单片机控制步进电机.docx
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单片机控制步进电机
目录
摘要3
第一章设计要求和目的4
第二章设计方案论证5
第三章步进电机概述6
3.1步进电机的组成6
3.2步进电机旋转原理6
3.3步进电机的特点7
第四章硬件的设计8
4.1单片机系统8
4.2复位电路..............8
4.3时钟电路8
4.4步进电机控制设计9
4.5按键的设计9
第五章软件的设计11
5.1软件选择单三拍的工作方式11
5.2程序流程图...................................11
第六章设计总结与心得13
参考文献.............................................14
附录A程序清单15
附录B原理图17
摘要
本次课程设计我们组主要是设计了一个可以控制正反转，步数可控的步进电机控制电路。
采用拨码开关对正反转和步数进行设置，将设置好的信号发送给单片机，对单片机进行编程，就可以使单片机发出控制信号去驱动步进电机转动，但是由于单片机的驱动电流太小，因此我们在单片机和步进电机之间接了两级驱动电路。
为了使步进电机步数控制的分级多，采用矩阵键盘。
Thisprojectaimedtodevelopawirelesssystemtodetectandallowonlytheauthorizedpersons.ThesystemwasbasedonRadioFrequencyIdentification（RFID）technologyandconsistsofapassiveRFIDtag.Thepassivemicrotranspondertagcollectspowerfromthe125KHzmagneticfieldgeneratedbythebasestation,gathersinformationabouttheTagIDandsendsthisinformationtothebasestation.Thebasestationreceives,decodesandcheckstheinformationavailableinitsDatabaseandManchestercodewasusedtosendthoseinformation.Thesystemperformedasdesiredwitha10cmdiameterantennaattachedtothetransponder.TheBaseStationisbuiltbyusingthePopular8051familyMicrocontroller.ItgetsthetagIDandifthetagIDisstoredinitsmemorythenthemicrocontrollerwillallowthepersoninside.
RFIDReaderModule,arealsocalledasinterrogators.TheyconvertradiowavesreturnedfromtheRFIDtagintoaformthatcanbepassedontoControllers,whichcanmakeuseofit.RFIDtagsandreadershavetobetunedtothesamefrequencyinordertocommunicate.RFIDsystemsusemanydifferentfrequencies,butthemostcommonandwidelyusedReaderfrequencyis125KHz.
第一章设计要求和目的
1.设计要求
1）可实现步进电机起停控制，一键实现；
2）可实现步进电机正反转控制，一键实现；
3）可实现步进电机步数控制，分别按不同的键来控制步数，步数分别为3、6、9、12、15、18、21、24、27步
4）要可以实现自锁功能，当键按下后，键盘上锁，不进电机不接受步数输入，也不会转。
5）电机运转要有正转反转指示灯。
6）电机在运转过程中，如果过热，则电机停止运转，同时红色指示灯亮，同时警报响。
本题目的关键之处是：
如何生成控制步进电机的脉冲序列。
2.设计目的
1）了解步进电机的内部结构
2）掌握步进电机的转动以及三相单三拍的运动原理
3）掌握步进电机的接口与控制
4）掌握单片机的内部结构，输出接口以及控制原理
第二章设计方案论证
设计方案
本系统中89C51作为控制系统的核心，用按键分别实现步进电机开关的起停、正反转以及速度控制，步进电机类型为三相四线（5V），工作于单双拍混合方式，采用单片机外围接口来驱动其工作。
整体设计以模块划分为主，硬件、软件相结合，分模块进行设计和调试，最后将各个模块衔接起来。
方案论证
本设计采用51单片机AT89C51（晶振频率为12MHZ）对三相四线制步进电机进行控制。
通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号从P0口输出来控制步进电机。
电动机的步数控制通过P1口和P3.0口控制，由矩阵开关来输入。
步进电机的运转由P3.1口控制，当开关闭合电机运转。
步进电机的正转和反转由P3.2和P3.3来控制，当P3.2闭合时，可以实现电机的正转。
当P3.3闭合时可以实现步进电机的反转。
第三章步进电机概述
3.1步进电机的组成
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。
