基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)-單片機課程設計報告

1、微機原理與接口技術課程設計報告基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)學號 姓名 班級 2011級電子2班 華僑大學電子工程系摘要步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進電機可以直接用數(shù)字信號驅動，使用非常方便。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機控制。它的運行速度和步距不受電源電壓波動及負載的影響, 因而被廣泛應用于數(shù)模轉換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。本課程設

2、計以STC89C52單片機作為微控制器，使用混合式步進電機驅動芯片ULN2003AN進行驅動，實現(xiàn)了對步進電機運行狀態(tài)的簡單控制，并將其運行狀態(tài)用LCD1602液晶顯示。本次設計能實現(xiàn)的功能有電機運行、停止，設置運行圈數(shù)，調節(jié)轉速，電機正反轉，點動等。關鍵詞：STC89C52單片機，28BYJ-48步進電機，ULN2003AN驅動芯片，LCD1602顯示，電機控制，點動第一章 總體設計方案本次課程設計本課程設計以STC89C52單片機作為微控制器，使用混合式步進電機驅動芯片ULN2003AN進行驅動，實現(xiàn)了對步進電機運行狀態(tài)的簡單控制，并將其運行狀態(tài)用LCD1602液晶顯示。本次設計能實現(xiàn)的功

3、能有電機運行、停止，設置運行圈數(shù)，調節(jié)轉速，電機正反轉，點動等。系統(tǒng)流程圖如下：第二章 硬件原理一、 STC89c52單片機2.1、STC89c52芯片簡介STC89C52是一個低功耗,高性能CMOS 8位單片機,片內含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造,兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及STC89C52引腳結構,芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元,功能強大的微型計算機的STC89C52

4、可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。   STC89C52具有如下特點：40個引腳,8k Bytes Flash片內程序存儲器,256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口,5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷,2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口,看門狗（WDT）電路,片內時鐘振蕩器。 2.2、STC89c52芯片引腳功能說明STC89C52RC引腳圖STC89C52RC引腳功能說明VCC（40引腳）：電源電壓VSS（20引腳）：接地P0端口（P0.0P0.7，

5、3932引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。P1端口（P1.0P1.7，18引腳）：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，

6、因為有內部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流（）。P2端口（P2.0P2.7，2128引腳）：P2口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（）。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX DPTR”指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX R1”指令）時，P2口引腳上的內容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2

7、寄存器的內容），在整個訪問期間不會改變。在對Flash ROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口（P3.0P3.7，1017引腳）：P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流（）。在對Flash ROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。，如下表所示：引腳號復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3

8、 （外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST（9引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。ALE/（30引腳）：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之

9、一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOV指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址位8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。（29引腳）：外部程序存儲器選通信號（）是外部程序存儲器選通信號。當AT89C51RC從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。/VPP（31引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使

10、能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，必須接GND。注意加密方式1時，將內部鎖定位RESET。為了執(zhí)行內部程序指令，應該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。二、 28BYJ-48步進電機2.2.1步進電機的工作原理步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來

11、控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。本次設計是采用步進電機28BYJ48型四相八拍電機，電壓為DC5VDC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉子轉過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）其相序分配表如下：2.2.2 步進電

12、機24BYJ48的相關電氣參數(shù)1.額定電壓：12VDC(另有電壓：5V、6V、24V)2.相數(shù)：43.減速比：1/64(另有減速比：1/16、1/32)4.步距角：5.625°/645.驅動方式：4相8拍6.直流電阻：200±7%(25)(按客戶要求而定：80、130歐姆)7.空載牽入頻率：600Hz8.空載牽出頻率：1000Hz9.牽入轉矩：34.3mN.m(120Hz)10.自定位轉矩：34.3mN.m11.絕緣電阻：10M(500V)12.絕緣介電強度：600VAC/1mA/1S13.絕緣等級：A14.溫升：50K(120Hz)15.噪音：40dB(120Hz)16.

13、重量：大約40g17.未注公差按：GB1804-m18.轉向：CCW2.2.3 步進電機的基本術語2.2.3.1 相數(shù)產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用m表示。2.2.3.2 拍數(shù)完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，比如說本次設計中使用的24BYJ48有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）2.2.3.3 步距角對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表示。=360度（轉子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二相，轉子齒為50

14、齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。2.2.3.4 信號分配四相步進電機按照其通電方式的不同，可以分為單四拍，雙四拍和雙八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，均為11.25度，而八拍的步距角則是單四拍與雙四拍的一半，5.625度。單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍 （A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）。這里選取的是雙相八拍的工作方式。三、 ULN2003達林頓陳列芯片步進電機的驅動采用ULN

