步进电机角度控制设计之欧阳历创编文档格式.docx
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同时我们可以通过P2口控制ULN2003A驱动电动机运行。
我们可以将整体电路设计成几个相对独立而又有机结合的模块，来逐一进行分析。
通过分析我们可以画出系统图，如图2-1所示。
图2-1系统图
3系统硬件部分
3.1主控模块
3.1.1AT89C51芯片
本次设计是使用AT89C51作为主控芯片，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。
89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51的40个引脚主要有一下几种
（1）VCC：
供电电压。
（2）GND：
接地。
（3）P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
（4）P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
（5）P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（6）P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口还有其他一些特殊功能，本事设计没有使用，故在此不做叙述。
（7）RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
（8）ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
（9）/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（10）/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间为外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器读取外部ROM数据。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，单片机读取内部程序存储器。
（扩展有外部ROM时读取完内部ROM后自动读取外部ROM）。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
（11）XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（12）XTAL2：
来自反向振荡器的输出
图3-1AT89C51芯片
3.1.2时钟电路及复位电路
在本次课程设计中，我们用到AT89C51单片机。
而他需要一些特定的控制电路的控制才能更好地工作。
具体到本次课设中，我们需要时钟电路、防抖电路、复位电路等。
如图3-2所示是我们的时钟电路，由电容C1、C2以及晶振组成。
图3-2时钟电路
如图3-3所示是我们的复位电路。
图3-3复位电路
3.2键盘输入模块
在微机化仪器仪表中，键盘是最常用的一种输入设备，用于输入数据和命令。
键盘的每一个按键都被赋予一个代码，称为键码。
键盘系统的主要工作包括及时发现有键闭合，求闭合键的键码。
根据这一过程的不同，键盘可以分为两种，即全编码键盘和非编码键盘。
全编码键盘多是商品化的计算机输入设备，自动提供对应于被安检的ASCII码，且能同时产生一个控制信号通知微处理器。
此外，这种键盘具有处理抖动和多键串键的保护电路，具有使用方便、价格较贵、体积较大、按键较多等特点。
非编码键盘恰如一组开关，一般组成行和列矩阵。
其全部工作过程，如按键的识别、键的代码获取、防止串键及消抖等问题，都靠程序完成。
因此，它所需要的硬件少，价格便宜，一般作为单板机、智能仪表等简单的输入设备。
键盘电路常用的有两种，一种是独立式键盘电路，另一种是矩阵式键盘。
独立式键盘每个按键独占一根I/O线。
因此键识别软件非常简单。
对于只有几个按键的系统，常采用这种电路。
对于多按键系统来讲，这种电路忧郁将占用更多的I/O线而变得无法实用。
矩阵式键盘电路将I/O口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这就构成了行列式键盘。
行列式键盘中按键的数量可达行线数n乘以列线数m。
由此可以看到行列式键盘在按键较多时，可以节省I/O线。
按键开关的两端分别接在行线和列线上。
行线通过一个电阻接到+5V电源上，在没有键按下时，行线处于高电平状态。
判断是否有键按下的方法是：
向所有的列线I/O口输出低电平，然后将行线的电平状态读入累加器中，若无键按下，行线仍保持高电平状态，若有键按下，行线至少应有一条为低电平。
当确定有键按下后，即可进行求键码的过程。
其方法是：
依次从一条列线上输出低电平，然后检查各行线的状态，若全为高电平，说明闭合键不在该列；
若不全为1，则说明闭合键在该列，且在变为低电平的行的交点上。
在键盘处理程序中，每个键都被赋予了一个键号，由从列线I/O口输出的数据和从行线I/O口读入的数据可以求出闭合键的键号。
图3-4键盘模块原理图
3.3电机模块
3.3.1步进电机结构及工作原理
步进电机又叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模转换器。
在开环数字程序控制系统中，输出控制部分常采用步进电机作为驱动元件。
步进电机控制线路接受计算机发来的指令脉冲，控制步进电机作为驱动元件。
