单片机课程设计罗鹏慧.docx

1、单片机课程设计罗鹏慧 山西工程技术学院 课程设计报告 题 目 单片机控制步进电机 课 程 名 称 单片机原理及接口技术 系 部 名 称 电气工程与自动化系 专 业 电气自动化 班 级 电气自动化三班 学 生 姓 名 罗鹏慧 学 号 140723112 指 导 教 师 刘彬 1设计任务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，因此非常适合于单片机控制。在实验平台上扩展一个四相步进电机，利用单片机通过开关控制步进电机进行正转的加速减速和停止，并用LED红灯表示正转，绿灯表示停转。2设计思路单片机课程设计是考察学生利用所学过的专业知识，能够使学生对电

2、气与自动化的专业知识进行综合应用，培养学生的创新能力和团队协作能力，提高学生的动手实践能力。本次设计考核的能力主要有：1) 专业知识应用能力，包括电路分析、电子技术、单片机、电气控制、电机与拖动、计算机高级语言、计算机办公软件等课程，2) 电气与自动化系统的设计与实际应用能力。基于单片机和proteus的步进电机控制电路的基本组成如图2-1所示： 图2-1根据设计要求，采用的方案如下。硬件部分实现电机转动，包括控制开关模块；电机转动模块。软件部分实现对步进电机的控制功能，主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转动。电源驱动89C51单片机，在89C51中装载程序，通过开关按键来输入信

3、号，89C51向驱动电路提供信号使步进电机动作，该设计是团队完成，我完成了对步进电机的反转转加/减速和停止的控制。3.主要元件介绍：3.1步进电机：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，因此非常适合于单片机控制。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。 步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线

4、位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度（不距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。步进电机28BYJ48：如图3-1图3-1步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信 号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环

5、时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC- CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）四相步进电机有两种运行方式，一、四相四拍；二、四相八拍。要想搞清楚四相八拍运行方式下步进电机的转速如果计算，需要先清楚两个基本概念。1、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

6、2、步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。这两个概念清楚后，我们再来计算转速，以基本步距角1.8的步进电机为例（现在市场上常规的二、四相混合式步进电机基本步距角都是1.8），四相八拍运行方式下，每接收一个脉冲信号，转过0.9，如果每秒钟接收400个脉冲，那么转速为每秒400X0.9=360，相当与每秒钟转一圈，每分钟60转。由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003放大

7、再连接到相应的电机接口，如图3-2： 图3-2所以可以定义正转励磁序列为A-AB-B-BC-C-CD-D-DAuchar code FFW=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;/反转励磁序列为AD-D-CD-C-BC-B-BA-Auchar code REV=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;如表3-110000x0811000x0c01000x0401100x0600100x02橙黄粉蓝十六制（P1口）00110x0300010x0110010x09表3-1步进电机28BYJ48的主要技术参数：如表3-

8、2表3-23、四相步进电机的脉冲分配规律 目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序 与波形分别如图1 a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所

9、以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。3.2 89C51单片机图3-3Atmel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，89C51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。89C51单片机部分引脚功能介绍：图3-4单片机引脚功能图XTAL2（18脚）：接外部

10、晶体和微调电容的一端；在89C51 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。89C51/8031正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。RST/VPD（9脚）：RST：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。RST/VPD（9脚）：VPD ：RST引脚的第二功能，备用电源输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入该

11、引脚，为RAM提供备用电源，以保证RAM中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。EA/Vpp（31脚）：Vpp：对8751片内EPROM固化编程时，编程电压输入端（12-21V）。P0口：漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。P0口可作为一个数据输入/输出口；在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线。P1口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口：带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。3.3硬件设计图图3-5硬件设计图

12、通过对开关k1 k2 k3的开关，来实现对步进电机的正反转和停止，通过k4 k5来进行加减速，并且有相应的LED灯的显示。3.3控制模块图3-6控制模块图功能：通过控制台实现对单片机程序的开与关4软件编程4.1主流程图根据设计任务，相应的软件设计如下：开始If（k5=0）If（k2=0）If（k1=0）判断按键减速按键加速停止反转正转按键If（k4=0）If（k3=0）图4-1程序流程图4.2初始化程序：#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code FFW= 0x01,0x03,0x02,0x06

