基于单片机的步进电机控制系统设计.docx
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基于单片机的步进电机控制系统设计
学院
毕业设计
题目
基于单片机的步进电机控制系统设计
系别
机电工程系
专业
机电一体化技术
班级
机电0904
姓名
学号
指导教师
日期
20月
设计任务书
设计题目
基于单片机的步进电机控制系统设计
设计要求
1.掌握步进电机的工作原理
2.掌握单片机怎样控制步进电机
3.掌握SPCE061A单片机硬件结构
4.掌握步进电机控制系统的软件设计
设计进度要求
第1周~第2周：
搜集资料
第3周~第4周：
步进电机的硬件及软件设计，定下论文初稿
第5周~第6周：
画图及修改论文
第7周：
交论文初稿，论文定稿
第8周：
准备答辩
指导教师（签名）
摘要
单片微型计算机简称单片机。
它是把组成微型计算机的各功能部件：
中央处理器、CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O界面电路、定时器/计数器以及串行通信界面等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。
单片机主要应用于控制领域，由于其具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用。
步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，实质上是一种数字/角度转换器。
步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机等组成。
步进控制器由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成，能把输入的脉冲转换成环形脉冲，以便控制步进电机，并能进行正反向控制。
但由于步进控制器线路复杂、成本高，故采用单片机控制，用软件代替上述步进控制器，使得线路简单，成本低，可靠性大大增加，灵活改变步进电机的控制方案，无需逻辑电路组成时序发生器，软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式并可实现一台单片机控制多台电机。
提供灵活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁琐的控制易于实现，尤其在本系统中更显示出微机控制的优越性。
本设计采用凌阳16位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。
关键词：
单片机，步进电机，步进控制器，步进电机控制系统
目录
第1章方案论证和比较1
1.1单片机概述1
1.1.1硬件1
1.1.2软件2
1.2步进电机的工作原理2
1.3单片机控制步进电机的设计思路5
第2章控制系统的硬件电路设计6
2.1SPCE061A的介绍6
2.1.1性能6
2.1.2结构7
2.1.3芯片的引脚排列和说明8
2.1.4SPCE061A单片机硬件结构9
2.1.5μ’NspTM的核心结构11
2.2步进电机的选择14
2.3步进电机的驱动电路设计14
2.4数码管显示电路的设计17
2.54X4键盘电路的设计18
第3章控制系统的软件设计21
3.1控制脉冲的产生21
3.2步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系22
3.3步数的确定25
3.4步进电机的变速控制27
3.5语音报数30
谢辞32
参考文献33
1方案论证和比较
1.1单片机概述
电子计算机是20世界纪40年代发展起来的新技术之一，它的出现是科学技术产生了一场深刻的革命。
特别是自1971年以来，随着大规模集成电路的发展，又出现了微型计算机。
它对发展现代化的工业、农业、国防和科学技术具有极其巨大的推动作用。
作为微型机控制系统的组成，主要分为两大部分，硬件和软件。
硬件是指微型计算机本身及其外围设备;软件是指管理计算机的程序以及过程式控制制应用程序。
1.1.1硬件
硬件是由主机、界面电路及外部设备组成的。
各个系统采用硬件的数量也不相同，而且，各个系统可以根据需要任意扩展，也为计算机的广泛应用提供条件。
1.主机。
它是计算机空着系统的主要部分，通过界面它向外部发出各种命令，同时它还可以进行巡回检测、数据的处理及计算、报警处理、逻辑判断等功能。
2.界面及输入输出通道。
它是主机和被控对象信息交换的桥梁。
一般根据功能及传送数据的方法可分为:
a.并行界面，如PIO;b.串行界面，如SIO;c.直接数据传送，如DMA;d.实时时钟，如CTC。
3.通用外部设备。
包括显示器、打印机、存储器等，这些设备极大地扩充了主机的功能。
4.检测设备及操作台。
检测设备的主要作用是将被检测参数的非电量变成电量，而通过操作台人们可以向计算机输入程序，修改存储器的数据，显示被测参数以及发出各种操作指令等。
5.执行机构。
比如说，步进电机和马达等，常见的执行机构有电动、气动和液动等形式。
1.1.2软件
软件是指能完成各功能的计算机程序的总合，如操作、监控、控制、计算和自诊断等。
因此，软件的分类也很多，就语言来分，可分为机器语言、汇编语言和高级语言;就功能来分，可以分为系统软件、应用软件及数据库。
系统软件专门用来使用管理计算机本身的程序;应用软件是面向用户本身的程序；数据库及数据库管理系统主要用于大量的数据管理及资料检索系统。
1.2步进电机的工作原理
步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。
在数控机床、绘图机、打印机等方面应用广泛。
它也可以看作是一种特殊的同步电机；它具有快速起停、精确步进及直接接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可靠。
本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。
如图1-1所示，电机的定子上有6个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为60度。
磁极上装有控制绕组并联成A,B,C三相。
转子上均匀分布40个齿，每个齿的齿距为9度。
