制和七段數(shù)碼管的使用，掌握步進(jìn)電機(jī)的角度控制和角度顯示方法。1.2設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)1在顯示器上顯示任意四位十進(jìn)制數(shù)2將8 個(gè)鍵定義鍵值為07，按任意鍵在顯

3、示器上顯示對應(yīng)鍵值3實(shí)現(xiàn)：（1）定義鍵盤按鍵：5 個(gè)為數(shù)字鍵 15；3個(gè)功能鍵：設(shè)置 SET、清零 開始 （2）顯示器上第一位顯示次數(shù)，后三位顯示每次行走的角度；（3）通過鍵盤的按鍵，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)各次的角度值；第一位設(shè)置次數(shù)，后三位設(shè)置角度值。（4）按 START鍵啟動步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，按 SET 鍵停止；按 CLR 鍵清零。2 方案分析 8 個(gè)鍵盤按鍵：5 個(gè)為數(shù)字鍵 15；3 個(gè)功能鍵：設(shè)置 SET、清零 CLR、開始 轉(zhuǎn)動次數(shù)和每次轉(zhuǎn)動角度；按START鍵啟動電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，按SET 鍵停止；按CLR鍵清零。綜合分析之后，我們應(yīng)該將電路實(shí)現(xiàn)利用鍵盤按鍵通過 89C51 的 P3 口實(shí) 89

4、C51 的 P0 口和 P1 們可以通過 P2 口控制 ULN2003A 驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)行。分析。通過分析我們可以畫出系統(tǒng)圖，如圖 2-1 所示。鍵盤模塊主控模塊圖 2-1 系統(tǒng)圖3系統(tǒng)硬件部分3.1主控模塊3.1.1 AT89C51芯片本次設(shè)計(jì)是使用AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，89C2

5、051 是它的一種精簡版本。89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C51的40個(gè)引腳主要有一下幾種（2）GND：接地。（3）P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在 FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 口是一個(gè)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被部上拉為高，可用作輸入

6、，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為低八位地址接收。 口為一個(gè)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時(shí)，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器 當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2 口輸出其特殊功能寄存器的容。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。（6）P3 口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶部上拉電阻的

7、雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。 故。P3 口還有其他一些特殊功能，本事設(shè)計(jì)沒有使用，故在此不做敘述。（7）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。（8）ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE 存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 指令是 ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外

8、部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無效。每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。（10）/EA/VPP：當(dāng)/EA 保持低電平時(shí)，則在此期間為外部程序存儲器ROM式 1 時(shí)，/EA 將部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，單片機(jī)讀取部程序 ROM時(shí)讀取完部ROM后自動讀取外部 FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V圖3-1 AT89C51芯片3.1.2時(shí)鐘電路及復(fù)位電路在本次課程設(shè)計(jì)中，我們用到AT89C51單片機(jī)。而他需要一些特定的控制復(fù)位電路等。如圖 3-2 所示是我們的時(shí)鐘電路，由電容 C1、C2 以及晶振組成。圖 3-2

9、時(shí)鐘電路如圖 3-3 所示是我們的復(fù)位電路。圖 3-3 復(fù)位電路3.2鍵盤輸入模塊發(fā)現(xiàn)有鍵閉合，求閉合鍵的鍵碼。根據(jù)這一過程的不同，鍵盤可以分為兩種，即對應(yīng)于被安檢的 ASCII 大、按鍵較多等特點(diǎn)。非編碼鍵盤恰如一組開關(guān)，一般組成行和列矩陣。其全部工作過程，如按鍵的識別、鍵的代碼獲取、防止串鍵及消抖等問題，都靠程序完成。因此，它所需要的硬件少，價(jià)格便宜，一般作為單板機(jī)、智能儀表等簡單的輸入設(shè)備。立式鍵盤每個(gè)按鍵獨(dú)占一根 I/OI/O線而變得無法實(shí)用。矩陣式鍵盤電路將 I/O 可達(dá)行線數(shù) n 乘以列線數(shù) m。由此可以看到行列式鍵盤在按鍵較多時(shí)，可以節(jié)省 I/O電源上，在沒有鍵按下時(shí)，行線處于高

