基于单片机控制的步进电机的研究设计Word格式.docx
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锅炉给粉机的原动机是直流电动机。
此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。
直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；
直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。
在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。
他们都是利用电和磁的相互作用来实现向机械能能的转换。
一、步进电机的工作原理
步进电机本质上是一个数字角度转换器。
以三相电机为例,其结构原理见图1。
各相夹角为120°
的定子磁极上均匀分布了5个矩形小齿,没有绕组的转子圆周上也均匀的分布着40个小齿（相邻齿夹角为9°
）。
利用电磁学的性质,在某相绕组通电时,相应的磁极产生磁场,与转子形成磁路如此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐,则在磁场作用下,转子就转动一定角度,达到齿的对齐。
在单三拍控制方式下,若A相通电,B、C相不通电,在磁场作用下使转子齿和A相定子齿相对假设此时为初态并且令与A相中心对齐的转子齿为0号齿,因为B相与A相相差120°
，可知120°
/9°
=133⁄9,不为整数,即此时转子齿与B相不对齐,只是13号齿靠近相的中心,且相差3°
。
如果此时突然变为B相通电,而A、C相都不通电,那么,13号齿会在磁场的作用下转到与相中心对齐的位置,这就是常说的走一步,此时,转子转了。
这样,按照A-B-C-A顺序通电次,可以使转子转动9°
那么步进电机的步距角Q=（360/NZ）°
（式中N=MC为运行拍数；
M为控制绕组相数；
C为状态系数,单三拍或双三拍时C=1,单六拍或双六拍时C=2为转子齿数）。
二、硬件系统
1、电路图
2、ULN2003
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，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，但独每个单元驱动电流最大可达350mA.资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。
比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。
ULN2003的作用：
ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。
可直接驱动继电器等负载。
输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。
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。
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引脚图及功能:
ULN2003是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。
经常在以下电路中使用，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。
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的封装采用DIP—16或SOP—16。
ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。
每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。
显示电路主要包括大型LED数码管BSI20-1（共阳极，数字净高12cm）和高电压大电流驱动器ULN2003，大型LED数码管的每段是由多个LED发光二极管串并联而成的，因此导通电流大、导通压降高。
ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，他具有7个独立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达500mA，导通时输出电压约1V，截止时输出电压可达50V。
ULN2003的1～7脚为信号输入脚，依次对应的输出端为16～10脚，8脚为接地端。
当驱动电源电压为+12V时，若要求数码管每段导通电流为40mA，则每段的限流电阻为50Ω。
则一块ULN2003恰好驱动一个LED数码管的7段。
大数码管采用共阳极接法，低电平有效。
锁存器输出的电平经NPN三极管9014反相后，再由ULN2003放大后推动大数码管显示.
3、AT89C51
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和闪速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。
AT89C51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。
外形及引脚排列如图所示。
主要特性
·
与MCS-51兼容
4K字节可编程FLASH存储器
寿命：
1000写/擦循环
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
特性概述
AT89C51提供以下标准功能：
4k
字节Flash
闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
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P0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外部必须接上拉电阻。
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。
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。
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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
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（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器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。
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。
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低位字节。
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。
/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。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
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，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