定子每段极弧上也有5个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。
每个定子磁极的极距为60度，所以每个极距所占的齿距数不是整数。
当A极下的定、转子齿对齐，B极和C极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子齿距，即为3度。
这时若给B相通电，电机中产生沿B极轴线力一向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路径闭合，就使转子受到反应转距（磁阻转距）的作用而转动，直到转子齿和B极上的齿对齐为止。
此时，A极和C极下的齿又分别与转子齿相错三分之一的转子齿距。
由此可见:
错齿是促使步进电机旋转的根本原因。
图1.1电时转子就剖面图
若断开B相控制绕组，而接通C相控制绕组，这时电机中产生沿C极轴线方向的磁场。
同理，在反应转距（磁阻转距）的作用下，转子安顺时针方向转过3度，使定于C极下的齿与转子齿对齐。
以此类推，当控制绕组按A-B-C-A顺序循环通步进电机的沿着顺时针方向以每个脉冲转动3度的规律转动起来。
若改变通电顺序，即按A-C-B-A顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动3度。
这就是单三拍通电方式。
若采用三相单、双六拍通电方式运行，即A-AB-B-BC-C-CA-A顺序循环通电，步距角将减小一半，即每个脉冲转过1.5度。
1.步进电机工作方式的选择
常见的步进电机的工作方式有以下三种：
（1）三相单三拍:
A-B-C-A;
（2）三相双三拍:
AB-BC-CA-AB;
（3）三相六拍:
A-AB-B-BC-C-CA-A
按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。
这三种方式的主要区别是:
电机绕组的通电、放电时间不同。
工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。
因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。
而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度，六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。
2.控制步进电机换向顺序
通电换向这一过程称为脉冲分配。
例如：
三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,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。
3.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。
4.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。
1.3单片机控制步进电机的设计思路
图1.2总的设计图
2控制系统的硬件电路设计
2.1SPCE061A的介绍
SPCE061A是继SPTM系列产品SPCESOOA等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCESOOA不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。
较高的处理速度使SPTM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此，与SPCESOOA相比，以SPTM为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。
2.1.1性能
★16位μ’nSPTM微处理器；
★工作电压（CPU）VDD为2.4～3.6V（I/O）VDDH为2.4～5.5V
★CPU时钟：
0.32MHz～49.152MHz；
★内置2K字SRAM；
★内置32KFLASH；
★可编程音频处理；
★晶体振荡器；
★系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2μA，3.6V；
★2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
★2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
★32位通用可编程输入/输出端口；
★14个中断源可来自定时器A/B时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
★具备触键唤醒的功能；
★使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；
★锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
★32768Hz实时时钟；
★7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；
★声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；
★具备串行设备界面；
★具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；
★内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）界面；
◆★具有保密能力；
★具有WatchDog功能。
2.1.2结构
SPCE061A的结构如图2.1所示：
图2.1SPCE061A的结构图
2.1.3芯片的引脚排列和说明
SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；它的排列如图2-2所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装。
如图2-3所示。
图2.2PLCC84结构图
图2.3LQFP80结构图
2.1.4SPCE061A单片机硬件结构