通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。
控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。
控制步进电机的速度，即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。
同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
3.2步进电机的旋转原理
步进电机的转子上均匀地分布着40个齿，齿间（齿距）夹角为9°（360°/40）,定子上有6个大齿，相差180°的两个大齿组成一相，共有A、Ｂ、Ｃ三相。
每个大齿上有若干个与转子上一样的小齿。
定子的每一相都有励磁绕组。
1．三相三拍运行方式
（1）当A相通电时，B相、Ｃ相不通电：
A相定子上的齿与转子上的齿对齐（通电后磁场力作用的结果），迫使电机旋转3°；B相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿3°；C相定子上的齿顺时针超前转子上相应的齿6°。
（2）当B相接通电时，A相、C相不通电：
B相齿对齐，电机旋转3°；C相超前3°Ａ相超前６°
（3）当C相通电时，B相、A相不通电。
C相齿对齐，电机旋转3°；A相超前3°；Ｂ相超前6°
因此，如果定子A、B、C三相按A→B→C→A的顺序依次通电，则步进电机将不断地按顺时针方向转动。
每一次通电转３°，每三次通电才走完一个齿距，因此叫三相三拍。
如果把顺时针叫正转，那么当通电顺序按A→C→B→A进行时，则电机反时针旋转，叫反转。
可见控制步进电机正转反转只是三相绕组通电顺序不同而已。
3.3步进电机的特点
1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2．步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。
在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数：
空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下，启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
第四章硬件的设计
4.1单片机系统设计
本系统中采用单片机作为微控制器。
其片内资源有32个并行I/O口，5个中
断源，包括2个16位定时器，2个外部中断和一个串行中断。
4.2系统复位电路
复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，即可使单片机复位。
除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱死锁状态，也需要按复位键重新复位。
在系统中，为了实现上述的两项功能，常采用的按键电平复位电路，如图5所示。
图5按键电平复位电路
从图中可以看出，当系统得到工作电压的时候，复位电路工作在上电自动复位状态，通过外部复位电路的电容充电来实现，只要Vcc的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位功能。
在本系统中，采用10uF的电容和10kΩ的电阻来实现复位电路。
当系统出错时，直接按开关实现模拟系统上电复位的功能，从而实现系统重新复位启动。
4.3时钟电路
时钟电路是用于产生单片机工作时所必需的时钟信号。
时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地一拍一拍地工作。
时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
在本系统中采用内部时钟方式的电路，如图6所示。
图6时钟电路
电路中的由于晶振为11.0592MHz，所以电容C1、C2典型值为30pF。
外接电容的值虽然没有严格的要求，但是电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性。
同时，在系统中采用11.0592MHz的晶体振荡器来产生时钟脉冲。
一方面，可以满足系统在设计时的机器周期的需要；另一方面，在进行串行口通讯的时候能够提供精准的通讯波特率。
4.4步进电机控制设计
本系统中我们用单片机的P0^0接步进电机的A端控制信号，P0^1接B的控制信号，P0^2接C的控制信号，P0^3接D的控制信号，步进电机工作于单双拍混合模式。
4.5按键设计
用矩阵按键来控制步进电机的步数，其输入到P1口，当按键按下，其相应的步数应得以实现。
步进电机的启动与停止收开关控制，其输入到P3.1口，正转开关输入到P3.2口，反转开关输入到P3.3口。
第五章软件设计
5.1软件选择单三拍的工作方式
单三拍的通电方式为A→B→C→A……，要想达到这个目的，只需依次向P1口输出如下控制字：
P1.2P1．1P1．0编码
（C相）（B相）（A相）
001（01H）A相通，B、C相断
010（02H）B相通，A、C相断
100（04H）C相通，A、B相断
要想控制步进电机反转，只需把输出的控制字的次序按：
01H（A）→04H（C）→02H（B）→01H（A）→组合即可。
5.2程序流程图
第六章设计总结与心得