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内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内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。
三、软件系统
该系统采用多个模块的方式来实现对步进电机的控制。
控制模块采用单片机AT89S51来控制ULN2003驱动电机转动。
1.main
/************************************************************
*实例名称：
步进电机
*实例说明：
实现步进电机的正反转以及加减速控制，并在LCD屏上实时
显示步进电机的状态
*作者：
hzd
*时间：
14.01.10
************************************************************/
#include"
target.h"
key.h"
#defineMOTER_SPEED_NORMAL5//电机正常运行上限
#defineMOTER_SPEED_MIN15//电机低速运行下限
uchartimer0Count。
//timer0中断溢出计数
ucharmoterStep。
//电机步数（0x00~0x07）
uintmoterSpeed。
//速度值变化量（0~moterSpeedMax）
uintmoterSpeedMax。
//速度最快值
ucharmoterState。
//电机运行状态
ucharmoterDirect。
//电机运转方向,静止/0x00。
正转/0x01。
反转/0x02
ucharmoterAddReduce。
//电机加速及减速量
ucharspeedDirect。
//0x01,电机加速。
0x02,电机减速
bitdisplay_is_ok。
//显示屏是否需要更新
/**********************************************************
MOTER_STOP,停止。
MOTER_FRONT_ADD,正转加速
MOTER_FRONT_REDUCE,正转减速。
MOTER_FRONT_NORMAL,正转正常
MOTER_FRONT_LOWER,正转低速。
MOTER_QUEEN_ADD,反转加速
MOTER_QUEEN_REDUCE,反转减速,MOTER_QUEEN_NOMAL,反转正常
MOTER_QUEEN_LOWER,反转低速
***********************************************************/
voidmain（）
{
ucharkeyValueRead。
target_init（）。
moterState=MOTER_STOP。
timer0Count=0x00。
moterAddReduce=0x00。
moterStep=0x00。
moterSpeed=0x00。
moterSpeedMax=0x00。
//默认停止
moterDirect=0x00。
moter_state_display（MOTER_STOP）。
display_is_ok=1。
sei（）。
while
（1）
{
keyValueRead=get_key_value（）。
switch（keyValueRead）
caseKEY_FRONT:
//正转
moterState=MOTER_FRONT_LOWER。
moterDirect=0x01。
moterSpeedMax=MOTER_SPEED_MIN。
display_is_ok=0。
//moter_state_display（MOTER_FRONT_LOWER）。
break。
}
caseKEY_QUEEN:
//反转
moterState=MOTER_QUEEN_LOWER。
moterDirect=0x02。
//moter_state_display（MOTER_QUEEN_LOWER）。
caseKEY_ADD:
//加速
speedDirect=0x01。
moterAddReduce=100。
if（moterDirect==0x01）//正转
moter_state_display（MOTER_FRONT_ADD）。
elseif（moterDirect==0x02）
moter_state_display（MOTER_QUEEN_ADD）。
caseKEY_REDUCE:
//减速
speedDirect=0x02。
moter_state_display（MOTER_FRONT_REDUCE）。
moter_state_display（MOTER_QUEEN_REDUCE）。
caseKEY_STOP:
//停止
moter_state_display（MOTER_STOP）。
display_is_ok=1。
default:
break。
if（display_is_ok==0）//判断LCD内容是否需要更新
switch（moterSpeedMax）
caseMOTER_SPEED_NORMAL:
if（moterDirect==0x01）
moter_state_display（MOTER_FRONT_NORMAL）。
moter_state_display（MOTER_QUEEN_NOMAL）。
caseMOTER_SPEED_MIN:
moter_state_display（MOTER_FRONT_LOWER）。
moter_state_display（MOTER_QUEEN_LOWER）。
}
voidtimer0_overflow（void）interrupt1//timer0定时10ms
TH0=-500/256。
//定时10ms
TL0=-500%256。
if（speedDirect==0x01）//如果为加速
if（moterSpeedMax>
MOTER_SPEED_NORMAL）
moterSpeedMax--。
//最大加速到正常值
else
speedDirect=0x00。
//已经加速到正常值，不再加速
elseif（speedDirect==0x02）
if（moterSpeedMax<
MOTER_SPEED_MIN）
moterSpeedMax++。
if（moterSpeed<
moterSpeedMax）
moterSpeed++。
if（moterDirect==0x01）//正转
if（moterStep>
0x00）
moterStep--。
moterStep=0x07。
elseif（moterDirect==0x02）//反转
if（moterStep<
0x07）
moterStep++。
ground（moterStep）。
2.target
#defineTARGET_GLOBAL1
dot.h"
voidtimer0_init（void）
TMOD|=0x01。
//MODEL1,timer
TH0=0xDC。
//定时10ms
TL0=0x00。
ET0=1。
//中断使能
TR0=1。
//关闭定时器0
voidtarget_init（void）
timer0_init（）。
Lcd_Initial（）。
/************************************************
*函数名称：
display_head（void）
*函数功能：
显示“步进电机运行状态”字样
*函数入口：
无
*函数出口：
************************************************/
voiddisplay_head（void）
uchari,temp。
temp=0x00。
for（i=0。
i<
8。
i++）
Lcd_Character_16X16（1,10,temp,MOTER_HEAD[i]）。
temp+=16。
display_state（state）
显示电机状态“停止”,“正转”,“反转”
state,电机状态
*说明：
state:
0x
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