四相步进电机控制报告.docx
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四相步进电机控制报告
化工学院课程设计说明书
四相步进电机控制
FourPhaseSteppingMotorControl
学生学号：
学生：
专业班级：
电信0802
指导教师：
起止日期：
2011.03.28～2011.04.15
化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
课程设计任务书
一、设计题目四相步进电机控制
二、设计目的
1、掌握步进电机控制方法；
2、掌握A/D转换原理；
3、掌握ADC0809、L298、TLP521-4等应用；
4、初步掌握用电路图软件绘制电路原理图方法。
三、设计任务与要求
（一）基本要求
1、熟悉A/D转换、数码管动态显示、步进电机控制电路
2、熟悉并说明所用芯片功能
3、熟悉构成电路的各元件功能
4．画出四相步进电机控制电路图
5、用硬件四相步进电机电路（用实验板焊接电路）
6、技术指标：
实现电机启、停、正转、反转、电压调速功能。
.
（二）发挥与创新
1、实时显示电机转速2、显示电机转动圈数
四、设计时间与进度安排
设计时间共三周（11.03.28-11.04.15）具体安排如下表
周安排
设计容
设计时间
第一周
查阅资料元件测试、电路设计
03.28-04.02
第二周
电路焊接、软件编程、系统设计
04.6-04.08
第三周
编写课程设计说明书答辩教师评定成绩
04.11-04.15
五、指导教师评语与学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师（签字）:
第1章课程设计的目的和意义
1.1课程设计的目的
课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。
通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（论文）奠定基础。
1、进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；
2、培养学生实践动手能力与独立分析和解决工程实际问题的能力；
3、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨的工作作风。
4．有利于基础知识的理解，消化课堂所讲解的容；逐渐培养学生的编程能力、用计算机解决实际问题的能力。
5．有利于逻辑思维的锻炼，有利于治学态度的培养。
1.2课程设计的意义
本次设计包括软件和硬件上的调试。
我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。
在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。
一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。
对于本系统中的程序，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。
因此在整个设计过程部分时间是用在程序上面的。
很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。
因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。
另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。
因此非常感老师的教导。
通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。
第2章步进电机
2.1步进电机简介
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
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。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
步进电机分三种：
永磁式（PM），反映式（VR）和混合式（HB）
永磁式步进电机通常是两相，转矩和体积较小，步进角通常是7.5度或15度；
反映式步进电机通常是三相，可实现大转矩输出，步进角通常是1.5度，但噪声和振荡都很大。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反映式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角通常是1.8度而五相步进角通常是0.72度。
目前这种步进电机的应用最为广泛。
2.2四相步进电机介绍
四相步进电机采用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，就能使步进电机步进转动。
下图是四相反应式步进电机工作原理示意图。
图2-2四相步进电机步进示意图
开始时，开关sb接通电源，sa、sc、sd断开，b相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和c、d相 绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和d、a相绕组磁极产生错齿。
当开关sc接通电源，sb、sa、sd断开时，由于c相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和c相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和a、b相绕组产生错齿，2、5号齿就和a、d相绕组磁极产生错齿。
依次类推，a、b、c、d四相绕组轮流供电，则转子会沿着a、b、c、d方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如下图.a、b、c所示：
a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍
图2-2步进电机工作时序波形图
第3章元器件介绍
3.1STC89C52
3.1.1引脚图
图3-1STC89C52引脚图
3.1.2管脚说明
（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/地址的第八位。
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，这是由于部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
（5）P2口：
P2口为一个部上拉电阻的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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
（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，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。
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与部时钟工作电路的输入。
（12）XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
（13）振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片振荡器。
石晶振荡和瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.2ADC0809
ADC0809是8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。
其部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国应用最广泛的8位通用A/D芯片
3.2.1主要特性
（1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。
（2）具有转换起停控制端。
（3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
（4）单个＋5V电源供电
（5）模拟输入电压围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
（6）工作温度围为-40～＋85摄氏度
（7）低功耗，约15mW。
3.2.2部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，其部结构如图所示：
图3-2ADC0809部结构图
3.2.3外部特性
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。
下面说明各引脚功能。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC：
