单片机课程设计 姜德财094154.docx

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单片机课程设计姜德财094154

课程设计（论文）

题目名称基于单片机的步进电机控制设计

课程名称单片机原理及应用

学生姓名

学号

系、专业电气工程系、09自动化

指导教师刘丽

2011年7月2日

邵阳学院课程设计（论文）任务书

年级专业

09自动化

学生姓名

姜德财

学号

0941202054

题目名称

基于单片机的步进电机控制设计

设计时间

2011年6月20日—2011年7月1日

课程名称

单片机原理及在电气测控学科中的应用

课程编号

121200105

设计地点

数字控制与PLC实验室（305）

一、课程设计（论文）目的

课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。

单片机课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象。

《单片机课程设计》是继《电子技术》、《电路》和《单片机原理与应用》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”、“单片机原理及应用”的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作，掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。

二、已知技术参数和条件

1、89C51系列单片机；

2、KEIL软件；Wave软件；

3、THKSCM-1型单片机实验系统。

三、任务和要求

1、查阅资料，了解步进电机的工作原理；

2、通过按钮可控制步进电机的启停；

3、通过按钮可控制步进电机的正反转；

4@其他功能（创新部分）。

注：

1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；

2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）

1、单片机课程设计指导，北京航空航天大学出版社，楼然苗等2007年7月

2、单片机实验与实践教程，北京航空航天大学出版社，何立民等2004年7月

3、童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:

高等教育出版社，2001.

4、THKSCM-1型单片机实验系统实验指导书、KEIL软件，WAVE软件

5、数字控制与PLC实验室”THKSCM-1型单片机实验系统”。

五、进度安排

2011年6月20日-21日：

收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求

2011年6月22日-23日：

总体方案设计

2011年6月24日-25日：

硬件电路设计

2011年6月26日-27日：

软件设计

2011年6月28日-29日：

系统调试改进

2011年6月30日：

整理书写设计说明书

2011年7月1日：

答辩并考核

六、教研室审批意见

教研室主任（签名）：

年月日

七|、主管教学主任意见

主管主任（签名）：

年月日

八、备注

指导教师（签字）：

学生（签字）：

邵阳学院课程设计（论文）评阅表

学生姓名姜德财学号0941202054

系电气工程系专业班级09自动化

题目名称基于单片机的步进电机控制设计课程名称单片机原理及在电气测控科学中应用

一、学生自我总结

两周的单片机课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学的知识，也让我对单片机的理论有了更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都是理想化后的结论，忽略了很多实际的因素，或者涉及的不全面，可在实际的应用时这些是不能被忽略的，我们不得不考虑这方面的问题，这让我们无法根据书上的理论就轻易得到预想中的结果，有时结果甚至很差别很大。

通过这次实践使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，我们在今后的学习工作中会更加的注重实际，避免成为只会纸上谈兵的赵括。

学生签名：

年月日

二、指导教师评定

评分项目

平时成绩

论文

答辩

综合成绩

权重

30

40

30

单项成绩

指导教师评语：

指导教师（签名）：

年月日

注：

1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；

2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。

目录

摘要I

1课题原理及意义1

1.1四相步进电机的工作原理1

1.2步进电机意义1

2控制系统硬件设计3

2.1基于单片机的步进电机控制方案3

2.2步进电机控制电路3

2.3单片机最小系统4

2.4步进电机驱动电路5

2.5数码管显示电路5

2.6硬件电路设计6

3控制系统的软件设计7

3.1主程序设计7

3.2定时中断设计8

3.3外部中断设计8

3.4源程序9

4仿真调试14

4.1proteus简介14

4.2访真结果14

5结束语17

参考文献18

摘要

步进电机是一种将电能转化为角位移的装置。

当它收到一个脉冲信号，步进电机就按设计的方向转动一个固定的角度。

步进电机控制系统以AT89C51单片机作为控制的核心元件，利用P1口控制步进电机，同时获取控制转动方向（即正、反转），P3口连接按钮开关，以选取不同档的移动速度，P0口与P2口连接数码显示管，以显示速度档，定时器0提供必要的时钟信号。

本课程设计报告通过步进电机的基本介绍、系统的软硬件设计（包括最小系统介绍、延时程序序设计、步进电机的驱动程序设计等几个主要模块）、完整的汇编语言程序等，我们完成了对步进电机系统的设计，并完成了相应的任务，如启停控制，正反转控制，加减速控制等，使我们进一步掌握了汇编语言，也使我们能很好的能把书本上的知识与实践相结合，大大提高了我们的动手能力。