SPCE061A芯片内部集成了ICE（在线实时仿真/除错器）、FLASH（闪存）、SRAM（静态存储器）、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟锁相环（PLL），ADC（模拟数字转换器），DAC（数字模拟转换器）输出、UART（通用异步串行输入输出接曰）、SIO串行输入输出界面）、低电压监测低电压复位等模块。
在本章中我们将详细介绍各个模块的结构及应用。
如图2-4所示：
图2.4SPCE061A硬件结构图
用户寄存器
SP：
堆栈指针
R1-R4通用寄存器
BP基指针
SR：
段寄存器
NZSC4个标志位
DS：
数据段选择控制位
PC：
程序计数器
SHIFTER移位器
ALU算术逻辑单元
ADDRGEN地址编码器
MUD多路选择开关
2.1.5μ’NspTM的核心结构
μ’nSPTM的核心由总线、ALU算术逻辑运算单元、寄存器组、中断系统及堆栈等部分组成。
1.ALU算术逻辑运算单元
μ’nSPTM的ALU非常有特色，除了一般基本的16位算术逻辑运算，还提供了结合算术逻辑的16位移位运算。
在数字信号处理方面，提供了高速的16位×16位乘法运算和内积（乘加）运算。
2.16位算术逻辑运算
μ’nSPTM与大多数CPU一样，提供了基本的算术运算与逻辑操作指令，加法、减法、比较、补码、异或、或、与、测试、写入、读出等16位算术逻辑运算及数据传送操作。
3.结合算术逻辑的16位移位运算
μ’nSPTM的移位运算包括：
算术右移ASR、逻辑左移LSL、逻辑右移LSR、旋转左移ROL及旋转右移ROR。
μ’nSPTM的移位器shifter就串接在ALU的前面，也就是说，操作数在经过移位处理后，马上会进入ALU进行算数逻辑运算。
所以，μ’nSPTM的移位指令都是复合式指令，一个指令会同时完成移位和算术逻辑运算。
程序设计者可利用这些复合式的指令，撰写更精简的程序代码，进而增加程序代码密集度（CodeDensity）。
在微控制器应用中，如何增加程序代码密集度是非常重要的问题；提高程序代码密集度可以减少程序代码的大小，进而减少ROM或FLASH的需求，以降低系统成本与增加执行效能。
4.16位*16位的乘法运算和内积（乘加）运算
除了普通的16位算数逻辑运算指令外，μ’nSPTM还提供了高速的16位16位乘法运算指令MUL，和16位内积运算指令MULS。
二者都可以用于有符号数相乘（signedsigned）或无符号数与有符号数相乘（unsignedsigned）的运算。
在μ’nSPTMISA1.1指令集下，MUL指令只需花费12个时钟周期，MULS指令花费10n+6个时钟周期，其中n为乘加的项数。
例如：
“MR=[R2]*[R1]，4”表示求4项乘积的和，MULS指令只需花费46（10×4+6=46）个时钟周期。
这两条指令大大的提升了μ’nSPTM的数字信号处理能力。
5.寄存器组
μ’nSPTMCPU的寄存器组一共有8个16位寄存器，可分为通用寄存器和专用寄存器两大类别。
通用寄存器包括：
R1~R4，作为算术逻辑运算的来源及目标寄存器。
专用寄存器包括SP、BP、SR、PC，是与CPU特定用途相关的寄存器。
6.通用寄存器R1-R4（General-purposeregisters）
可用于数据运算或传送的来源及目标寄存器。
寄存器R4、R3配对使用，还可组成一个32位的乘法结果寄存器MR；其中R4为MR的高字符组，R3为MR的低字符组，用于存放乘法运算或内积运算结果。
7.堆栈指针寄存器SP（StackPointer）
SP是用来纪录堆栈地址的寄存器，SP会指向堆栈的顶端。
堆栈是一个先进后出的存储器结构，μ’nSPTM的堆栈结构是由高地址往低地址的方向来储存的。
CPU执行push、子程序调用call、以及进入中断服务子程序（ISR，InterruptServiceRoutine）时，会在堆栈里储存寄存器内容，这时SP会递减以反映堆栈用量的增加。
当CPU执行pop时、子程序返回ret、以及从ISR返回reti时，SP会递增以反映堆栈用量的减少。
μ’nSPTM堆栈的大小限制在2K字的SRAM内，即地址为0x000000~0x0007FF的存储器范围中。
8.基址指针寄存器BP（BasePointer）
μ’nSPTM提供了一种方便的寻址方式，即基址寻址方式[BP+IM6]；程序设计者可通过BP来存取ROM与RAM中的数据，包括：
局部变量（LocalVariable）、函数参数（FunctionParameter）、返回地址（ReturnAddress）等等。
BP除了上述用途外，也可做为通用寄存器R5，用于数据运算传送的来源及目标寄存器。
因此，在本书或程序中，BP与R5是共享的，均代表基址指针寄存器。
9.程序计数器PC（ProgramCounter）
它的作用与一般微控制器中的PC相同，是用来纪录程序目前执行位置的寄存器，以控制程序走向。
CPU每执行完一个指令，就会改变PC的值，使其指向下一条指令的地址。
在μ’nSPTM里，16位的PC寄存器与SR寄存器的CS字段，共同组成一个22位的程序代码地址。
10.状态寄存器SR（StatusPointer）
SR内含许多字段，每个字段都有特别的用途，如图2.1所示。
其中包含两个6位的区段选择字段：
CS（CodeSegment），DS（DataSegment），它们可与其他16位的寄存器结合在一起形成一个22位的地址，用来寻址4M字容量的存储器。
SPCE061A只有32K字的闪存，只占用一页的存储空间，所以CS和DS字段在SPCE061A中都是设为0。
2.2步进电机的选择
本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，在设计要求中没有对步进电机提出特别的要求，因此为了设计的方便，选择受控电机为三相三线制的步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）。
2.3步进电机的驱动电路设计
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，放大后能够得到较大的功率。
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。
方案二：
使用L298N芯片驱动电机
L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图2-5所示），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