10、電平狀態(tài)。 I/O的電平狀態(tài)讀入累加器中，若無鍵按下，行線仍保持高電平狀態(tài)，若有鍵按下，法是：依次從一條列線上輸出低電平，然后檢查各行線的狀態(tài)，若全為高電平，說明閉合鍵不在該列；若不全為1，則說明閉合鍵在該列，且在變?yōu)榈碗娖降男械慕稽c(diǎn)上。 I/O口輸出的數(shù)據(jù)和從行線 I/O口讀入的數(shù)據(jù)可以求出閉合鍵的鍵號。圖 3-4 鍵盤模塊原理圖3.3電機(jī)模塊3.3.1 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由 8086 通過 8255A 產(chǎn)此次設(shè)計(jì)采用四相

11、式步進(jìn)電機(jī)。生。圖 3-5 步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁線圈（1） 步進(jìn)電機(jī)工作原理說明組組成。步進(jìn)電機(jī)組成和電氣連接分別如圖 3-6 和 3-7 所示。圖3-6 轉(zhuǎn)子和定子示意圖圖3-7 電氣連接示意圖當(dāng) S1 連通電源后，定子磁場將產(chǎn)生一個(gè)靠近轉(zhuǎn)子為 N 極，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子為 SS1、S4的送電次序，就能控制轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向。例如：若送電的順序?yàn)镾1 閉合斷開 S4閉合 斷開，周而復(fù)始的循環(huán)，在定子和轉(zhuǎn)子共同作用下，電機(jī)就瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)：斷開S2 閉合斷開S3 閉合若送電的順序?yàn)镾4閉合斷開S3閉合斷開S2閉合斷開S1閉合 斷開，周而復(fù)始的循環(huán)，則電機(jī)就逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，原理同理。3.3.2 電機(jī)驅(qū)動ULN2003A簡介U

12、LN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓列，由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成。ULN2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電ULN2003A管腳如圖3-8所示。圖3-8 ULN2003A管腳圖ULN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 2.7K 的基極電阻,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003部還集成了一個(gè)消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列 16 腳封裝,NPN 晶體管

13、矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動電路。ULN是集成達(dá)林頓管IC,部還集成了一個(gè)消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE約1V左右，耐壓BVCEO約為36V。故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003 是一個(gè)非門電路，包含 7 個(gè)單元，單獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動電流最大可達(dá)350mA，9腳可以懸空。由于ULN2003有這些特點(diǎn)，所以經(jīng)常作為顯示驅(qū)動、繼電器驅(qū)動、照明燈驅(qū)動、電磁閥驅(qū)動、伺服電機(jī)、步進(jìn)電

14、機(jī)驅(qū)動等電路中。ULN2003A部結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。圖3-9 ULN2003A部結(jié)構(gòu)圖圖 3-10 電機(jī)模塊原理圖3.4顯示模塊一起，而陽極是獨(dú)立的。排列如圖 3-11，共陽極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-12 所示。圖 3-11 數(shù)碼管外引線排列圖 3-12 共陽極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)示意圖在多位 LED 顯示時(shí)，為了節(jié)省 I/O 口線，簡化電路，降低成本，一般采用器來說，每隔一段時(shí)間輪流點(diǎn)亮一次，形成動態(tài)顯示。圖 3.13 顯示模塊原理圖4 系統(tǒng)軟件部分4.1整體流程圖及主程序系統(tǒng)的整體軟件流程圖如圖 4-1 所示開始按下某一數(shù)字鍵數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)動次數(shù)和轉(zhuǎn)動角度電機(jī)按數(shù)碼管顯示的數(shù)字開始運(yùn)行停止鍵是否被按

