基于51单片机的步进电机控制设计报告说明书及源程序.docx
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基于51单片机的步进电机控制设计报告说明书及源程序
南京XX大学
指导老师：
张X
课程设计
基于51单片机的步进电机控制
机械电子工程学院
测控技术与仪器
XXXXX
Xxx
2012年1年4日
步进电机控制系统
［摘要］本课程设计的内容是利用51单片机，达到控制步进电机的启动、停止、正转、反转、两档速度和状态显示的目的，使步进电机控制更加灵活。
步进电机驱动芯片采用ULN2803，ULN2803具有大电流、高电压，外电路简单等优点。
利用四位数码管增设电机状态显示功能，各项数据更直观。
实测结果表明，该控制系统达到了设计的要求。
关键字：
步进电机、数码管、51单片机、ULN2803
一步进电机与驱动电路
1.1什么是步进电机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
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（及步进角）。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以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。
1.2步进电机的种类
步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。
永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛。
1.3步进电机的特点
1．精度高一般的步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点
2．过载性好其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；
3．控制方便步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；
4．整机结构简单传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。
1.4步进电机的原理
图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。
这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。
线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。
八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。
图1
它的工作过程是这样的：
当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。
为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。
在图1（a）中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。
从这个位置再对B相进行激励，如图1中的（b），转子向反时针转过15°。
若是D相被激励，如图1中的（c），则转子为顺时针转过15°。
下一步是C相被激励。
因为C相有两种可能性：
A—B—C—D或A—D—C—B。
一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。
但每步都使转子转动15°。
电机步长（步距角）是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。
改变控制绕组数（相数）或极数（转子齿数），可以改变步长的大小。
它们之间的相互关系，可由下式计算：
Lθ＝360P×N
式中：
Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。
在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。
1.5步进电机的驱动
混和步进电机的工作原理
在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。
但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。
但结构上稍有不同。
例如它的转子嵌有永磁铁。
激励磁通平行于X轴。
一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。
或者接成两个三端形式，如图2b所示。
每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。
图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。
它的驱动电压是固定的。
表1列出了全部步进开关的逻辑时序。
步数
Q1
Q2
Q3
Q4
1
1
0
1
0
2
1
0
0
1
3
0
1
0
1
4
0
1
1
0
5
1
0
1
0
表1
二方案设计与论证
2.1键盘设计
该系统中只运用到三个控制按钮，即“正反”，“换挡”，“启停”，由于按钮较少，所以采用独立键电路，这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单，更使人易懂。
2.2显示电路设计
如图2.31，采用LED数码管动态显示数据与个项参数，方法简单，容易控制，成本低。
设计如下图
图2.31
2.4驱动电路设计
驱动电路可分为：
三极管直接驱动（图3），采用斩波恒流驱动方式（图2.41）和芯片驱动电路等。
驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。
本电路采用驱动芯片ULN2803。
ULN2803是一种大电流高电压型器件，外电路简单（图2.42）。
图2.41
图2.42
三电路设计
3.1、设计要点和软硬环境
1、步进电机的设计要点和软硬件环境
步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。
即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。
步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。