A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
3.2.4ADC0809的工作过程
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
转换数据的传送A/D转换后得到的数据应与时传送给单片机进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。
为此可采用下述三种方式。
（1）定时传送方式
对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。
（2）查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。
因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。
（3）中断方式
把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。
不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。
首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。
3.374LS02
3.3.174LS02的简介
74ls02是四2输入或非门.作用是二个输入的或运算,运算后反相输出的一种器件。
3.3.274ls02逻辑图：
图3-374ls02逻辑图
3.474LS74
3.4.174ls74简介
74LS74含两个独立的D上升沿双d触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（）复位输入（）、时钟输入（CP）和数据输出（Q、/Q）。
、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。
当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。
D触发器的状态方程为：
Qn+1=D
3.4.274LS74管脚图
图3-474ls74管脚图
3.5L298N
3.5.1L298N介绍
L298N为15个管角的单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用L298N来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载（比如继电器，直流和步进马达）和开关电源晶体管。
部包含4通道逻辑驱动电路，其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V。
3.5.2L298N部逻辑图
图3-5L298部逻辑图
3.6光耦
3.6.1光耦介绍
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收与信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
光耦合器的主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备与微机接口中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。
3.6.2光耦结构图
图3-6光耦结构图
3.774LS247
3.7.174ls247工作原理
（1）集电极开路输出的BCD——七段译码器/驱动器
（2）输出端（a-g）为低电平有效，可以直接驱动指示灯或共阳数码管
（3）当要求输入0-15时，消隐输入（/BI）应为高电平或开路，，对于输出0时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或开路。
（4）当BI为低电平，不管其他输入端为何状态，a-g均为截止态
（5）当/RBI和地址端（A-D）均为低电平，并且灯测试（/LT）为高电平时，a-g均为截止态，脉冲消隐输出（/RBO）为低电平。
（6）当BI为高电平开路时，/LT的低电平可使a-g为低电平。
3.7.274ls247芯片引脚
图3-774ls247芯片引脚
3.8数码管
3.8.1数码管（共阳）资料
按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管，共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
3.8.2数码管管脚图
图3-8数码管引脚图
数码管使用条件：
段与小数点上加限流电阻
使用电流：
静态：
总电流80mA（每段10mA）；动态：
平均电流4-5mA，峰值电流100mA
注意事项：
（1）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引脚。
（2）焊接温度：
260度，焊接时间：
5S。
（3）表面有保护膜的产品，可以在使用前撕下来。
共阳极数码管就是把所有LED的阳极连接到共同接点com，而每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g与dp（小数点）
第4章电路设计
4.1总电路框图
图4-1总电路框图
4.2A/D转换电路
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
图4-2A/D转换电路
4.3显示电路
本模块由74LS247芯片和八段数码管组成。
其中74ls247芯片的7、1、2、6脚连接到单片机的p1.0~p1.3口，其13、12、11、10、9、15、14脚分别经过限流电阻接到数码管的a~g端。
数码管的一个公共端经三极管连接到单片机的p1.4~p1.7口。
图4-3数码显示电路
4.4电机驱动电路
本模块中采用集成驱动芯片L298N作为电机驱动的核心，L298N是恒压恒流双H桥集成电机芯片，可同时控制两个电机，且输出电流可达到2A，驱动力很强。
因为在本设计中我们使用的是四相步进电机，所以L298N完全符合要求。
为防止电机转动中对单片机产生干扰，在单片机和L298N之间加上光耦，使光电隔离。
其电路原理如下图所示：
图4-4电机驱动电路
第5章程序设计
5.1流程图
图5-1程序框图
5.2实物图
图5-2作品实物图
结论
（1）这次实习过程中，我们的主要任务是利用单片机设计并实现电机启、停、正转、反转、电压调速功能，同时利用A/D转换来显示电机的工作过程中的转速。
实习小组通过电路板的焊接过程对各种元器件组合成功实现了实习任务中的各种要求，实现电机的转速在0~~3000之间的变换，并利用A/D显示电路予以显示，基本上完成了实习老师的要求。
（2）课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。
（3）回顾起此次单片机课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说三极管PNP管脚不懂怎么放置，不懂分得二极管的正负极，对单片机汇编语言掌握得不好……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
（4）这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在郝富春老师的辛勤指导下，终于游逆而解。
同时，在郝富春老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感！
同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感！
（5）通过此次实习我们进一步了解了实验室中各种元器件的主要功能与其特点，为以后出去工作接触更多的元件打下良好的基础。
（6）此次的实习实验容——《四相步进电机》通过用C52单片机，A/D，光耦等的综合运用，让我们将平时在课堂上学到的专业知识结合实际，既有助于我们对知识的积累，同时也帮助我们认识到本专业对于动手能力的要求，有助于在以后的学习过程中更加侧重于动手能力的培养。
（7）同时实习期间我们的小团体相互帮助，仔细认真的完成电路板任务，这段期间我们深深地体会到了合作的强大力量。
参考文献
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中国铁道，2009.2
附录
附录１
附录２
源程序：
#include
#defineucharunsignedchar
sbitwr=P3^6;
sbitrd=P3^7;
sbitK1=P2^4;
sbitK3=P2^5;
sbitK4=P2^6;
uchark,t,t1,t2;ucharqian,bai,shi,ge;
unsignedlongintk0;
voiddelay1（uchari）
{
ucharj;
while（i--）
for（j=0;j<110;j++）
;
}
voidinti（）
{TMOD=0x11;
TH0=（65536-200）/256;
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