步进电机控制线路接收计算机发来的指令脉冲，控制步进电机做相应的转动。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由8086通过8255A产生。
此次设计采用四相式步进电机。
图3-5步进电机励磁线圈
（1）步进电机工作原理说明
步进电机由转子和定子组成。
转子由一个永久磁铁构成，定子分别由四组绕组组成。
步进电机组成和电气连接分别如图3-6和3-7所示。
图3-6转子和定子示意图图3-7电气连接示意图
当S1连通电源后，定子磁场将产生一个靠近转子为N极，远离转子为S极才磁场，这样的定子磁场和转子的固有磁场发生作用，转子就会转动，正确地S1、S4的送电次序，就能控制转子旋转的方向。
例如：
若送电的顺序为S1闭合
断开
S2闭合
S3闭合
S4闭合
断开，周而复始的循环，在定子和转子共同作用下，电机就瞬时针旋转：
若送电的顺序为S4闭合
S1闭合
断开，周而复始的循环，则电机就逆时针旋转，原理同理。
3.3.2电机驱动ULN2003A简介
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。
ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
ULN2003A管脚如图3-8所示。
图3-8ULN2003A管脚图
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。
它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。
ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许
通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。
用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。
采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。
通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。
由于ULN2003有这些特点，所以经常作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。
ULN2003A内部结构如图3-9所示。
图3-9ULN2003A内部结构图
图3-10电机模块原理图
3.4显示模块
数码管是数码显示器的俗称。
常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。
译码和数码显示电路是将数字钟和计时状态直观清晰的反映出来，被人们的视觉器官所接受。
显示器件采用七段数码管。
在译码显示电路输出的驱动下，显示出直观、清晰的数字符号。
本设计所采用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。
半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型，共阳极数码管的七个发光二极管的阳极连在一起，而七个阴极则是独立的。
共阴极数码管与共阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极连在一起，而阳极是独立的。
当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。
共阴极数码管则需要输出高电平有效的译码器去驱动。
七段显示数码管的外部引线排列如图3-11，共阳极数码管结构示意图如图3-12所示。
图3-11数码管外引线排列
图3-12共阳极数码管结构示意图
在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。
动态显示方式是一位一位地分时轮流各位显示器，对每一位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次，形成动态显示。
图3.13显示模块原理图
4系统软件部分
4.1整体流程图及主程序
系统的整体软件流程图如图4-1所示
图4-1系统流程图
主程序如下：
voidmain（）//主函数
{
TMOD=0x01;
//T0工作方式1
TH0=0xd8;
//设初值，0.01秒触发一次
TL0=0xf0;
TR0=0;
//关闭T0定时器
ET0=1;
//允许T0定时器中断
EA=1;
//开启总中断允许
P2=0x03;
while
（1）
{
scan（）;
show（）;
if（num1==0）//若电机运行次数已达到设定值，则关时器
{//并将状态位置0
status=0;
}
}
4.2按键流程图及程序
按键流程图如图4-2所示
图4-2按键模块流程图
按键模块程序如下：
voidscan（）//按键扫描
if（START==0&
&
status==0）//开始键：
只有当电机不运行时才有效，且将状态位置1；
{//并开启定时器（电机重新开始转动）。
delay（10）;
if（START==0&
status==0）
status=1;
TR0=1;
//开定时器0
num1=num;
if（SET==0&
status==1）//停止键：
只有当电机运行是有效，将状态位置0；
{//并关闭定时器（电机停止转动）。
if（SET==0&