硬件方法是采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制；而软件方法是用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方法可简化电路，降低成本。
在用软件控制时，主要设计要点如下：
判断旋转方向；
按相序确定控制字；
按顺序输入控制字；
确定控制步数和每一步的延时时间。
由于单片机的驱动电流一般都比较小，不能直接驱动电机工作，所以单片机的I/O口输出必须接驱动电路，即功率驱动，才得以控制电机正常工作。
控制框图如下图所示：
（2）、相关参数设定：
这里采用四相六线步进电机，这款步进电机的驱动电压12V，步进角为7.5度.一圈360度,需要48个脉冲完成。
其相序A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。
所以其正转控制脉冲为：
01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h；反转控制脉冲为：
01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。
单片机的晶振为12MHZ；
（3）、系统电路图：
一、单片机最小系统的硬件原理接线图：
1、接电源：
VCC（PIN40）、GND（PIN20）。
加接退耦电容0.1uF
2、接晶体：
X1（PIN18）、X2（PIN19）。
注意标出晶体频率（选用12MHz），还有辅助电容20pF
3、接复位：
RES（PIN9）。
接上电复位电路，以及手动复位电路，分析复位工作原理
4、接配置：
EA（PIN31）。
说明原因。
二、单片机内部I/O部件：
（所为学习单片机，实际上就是编程控制以下I/O部件，完成指定任务）
1、四个8位通用I/O端口，对应引脚P0、P1、P2和P3；
2、两个16位定时计数器；（TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1）
3、一个串行通信接口；（SCON，SBUF）
4、一个中断控制器；（IE，IP）
根据以上的方案比较与论证确定总体方案，确定硬件原理图。
原理图如下：
图10
3.2主要器件资料
AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000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，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C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。
·与MCS-51兼容·4K字节可编程FLASH存储器
·数据保留时间：
10年·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定 ·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器
·5个中断源 ·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路
·寿命：
1000写/擦循环
ULN2803步进电机控制器
ULN2803是一种大电流型高电压器件,步进电机控制器。
内部电路如图11
图11
四系统软件设计
4.1程序流程图4.1
图4.1
4.2程序设计
根据要求，可以将程序分为以下几个部份：
（1）键盘输入程序设计
本系统使用的键盘较少，因此采用独立式键盘接口设计。
独立式键盘适用于按键数量较少的场合。
独立键盘工作原理：
通过上拉电阻接到+5V上。
无按键，处于高电平状态，有键按下电平为低。
在消除抖动影响上是可以采用了软件消抖方法：
在第一次检测到有键按下时，执行一段延时子程序后（约5ms），再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。
（2）步进电机运行步数控制程序
此方案采用单相和双相交差通电处理方式。
此方法具有运行速度稳定，运行步数准确无误等优点。
第五章调试总结
5.1操作控制：
本电路经调试符合题目要求，各项技术指标均达到设计的目的。
具体操作控制方法如下：
1、当电机启停按钮时，步进电机根据制定默认状态开始转动；
2、当电机再启停按钮时，步进电机停止转动；
3、当电机换挡按钮时，步进电机速度快速转动；
4、当电机再换挡按钮时，步进电机速度缓慢转动；
5、当电机正反按钮时，步进电机反转；
6、当电机再正反按钮时，步进电机正转；
5.2设计过程中遇到的主要问题以及解决办法
1、仿真时数码管显示有闪烁，在程序中多加上几次display（）函数即可。
2、步进电机在仿真调试的时候，出现往返转的情况，即不能正常转动，PROTEUS中的步进电机MOTOR-STEPPER，不知道具体型号，即不知道其内部接线结构，经过反复的调试，才得以解决问题。
在仿真调试成功的前提下，进行硬件调试的时候，出现步进电机不转的情况，这是因为仿真的步进电机和硬件的步进电机是两个不同的型号，不同步进电机所允许的最快转动速率是不同的，在设置延时程序的时间参数时，一旦超过此值，电机就不能启动。
所以硬件调试时，需要重新设置延时程序的时间参数，问题才得以解决。
3、第一次烧写程序时烧不进去，不知如何解决。
驱动也装好了，各方面都没问题就是不知道问题出在哪里。
5.3心得体会
步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。
本系统采用了软件方法，即用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方比采用硬件方法，即采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制，电路更加简单，成本更低。
在做本次设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计了。
为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的。
在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：
C语言、模拟和数字电路知识等。
虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。
设计结束了，但是从中得到的知识会让我受益终身。
发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。
此次设计更锻炼了我的毅力，我觉得做任何事情要善始善终，不要中途放弃，只要自己认真的去对待，再难的问题也能找到办法解决。
最后感谢张老师在我遇到困难时，给予我们的建议与鼓励。
附录一:
引用文献