关键词：

启停控制；加减速控制；正转；反转

1课题原理及意义

1.1四相步进电机的工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备----步进电机控制驱动器，本设计采用的电机为四相步进电机，它为单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。

当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。

（1）步进电机的起停控制

步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。

为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。

在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。

（2）步进电机的速度控制

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。

调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。

（3）步进电机的换向控制

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。

四相单四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB。

如果按反序通电换相，即AB→DC→CB→BA→AD，则电机就反转。

1.2步进电机意义

步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。

此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。

2控制系统硬件设计

2.1基于单片机的步进电机控制方案

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

作用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，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或前进、倒退一步。

2.2步进电机控制电路

根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图2.2所示。

通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。

当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P3.0和P3.1的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。

根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。

对于单片机而言，主要的方法有：

软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。

启停控制、正反转控制、加减速控制分析：

（1）K1为启/停控制开关，控制整个系统的开启和关闭。

（2）K2为正/反转控制开关，控制步进电机的转向。

（3）S2与S3控制步进电机的加减速，分别有五个档位可调。

图2.2控制电路原理图

2.3单片机最小系统

单片机最小系统或者称为最小应用系统，就是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机、复位电路、晶振电路。

复位电路：

使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。

复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用33PF的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。

如图2.3所示。

图2.3复位及时钟振荡电路图

晶振电路：

89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：

内部震荡方式和外部中断方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）就构成了内部晶振方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

内部振荡方式的外部电路如图2.3所示。

2.4步进电机驱动电路

通过ULN2003构成比较多的驱动电路，电路图如下所示。

通过89C51单片机的P1.0-P1.3输出脉冲到ULN2003的1B-4B口，经信号放大后从1C-4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。

电路如图2.4所示。

图2.4步进电机驱动电路图

2.5数码管显示电路

为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。

在显示电路中，主要是利用了单片机的P0口和P2口。

采用两个共阳数码管作显示。

正转时显示“1”，反转时显示“一”，不转时显示“0”。

第二个数码管用于显示电机的转速级别，共五级，即从1-5转速依次递增，“0”表示转速为零。

电路如图2.5所示。

图2.5显示电路图

2.6硬件电路设计

本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。

最小系统只要是为了使单片机正常工作。

控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。

显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。

驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。

硬件电路如图2.6所示。

图2.6总体设计图

3控制系统的软件设计

通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加、减速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断0和外部中断1部分。

其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。

面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。

3.1主程序设计

主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。

其中大多为系统初始状态的设置，该系统中，需要初始化定时器中断、外部中断0和外部中断1；对P1口送初值以决定脉冲的分配方式，速度值存储区送初值以决定步进电机的启动速度，方向值存储区送初值以决定步进电机旋转方向等。

主程序流程图如图3.1所示。

3.2定时中断设计

步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。

在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。

程序流程图如图3.2所示。

3.3外部中断设计

外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。

速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为原数据，当值等于5时，不改变原数值返回，小于5时，数据加1后返回；速度减少按钮S3，当原数据不为0，减1保存数据，原数据为0则保持不变。

程序流程图如3.3所示。

3.4源程序

SPEEDEQU10H;SPEED为转速等级标志，共5级，即1—5

FXEQU11H;FX为方向标志

COUNTEQU12H;COUNT中断次数标志

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0003H;外部中断0入口地址，加速子程序

LJMPUP

ORG0013H;外部中断1入口地址，减速子程序

LJMPDOWN

ORG000BH;定时器0中断入口地址，控制转速

LJMPZDT0

ORG0030H

MAIN:

MOVSP,#60H

MOVTMOD,#01H

MOVTH0,#0EFH

MOVTL0,#0FAH

MOVCOUNT,#01H

SETBET0;定时/计数器允许中断

CLRIT0;外部中断为电平触发方式，低电平有效

CLRIT1

SETBEX0;外部允许中断

SETBEX1

SETBEA

MOVR1,#11H

MOVSPEED,#00H

MOVFX,#00H

XIANS:

MOVA,SPEED

MOVDPTR,#LED

MOVCA,@A+DPTR;查表获取等级对应数码管代码

MOVP2,A;第二个数码管显示转速等级

MOVA,FX;准备判断转向

CJNEA,#11H,ELS

MOVP0,#0F9H;第一个数码管显示1，表示正转

LJMPQD

ELS:

CJNEA,#00H,ZHENG

MOVP0,#0C0H;第一个数码管显示0，表示不转

LJMPQD

ZHENG:

MOVP0,#0BFH;第一个数码管显示-，表示反转

QD:

JBP3.1,DD

CLRTR0;停止定时/计数器

MOVP0,#0FFH;第一个数码管显示0，表示不转

MOVP2,#0FFH;第二个数码管显示0，表示转速为0

MOVSPEED,#00H;重新赋初值

MOVFX,#00H

LJMPQD

DD:

MOVA,SPEED

JNZGO

CLRTR0;停止定时/计数器

LJMPQD

GO:

SETBTR0;开启定时/计数器

ACALLDELAY

LJMPXIANS

DELAY:

MOVR6,#10;延时子程序

DEL1:

MOVR7,#250

HERE1:

DJNZR7,HERE1

DJNZR6,DEL1

RET

;以下ZDT0为定时器中断程序

ZDT0:

PUSHACC

PUSHDPH

PUSHDPL

MOVTH0,#0EFH

MOVTL0,#0FAH

DJNZCOUNT,EXIT

JBP3.0,NIZHUAN;查询方向标志,P3.0接换向开关K2

MOVFX,#11H

NIZHUAN:

MOVA,FX

CJNEA,#11H,FZ

MOVA,R1;R1记录上一次电机脉冲状态

MOVP1,A

RRA;循环右一位

MOVR1,A

MOVP1,A

LJMPRE

FZ:

MOVA,R1

MOVP1,A

RLA

MOVP1,A

MOVR1,A

RE:

MOVA,SPEED

MOVDPTR,#TAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVCOUNT,A;把转速级别赋给COUNT

JBP3.0,FFX

MOVFX,#11H

LJMPEXIT

FFX:

MOVFX,#0FEH

EXIT:

POPDPL

POPDPH

POPACC

RETI

;以下UP为加速中断程序

UP:

PUSHACC

ACALLDELAY;延时防抖动

JBP3.2,UPEX

MOVA,SPEED

CJNEA,#5,SZ

LJMPUPEX;若A=5,则退出

SZ:

INCSPEED

UPEX:

POPACC

HERE2:

JNBP3.2,HERE2

RETI

;以下DOWN为减速中断程序

DOWN:

PUSHACC

ACALLDELAY

JBP3.3,DEX

MOVA,SPEED

CJNEA,#0,SJ

LJMPDEX

SJ:

DECSPEED

DEX:

POPACC

HERE3:

JNBP3.3,HERE3

RETI

TAB:

DB0,50,46,39,33,28

0123456789

LED:

DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,98H

END

4仿真调试

4.1proteus简介

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。

运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析数字电路、模拟电路、数模混合电路，是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。

可以对51 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及其外围电路进行仿真。

Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。

因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。

4.2访真结果

在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。

它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路情况。

下面为三种运行状态下的仿真电路图，分别为原始运行状态、反向运行状态、正向运行状态。

（1）原始运行状态

原始状态第一个数码管与你二个数码管都显示“0”，第一个数码管显示“0”

表示电转机还未转；第二个数码显示“0”表示电动机速度为零。

如图4.1所示。

图4.1原始数码管显示

（2）反向运行状态

反向运行一段时间后两个数码管显示了不同的值，第一个数码管显示“-”表示现在步进电机正处于反转状态，第二个数码管显示“3”表示此时步进电机的转速为设定的第三个值，也就是预设的第三级，通过加减速按钮能使正处于反转的步进电机转速在1-5档位之间变化。

如图4.2所示。

图4.2反向运行时数码管显示

（3）正向运行状态

正向运行一段时间后两个数码管也显示了不同的值，第一个数码管显示“1”表示步进电机现在正处于正转状态，第二个数码管显示“5”表示此时步时电机的转速为设定的第五个值，也就是预设的第五个等级，通过加减速按钮能使正处于正转的步进电机的转速在1-5档位之间变化。

如图4.3所示。

图4.3正向运行时数码管显示

5结束语

通过本次课程设计，我学到了许多书本上无法学到的知识，也深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。

不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣，让我对专业知识也有了更深的理解。

在本次课程设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，做课程设计的初期阶段，难度较大。

在设计基本完成时电机正反转还是不能能实现，通过求助，查找了问题的所在。

最后终于使步进电机转起来了。

最后，衷心感谢刘丽老师对我细心的指导，以及我们这个小组同学对我热心的帮助，使得我的课程设计能够顺利的完成，相信对我以后的课程设计和毕业设计将会有很大的帮助。

参考文献

[1]辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学[M].武汉：

华中科技大学出版社，2010.

[2]李朝青.单片机原理与接口技术[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2006.

[3]张克农.数字电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2003.

[4]胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2004

[5]候玉宝，陈忠平等.基于PROTEUS的51系列单片机设计与仿真[M].北京：

电子工业出版社，2008