课程设计总结
本次课程设计我们采用AT89C51单片机做了一个步进电机的控制系统。
通过这两周的努力我们学到了很多。
首先基本熟悉了MCS51系列单片机的输入输出、外部中断、串行口中断等单片机的内部资源功能，熟悉并掌握了按键设计，和28BYJ—48类型步进电机的工作原理等。
经过进两周的课程设计，最大的感受就是“只要你想做，你就能做到”。
最初开始对步进电机的控制等方面可以说是一片空白。
但是后来经过慢慢的查找资料，分析资料和实验调试最终还是成功了。
另外就是实验过程中，难免会出现一些问题，比如说单片机不工作、电机不转等，遇到问题并不可怕，可怕的是不着手去解决问题。
我们仔细分析各个模块，不断测试发送和接收的数据终于将系统运行流畅了。
这两周我们不仅学到了相关专业知识，更学到了很多调试程序的经验和方法。
相信这次的成功会给增强我们以后做事的信心。
这次为期两周的课程设计，我们所做的是利用89C51设计步进电机控制电路。
其实步进电机的原理很简单，就是将给定的电脉冲信号转变成角位移。
在这次课程设计中，我所做的主要是硬件电路设计。
软件方面，主要就是我们的组长了。
在后来，我也在组长他们的帮助下对程序有所掌握。
因为编写程序是需要长时间积累的，所以我想我很难独立完成的。
这是我们在学习单片机后第一次近距离接触单片机，通过这次实践，我们终于可以将理论与实践相结合进而更好地去理解掌握课本知识。
在整个课程设计的过程中，我感觉我们这个团队真得太重要了。
尽管可能每个人在其中的作用有轻有重，但是我们相信如果我们失去其中任何一位，我们将不会这么顺利地完成这次课设任务的。
很珍惜这次团结协作的机会，我们非常开心。
总之来说，我们的这次课题设计是很成功的，我们成功的实现了单片机控制步进电机的步数控制，控制步进电机的正反转。
同时也理解了怎样合作，怎样组合。
我们队的人员都无私的奉献，积极的互相帮助，我相信我们通过这次的合作不仅仅收获到知识，更正要的是团队合作，因为我们以后的工作可能会很注重团队合作，因此我们的这次设计为我们以后的工作打下了很好的基础。
参考文献
[1]谢辉.单片机原理及应用.[M]北京：
化学工业出版社,2010.8
[2]刘海宽.单片机实验与实训教程.[M]南京：
东南大学出版社，2009.1
[3]楼然苗等.51系列单片机设计实例.[M]北京：
北京航空航天大学出版社，2003.3
[4]周向红.51系列单片机应用与实践教程.[M]北京：
北京航空航天大学出版社，2008
[5]张志良.单片机原理与控制技术.第2版.北京：
机械工业出版社，2005
[6]李光飞，楼然苗等.单片机课程设计实例指导.北京：
清华大学出版社，2004
附录A
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitStart=P3^2;//开始键
sbitzz=P3^3;//正转键
sbitfz=P3^4;//反转键
unsignedcharcodeF_Rotation[4]={0x08,0x10,0x20,0x40};
unsignedcharcodeB_Rotation[4]={0x40,0x20,0x10,0x08};
voidDelay（unsignedinti）//延时
{
while（--i）;
}
voidDelay_1ms（uinti）//延时程序
{
ucharx,j;
for（j=0;jfor（x=0;x<=148;x++）;
}
voiddelay（）
{
inti,j;
for（i=0;i<=10;i++）
for（j=0;j<=2;j++）
;
}
voidDelay1（uintdel）
{
uinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<1827;j++）
;
}
ucharKeyscan（void）//按键程序
{
uchari,j,temp,Buffer[4]={0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
for（j=0;j<4;j++）
{
P1=Buffer[j];
delay（）;
temp=0x01;
for（i=0;i<4;i++）
{
if（!
（P1&temp））
{
return（i+j*4）;
}
temp<<=1;
}
}
}
voidmain（）//主函数
{
uchari;
uintb,a=0;
while
（1）
{
P1=0xf0;
if（P1!
=0xf0）
{
Delay_1ms（15）;//按键消抖
if（P1!
=0xf0）
{
b=Keyscan（）;读键值
}
}
a=32*b;//设置步进电机的步数，一圈为64步
if（fz==0）//是否为反转
{Delay1
（2）;
if（fz==0）
{while（a--）
{
for（i=0;i<4;i++）
{
P0=F_Rotation[i];//反转
Delay（500）;
}
}
}
}
elseif（zz==0）
{Delay1
（2）;
if（zz==0）//是否为正转
{while（a--）
{
for（i=0;i<4;i++）
{
P0=B_Rotation[i];//反转
Delay（500）;
}
}
}
}
if（a==0）//步数是否转完
{
return;//转完返回
}
}
}
附录B
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