13、,0x04,0x0c,0x08,0x09;uchar code REV= 0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;sbit K1 = P30; sbit K2 = P31; sbit K3 = P32; sbit K4 = P33; sbit K5 = P34; void DelayMS(uint ms) uchar i; while(ms-) for(i=0;i120;i+); void SETP_MOTOR_FFW(uchar n) uchar i,j; int M=25; for(i=0;i5*n;i+) for(j=0;j8;j+) if(K3

14、= 0) break; P1 = FFWj; if(K4 = 0) P0=0xf6; DelayMS(20); else if(K5 = 0) P0=0xee; DelayMS(100); else DelayMS(50); if(K4 = 1&K5 = 1) P0 = 0xfe; void SETP_MOTOR_REV(uchar n) uchar i,j; int M=25; for(i=0;i5*n;i+) for(j=0;jAB-B-BC-C-CD-D-DA反转励磁序列为AD-D-CD-C-BC-B-BA-A正转：sbit K1 = P30;反转：sbit K2 = P31;停止sbi

15、t K3 = P32;加速：sbit K4 = P33; 减速：sbit K5 = P34; 4.3.2延时程序：void DelayMS(uint ms) uchar i; while(ms-) for(i=0;i120;i+); 4.3.4反转部分：void SETP_MOTOR_REV(uchar n) uchar i,j; int M=25; for(i=0;i5*n;i+) for(j=0;jD-CD-C-BC-B-BA-A进行通电，转动n圈，在转动过程中，按下加速按钮，电机加速，对应的LED灯会亮，按下减速，电机减速，对应的LED灯会亮，如果按下停止按钮，会立刻停止转动，亮停止灯。

16、4.4主程序：void main() uchar N = 50; /运转圈数 while(1) if(K1 = 0) P0 = 0xfe; /LED1点亮，正转指示灯 SETP_MOTOR_FFW(N); /电动机正转 if(K3 = 0) break; else if(K2 = 0) P0 = 0xfd; /LED2点亮，反转指示灯 SETP_MOTOR_REV(N); /电动机反转 if(K3 = 0) break; else P0 = 0xfb; /LED3点亮，停止指示灯 P1 = 0x03; 5 调试结果与过程5.1反转结果显示：5.1.1反转加速：图5-1反转加速5.1.2反转减速

17、：5.2停止结果显示;图5-2停止结果显示在仿真过程中要注意元件的选择，还有仿真跟实物存在的差异，仿真的数据不一定就适合实物，所以要根据实物来进行修改，通过不断的调试才能符合要求，在连接电路时要看好引脚。 6 总结与体会 此次课程设计软件与硬件相结合，考察了我们的焊接水平与编程能力.因为以前做过关于焊接的电工实习，所以对于我们机械设计专业的学生而言焊接是不成问题，也很顺利；可到了编程时就出现了很大的障碍，先开始的显示时钟还算顺利，本来还以为编程会很简单的，等到实际操作起来才知道它的复杂性，没有想像中的那么得心应手，理解流程是有思维的前提。其实本身程序的思维是正确的，只是步骤中有点小错误，所以导

18、致整个程序的结果很乱，在仔细修改程序之后，终于一步步地达到效果了。通过键盘控制和液晶显示实现了秒表的功能，能实现本设计题目的基本要求和发挥部分。尽量做到硬件电路简单稳定，充分发挥软件编程的优点，减小因元器件精度不够引起的误差。我们将各个部分的程序编好后怎么都连不起来，出不了预期的效果.在进行编译的时候，数码显示管上什么都没有，按一下旁边与之相连的元器件时就有显示了，所以也花费了好多时间在PCB板的重新焊接上，最后在全组人竭尽全力，老师的精心指导下，程序基本编写成功，这是我们共同努力的结果，在享受我们成果之时，不得不感慨单片机的重要性与高难度性，所以为期两周的单片机课程设计没有浪费，我们从中学到

19、了很多知识，也让我们对单片机有了更深一步的了解.虽然最后结果是出来了，可这与老师的精心指导是分不开的，他引导我们的思路，本来一窍不通的我们经过老师的点拨基本上通了，所以说老师是功不可抹的。由于时间有限和本身知识水平的限制，本系统还存在一些不够完善的地方，要作为实际应用还有一些具体细节问题需要解决。7 参考资料1 侯文霞. 变频调速技术在中央空调控制中的应用J.机床电器.2002第二期.2 韩常. PLC编程及应用M. 北京：机械工业出版社,2005.3 吴启红、胡洪、谭斌.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书.机械工业出版社，20074 岳庆来、周锋、吴启红、胡洪.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术.机械工业出版社，2006