status==1）
//关定时器0
if（CLR==0&
status==0）//清零键：
只有当电机不运行时，清零键才有效
if（CLR==0&
P1=0;
P0=0xff;
sh=0;
if（k1==0&
status==0）//数字键1：
设置为3045。
只有当电机不运行时，数字键才有效
if（k1==0&
num=3;
num1=3;
bai=0;
shi=4;
ge=5;
sh=1;
key=1;
if（k2==0&
status==0）//数字键2：
设置为4090
if（k2==0&
num=4;
num1=4;
shi=9;
ge=0;
key=2;
if（k3==0&
status==0）//数字键3：
设置为5090
if（k3==0&
num=5;
num1=5;
if（k4==0&
status==0）//数字键4：
设置为6045
if（k4==0&
num=6;
num1=6;
if（k5==0&
status==0）//数字键5：
设置为7090
if（k5==0&
num=7;
num1=7;
4.3显示模块程序
由于使用的是4为数码管，每一位需要显示不同的数字，故让各位数码管按照一定的顺序轮流显示，只要扫描频率足够高，由于人眼的“视觉暂留”现象，就能连续稳定的显示。
程序如下：
voidshow（）//数码管显示
if（sh==1）
P1=0x01;
//显示第一位
P0=smg[num];
P1=0x02;
//显示第二位
P0=smg[bai];
P1=0x04;
//显示第三位
P0=smg[shi];
P1=0x08;
//显示第四位
P0=smg[ge];
4.4电动机模块流程图及程序
要是步进电机模块按一定方向转动，需要轮流给P2.0~P2.3口脉冲，故采用移位的方法实现，流程图如图4-3所示。
（X初始值为0x01，Y初始值为0x02）
图4-3电机模块流程图
电机模块程序如下：
voidmotor（）//电机运行
if（key==1）//每次转动角度为45度时
if（c%2==0）
x=_crol_（x,1）;
x=x|_crol_（x,4）;
else
y=_crol_（y,1）;
y=y|_crol_（y,4）;
c=c+1;
P2=x|y;
if（key==2）//每次转动角度为90度时
4.5中断程序
每次设计采用定时器来完成步进电机的转动速度，每次中断便是计数存储器加一，当计数存储器达到设定值时便使电机转动一次。
中断程序如下：
voidtime0（void）interrupt1//中断处理程序
clk++;
if（clk==100）//每一秒电机运转一次
clk=0;
num1--;
motor（）;
//调用电机运行程序
5仿真运行
（1）按下数字键后数码管显示数字
图5-1数码管显示
（2）按下开始键后，电机开始运行
图5-2电机运行图
（3）按下停止键后，电机停止运行
（4）按下清零键后，数码管被清零。
图5-3电机停止运转
6心得体会
在我们的大三即将结束的时候，我进行了《步进电机微型计算机角度控制系统的设计》。
总体来说，本次训练主要是针对《计算机控制技术》所学理论知识的检测以及对protues软件的学习和使用。
随着不断深入的学习，我感受到了这个软件的强大。
以前我们学习《计算机控制技术》，需要绞尽脑汁的计算分析各电路。
而使用这种方法，不但计算量大、分析不太准确、结果准确性差、费时费力，通过学习protues，并通过使用protues，非常方便准确的得到了仿真电路的正确连线方法以及最优化电路。
分析起来又快又准确。
大大促进了我们的学习效率。
这次课程设计不仅锻炼了我们的自学能力以及我自己的耐力。
而且我也深切的感受到了计算机控制技术在日常生活中的广泛应用，作为工科生我们更要加强理论联系实际，为以后成为一名技术人才奠定坚实的理论实践基础。
参考文献
[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京：
电子工业出版社，2009
[2]周润景.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真.北京：
北京航空航天出版社，2006
[3]陈伯石.电力拖动自动控制系统.北京：
机械工业出版社，2003.
[4]李光飞.单片机课程设计实例指导.北京:
北京航空航天出版社，2004
[5]陈光东.单片微型计算机原理与接口技术（第二版）.武汉：
华中科技大学出版社，1999
附录一：
Protues硬件仿真图
附录二：
系统程序
#include"
reg51.h"
intrins.h"
sbitk1=P3^0;
sbitk2=P3^1;
sbitk3=P3^2;
sbitk4=P3^3;
sbitk5=P3^4;
sbitSTART=P3^5;
sbitSET=P3^6;
sbitCLR=P3^7;
intsmg[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
intstatus=0,sh=0;
intnum,bai,shi,ge,num1,key=0;
intclk=0;
intc=0,x=0x1,y=0x2;
voiddelay（inta）;
voidscan（）;
voidshow（）;
voidmotor（）;
voiddelay（inta）//延时程序
inti,j;
for（i=a;
i>
0;
i--）
for（j=1000;
j>
j--）;
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