1何丽民，《单片机初级教程》，北京航空航天大学出版社；
2沙占友，王彦朋，孟志永，《单片机外围电路设计》，电子工业出版社；
3童诗白，华成英，《模拟电子技术基础》，北京高等教育出版社；
4康华光，陈大钦，《电子技术基础》，北京高等教育出版社；
5黄继昌，张海贵，郭继忠，《实用单元电路及其应用》，人民邮电出社；
6谢宜仁，《单片机实用技术问答》，人民邮电出版社；
7张迎新《单片机初级教程——单片机基础》，北京航空航天大。
附录二：
单片机源程序
/********************************************************************
/*********************************/
/*AllCopyAight@2012黄继鹏*/
/*南京林业大学机械电子工程学院*/
/*********************************/
*************************我是分割线*********************************
P0口控制段选p1步进电机P2控制位选
独立键盘P3.0~P3.2
数码管的第一位为正反转标志位0：
正转1：
反转
数码管的第二位为速度标志位0：
单八拍1：
双四拍
数码管的第三位为开关标志位0：
关1：
开
*
*********************我还是分割线*********************************
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
voiddelay（uintxms）;//延时子函数
voidkeyscan（）;//键盘检测子程序
voiddisplay（）;
sbitkey1=P3^0;//正反转选择
sbitkey2=P3^1;//速度选择
sbitkey3=P3^2;//执行键
ucharzx,k,sudu,bu;
intn=0,m=4;
ucharcodetable[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
0x39,0x5e,0x79,0x71,};//数码管显示编码
/*****************************************************
*单双八拍工作方式：
*
*A-AB-B-BC-C-CD-D-DA（即一个脉冲,转3.75度）*
******************************************************/
ucharcodeFFZ[]={0x11,0x33,0x22,0x66,0x44,0xcc,0x88,0x99};//反转
ucharcodeFFW[]={0x99,0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0x33,0x11};//正转
/*****************************************************
*单四拍工作方式：
*
*A-B-C-D（即一个脉冲,转7.5度）*
******************************************************/
ucharcodeshuangz[]={0x88,0x22,0x44,0x11};
ucharcodeshuangw[]={0x11,0x44,0x22,0x88};
/*****************************************************
*单四拍工作方式：
*
*A-B-C-D（即一个脉冲,转7.5度）*
******************************************************/
//ucharcodedanz[]={0x88,0x22,0x44,0x11};
//ucharcodedanw[]={0x11,0x44,0x22,0x88};
voidmain（）
{
TMOD=0x01;
EA=1;
ET0=1;
TH0=-1000/256;
TL0=-1000%256;
TR0=1;
while
（1）
{
keyscan（）;
display（）;
//if（zx==1）qudong（）;
//if（x==0）zx=0;
}
}
voidkeyscan（）
{
if（key1==0）//正反转选择
{
delay（5）;
if（key1==0）
{
k++;
if（k==2）k=0;
while（!
key1）display（）;
}
}
if（key2==0）//速度选择
{
delay（5）;
if（key2==0）
{
sudu++;
if（sudu==2）sudu=0;
while（!
key2）display（）;
}
}
if（key3==0）//执行键
{
delay（5）;
if（key3==0）
{
zx++;
if（zx==2）zx=0;
while（!
key3）display（）;
}
}
}
voidtime0（）interrupt1
{
TH0=-1000/256;
TL0=-1000%256;
if（zx==1）
{
if（n>=m）
{
if（k==0）//步进电机正转
{
if（sudu==0）//八拍
{
{
for（bu=4;bu>0;bu--）
{
P1=FFZ[bu];
delay
（2）;
n=0;
display（）;
}
}
}
if（sudu==1）//双四拍
{
for（bu=4;bu>0;bu--）
{
P1=shuangz[bu];
//delay
（2）;
n=0;
display（）;
}
}
}
if（k==1）//步进电机反转
{
if（sudu==0）//八拍
{
for（bu=8;bu>0;bu--）
{
P1=FFW[bu];
delay
（2）;
n=0;
display（）;
}
}
if（sudu==1）//双四拍
{
for（bu=4;bu>0;bu--）
{
P1=shuangw[bu];
//delay
（2）;
n=0;
display（）;
}
}
}
}
n++;
}
elsen=0;
}
voiddelay（uintxms）
{
uinti,j;
for（i=110;i>0;i--）
for（j=xms;j>0;j--）;
}
voiddisplay（）//显示子函数
{
P0=table[k];//正反转标志位
P2=0x01;//选通第一位00000001
delay（3）;
P0=table[sudu];//速度标志位
P2=0x02;//选通第二位00000010
delay（3）;
P0=table[zx];//开关标志位
P2=0x04;//选通第二位00000100
delay（3）;
P2=0x00;
}
升级会员 