15、下清零鍵是否被按下圖 4-1 系統(tǒng)流程圖主程序如下：void main()/主函數(shù)TMOD=0 x01;/T0工作方式1TH0=0 xd8;TL0=0 xf0;TR0=0;ET0=1;EA=1;/設(shè)初值，0.01秒觸發(fā)一次/關(guān)閉T0定時(shí)器/允許T0定時(shí)器中斷/開啟總中斷允許P2=0 x03;while(1)scan();show();if(num1=0)/并將狀態(tài)位置0時(shí)器TR0=0;status=0;4.2按鍵流程圖及程序按鍵流程圖如圖4-2所示某一數(shù)字鍵被按下，則寄存器被賦予相應(yīng)值開始鍵被按下，寄存器將值傳給電機(jī)模塊，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動停止鍵被按下，則寄存器被清零，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動結(jié)束圖4-2 按鍵

16、模塊流程圖按鍵模塊程序如下：void scan()/按鍵掃描if(START=0&status=0)/開始鍵：只有當(dāng)電機(jī)不運(yùn)行時(shí)才有效，且將狀態(tài)位置 1；delay(10);if(START=0&status=0)status=1;TR0=1;/開定時(shí)器 0num1=num;if(SET=0&status=1)將狀態(tài)位置 0；/停止鍵：只有當(dāng)電機(jī)運(yùn)行是有效，delay(10);if(SET=0&status=1)status=0;TR0=0;/關(guān)定時(shí)器0if(CLR=0&status=0)零鍵才有效delay(10);if(CLR=0&status=0)P1=0;P0=0 xff;sh=0;i

17、f(k1=0&status=0)不運(yùn)行時(shí)，數(shù)字鍵才有效/數(shù)字鍵 1：設(shè)置為 3 。只有當(dāng)電機(jī)delay(10);if(k1=0&status=0)num=3;num1=3;bai=0;shi=4;ge=5;sh=1;key=1;if(k2=0&status=0)/數(shù)字鍵2：設(shè)置為4 090delay(10);if(k2=0&status=0)num=4;num1=4;bai=0;shi=9;ge=0;sh=1;key=2;if(k3=0&status=0)/數(shù)字鍵3：設(shè)置為5 090delay(10);if(k3=0&status=0)num=5;num1=5;bai=0;shi=9;ge=0

18、;sh=1;key=2;if(k4=0&status=0)/數(shù)字鍵4：設(shè)置為6delay(10);if(k4=0&status=0)num=6;num1=6;bai=0;shi=4;ge=5;sh=1;key=1;if(k5=0&status=0)/數(shù)字鍵5：設(shè)置為7 090delay(10);if(k5=0&status=0)num=7;num1=7;bai=0;shi=9;ge=0;sh=1;key=2;4.3顯示模塊程序由于使用的是4照一定的順序輪流顯示，只要掃描頻率足夠高，由于人眼的“視覺暫留”現(xiàn)象，就能連續(xù)穩(wěn)定的顯示。程序如下：void show()/數(shù)碼管顯示if(sh=1)P1=

19、0 x01;P0=smgnum;/顯示第一位P0=0 xff;P1=0 x02;/顯示第二位/顯示第三位/顯示第四位P0=smgbai;P0=0 xff;P1=0 x04;P0=smgshi;P0=0 xff;P1=0 x08;P0=smgge;P0=0 xff;4.4電動機(jī)模塊流程圖及程序要是步進(jìn)電機(jī)模塊按一定方向轉(zhuǎn)動，需要輪流給 P2.0P2.3 口脈沖，故采 4-3 初始值為 初始值為0 x02）開始判斷所需角度為45度還是90度奇X、Y均左移一位Y左移一位X、Y進(jìn)行或運(yùn)算并將值送到P2口否是停止電機(jī)結(jié)束圖 4-3 電機(jī)模塊流程圖電機(jī)模塊程序如下：void motor()/電機(jī)運(yùn)行if(