通过比较，根据设计提出的要求，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，从经济考虑，且价格不高，故选用L298N芯片驱动电机。
而使用L298N芯片时，可以用L297芯片来提供时序信号，可以节省单片机IO口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，电路也比较容易看懂，故选用后者。
图2.5用L298N芯片驱动电机
通过L298N构成步进电机的驱动电路，电路图如图2－6所示。
通过单片机SPCE061A的IOB8～IOB13对L298N的IN1～IN4口和ENA、ENB口发送方波脉冲信号，起时序图如图2－7所示。
图2.6步进电机的驱动电路图
图2.7起时序图
2.4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。
方案二：
并行接法
使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。
由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，因此选择了方案一。
另外，使用锁存也起到节约资源的作用。
数码管的显示驱动使用74LS164，通过SPCE061A的IOB0和IOB1口对DATA和CLK发送数据。
如图2.8所示：
图2.8用74LS164驱动电路图
2.54X4键盘电路的设计
行列式键盘的工作原理：
在键盘中按键数量较多是，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图3-9所示，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，本来一个端口最多只有8个按键，现在就可以构成4x4=16个按键，比它直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线越多，区别越明显。
由此可见，在需要的键数比较多时，可以采用行列式法来做键盘。
在设计中，使用了标准的4x4键盘，其电路图如图2-9所示。
单片机的A口低8位为键盘的界面。
尽管设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，我们使用了4x4的键盘。
行列式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也复杂一些图3-9所示界面电路由HEADER8x2的引脚高、低4位构成4x4行列矩阵键盘。
其中1、3、5、7引脚作为键盘的扫描输出口线；9、11、13、15引脚作为键盘的输入口。
为判断是否有键按下，所有的输出口向行线输出低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有按键按下了。
结合图3-9所示，检测的方法是引脚1、3、5、7输出全“0”，读取引脚9、11、13、15的状态，若引脚1、3、5、7为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。
然后判断按键的位置，如果有键按下，被按键处的行线和列线被接通，使穿过闭合键的那条列线变为低电平。
方法是对键盘的行线进行扫描。
引脚9、11、13、15按下述4种组合依次输出：
引脚151110
引脚131101
引脚111011
引脚90111
然后测试行线状态中是否有低电平。
在每组行输出时读取引脚1、3、5、7，若全为“1”，则表示这一行没有键闭合，否则有键闭合。
由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表发将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值。
图2.94x4键盘电路
3控制系统的软件设计
步进电机控制程序设计的主要问题有三个:
（1）控制脉冲的产生。
（2）步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系。
（3）步数的确定。
作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以从这三个问题入手。
3.1控制脉冲的产生
在单片机控制步进电机时，一般来讲，控制脉冲是用软件产生的。
方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。
延时时间的长短由步进电机的作频率决定。
时序脉冲产生的延时控制框图如图3-1所示。
图3.1时序脉冲产生的延时控制框图
3.2步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系
步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。
现在常用的通电方式主要有三种：
1）三相单三拍：
A→B→C→A；
2）三相双三拍：
AB→BC→CA→AB；
3）三相六拍：
A→AB→B→BC→C→CA→A；
按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。
因此，产生时序脉冲的方法是：
（1）利用单片机的P1端口，即用P1.0，P1.1，P1.2分别控制三相步进电机的A，B，C三相绕组；
（2）根据控制模式写出控制模型;
（3）控制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。
从通电方式的二进制数可以看出，步进电机每步进一步，高电平就左移或右移一位。
所以，我们可以考虑借助累加器A来实现步进电机的通电，可以把一个时序字节放在累加器A中，在每个采样时刻累加器A左移或右移一位，经输出口输出。
为了弥补8位的不足，可以考虑加入进位标志位CY这样就可以把它看成是第9位，这样就能实现所需要的通电方式。
下面以三相单三拍和三相双三拍为例来研究累加器中时序字节的转移。
三相单三拍通电方式，可以考虑在累加器A中放置时序控制字节49H。
示意图如图3.2所示。
图3.2三相单三拍通电方式示意图
三相双三拍通电方式，可以考虑在累加器A中放置时
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