20、key=1)/每次轉(zhuǎn)動角度為45度時(shí)if(c%2=0)x=_crol_(x,1);x=x|_crol_(x,4);elsey=_crol_(y,1);y=y|_crol_(y,4);c=c+1;P2=x|y;if(key=2)/每次轉(zhuǎn)動角度為90度時(shí)x=_crol_(x,1);x=x|_crol_(x,4);y=_crol_(y,1);y=y|_crol_(y,4);P2=x|y;4.5中斷程序加一，當(dāng)計(jì)數(shù)存儲器達(dá)到設(shè)定值時(shí)便使電機(jī)轉(zhuǎn)動一次。中斷程序如下：void time0(void)interrupt 1/中斷處理程序TR0=0;TH0=0 xd8;TL0=0 xf0;clk+;if(cl

21、k=100)/每一秒電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一次clk=0;num1-;motor();/調(diào)用電機(jī)運(yùn)行程序TR0=1;5 仿真運(yùn)行（1）按下數(shù)字鍵后數(shù)碼管顯示數(shù)字圖 5-1 數(shù)碼管顯示（2）按下開始鍵后，電機(jī)開始運(yùn)行圖 5-2 電機(jī)運(yùn)行圖（3）按下停止鍵后，電機(jī)停止運(yùn)行（4）按下清零鍵后，數(shù)碼管被清零。圖 5-3 電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)6 心得體會的檢測以及對 protues軟件的學(xué)習(xí)和使用。分析不太準(zhǔn)確、結(jié)果準(zhǔn)確性差、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通過學(xué)習(xí)protues，并通過使用protues，非常方便準(zhǔn)確的得到了仿真電路的正確連線方法以及最優(yōu)化電路。分析起來又快又準(zhǔn)確。大大促進(jìn)了我們的學(xué)習(xí)效率。理論聯(lián)系實(shí)際，為以后成為一名技術(shù)人才奠

22、定堅(jiān)實(shí)的理論實(shí)踐基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 郭天祥. 新概念 51 單片機(jī) C 語言教程.：電子工業(yè)，20092 周潤景.基于 PROTEUS 3 伯石.電力拖動自動控制系統(tǒng).：機(jī)械工業(yè)，2003.4 光飛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo).:航空航天，20045 光東.單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)（第二版）.：華中科技大學(xué)，1999附錄一：Protues硬件仿真圖附錄二：系統(tǒng)程序#includereg51.h#includeintrins.hsbit k1=P30;sbit k2=P31;sbit k3=P32;sbit k4=P33;sbit k5=P34;sbit START=P35;sbit SET=P3

23、6;sbit CLR=P37;int smg10=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;int status=0,sh=0;int num,bai,shi,ge,num1,key=0;int clk=0;int c=0,x=0 x1,y=0 x2;void delay(int a);void scan();void show();void motor();void delay(int a)/延時(shí)程序int i,j;for(i=a;i0;i-)for(j=1000;j0;j-);void scan()/按鍵掃描if

24、(START=0&status=0)才有效，且將狀態(tài)位置1；/開始鍵：只有當(dāng)電機(jī)不運(yùn)行時(shí)delay(10);if(START=0&status=0)status=1;TR0=1;/開定時(shí)器 0num1=num;if(SET=0&status=1)將狀態(tài)位置 0；/停止鍵：只有當(dāng)電機(jī)運(yùn)行是有效，delay(10);if(SET=0&status=1)status=0;TR0=0;/關(guān)定時(shí)器0if(CLR=0&status=0)零鍵才有效delay(10);if(CLR=0&status=0)P1=0;P0=0 xff;sh=0;if(k1=0&status=0)不運(yùn)行時(shí)，數(shù)字鍵才有效/數(shù)字鍵 1：設(shè)置為 3 。只有當(dāng)電機(jī)delay(10);if(k1=0&status=0)num=3;num1=3;bai=0;shi=4;ge=5;sh=1;key=1;if(k2=0&status=0)/數(shù)字鍵2：設(shè)置為4 090delay(10);if(k2=0&status=0)num=4;num1=4;bai=0;shi=9;ge=0;sh=1;key=2;if(k3=0&status=0)/數(shù)字鍵3：設(shè)置為5 090delay(10);if(k3=0&status=0)num=5;num1=5;bai=0;shi=9;ge=0;sh=1;key=2;if(k4=0&st