15、2003芯片。ULN2003 是高耐壓、大電流達林頓陳列， 由七個硅 NPN 達林頓管組成。 ULN2003 的每一對達林頓都串聯(lián)一個 2.7K 的基極電阻 , 在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連， 可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2003 工作電壓高， 工作電流大， 灌電流可達 500mA ， 并且能夠在關態(tài)時承受 50V 的電壓， 輸出還可以在高負載電流并行運行。 其引腳及內部原理圖如下：本設計中實驗1、2、3、4腳做輸入端，16、15、14、13做相對應的輸出端，起到放大的作用，以驅動電機。四、 LCD1602液晶1602液晶也叫16

16、02字符型液晶 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊 它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。其各引腳功能見下圖：其典型接口電路如下圖：其基本操作時序為：讀狀態(tài)           輸入：RS=L，RW=H，E=H      

17、;               輸出：DB0DB7=狀態(tài)字 寫指令           輸入：RS=L，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0DB7=指令碼 輸出：無 讀數(shù)據(jù)           輸入：RS=H，RW=H，E=H   &

18、#160;                             輸出：DB0DB7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù)           輸入：RS=H，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0DB7=數(shù)據(jù) 輸出：無第三章 電路設計一、單片機最

19、小系統(tǒng)與LCD1602接口電路本電路模塊包括單片機最小系統(tǒng)，即51單片機、時鐘電路、復位電路、上電開關等，和1602液晶接口電路。模塊電路原理圖如下：各子模塊電路如下：（1） 時鐘產生電路用于產生單片機的控制時鐘，實際使用時采用11.0592M晶振。（2） 復位電路用于單片機手動復位。（3） 1602液晶接口電路用于連接1602液晶，P2.0P2.2分別接RS、RW、EN，P0口接數(shù)據(jù)指令輸入口。二、步進電機驅動及接口電路本電路模塊用于單片機對步進電機的控制及使用ULN2003芯片對步進電機進行驅動。原理圖如下：由于所選24BYJ48步進電機為四相步進電機，故只需4個單片機IO口控制，此處使用

20、單片機的IO口P1.0-P1.3，使用ULN2003的引腳1-4做輸入，16-13引腳做輸出口。三、按鍵電路本次設計為了便于今后功能擴展使用了8個按鍵。原理圖如下：第四章 程序設計進入主程序后首先進行LCD初始化和定時器中斷初始化，之后進行依次對按鍵進行掃描，當檢測到相應的按鍵按下時，即執(zhí)行相應的功能。系統(tǒng)流程圖如下：第五章 系統(tǒng)調試經過對程序的反復修改，調試之后，系統(tǒng)可以實現(xiàn)電機運行、停止，設置運行圈數(shù)，調節(jié)轉速，電機正反轉，點動等功能，同時液晶顯示相應的狀態(tài)。第六章 心得體會為其近一個月的單片機課程設計結束了，在這一個月中我收獲了很多，感到很有意義。早在大二自學單片機時我就注意到步進電機這

21、種器件，但當時只是略作了解，沒有學習它的原理與編程控制，這次借課程設計的機會，我得以對步進電機進行了較為深入的了解和學習。在課設的前期我通過查閱了許多資料，學習了步進電機的工作原理。之后我開始考慮整體硬件電路的設計，顯示、驅動電路的設計，最終選擇使用28BYJ48型步進電機、ULN2003驅動芯片、1602液晶顯示。在這之后我開始考慮要實現(xiàn)的電機功能，最后決定實現(xiàn)電機運行、停止，設置運行圈數(shù)，調節(jié)轉速，電機正反轉，點動等功能。在完成了原理圖與PCB圖繪制、電路元件焊接后，我開始著手進行程序設計。通過查閱資料我了解到控制步進電機的關鍵是利用定時器中斷控制脈沖的快慢、順序來調節(jié)電機轉速、正反轉等狀

22、態(tài)。以此為基礎我開始了程序設計與調試，在這個過程中我遇到過一些困難，最后通過深入的學習、不斷修改程序和同學的幫助終于得到解決。最終，本次課程設計完成了預想的對步進電機的幾項基本控制功能。步進電機調速系統(tǒng)適用各種現(xiàn)場自動化控制，特別應用于小功率負載的控制；具有成本底，性能穩(wěn)定,可靠性高等優(yōu)點。我覺得通過這次課程設計我對步進電機的基本控制得到了掌握，這對今后我在學習、工作的諸多應用場合中很可能會有用武之地。另外，在這次課設過程中涉及的LCD1602控制等內容也對我很有幫助。通過本次課設我對51單片機的編程控制、定時器中斷等知識也得到了充分的復習鞏固?？傊?，這次課設讓我受益匪淺，感謝邱應強老師一學期

23、來單片機課程的悉心教導，這些是我完成本次課設的基礎和關鍵。附件一、 電路原理圖二、 電路PCB圖三、 電路實物圖四、 源程序#include <reg52.h>#include <intrins.h> /內部包含延時函數(shù) _nop_();#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define delayNOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();uchar code FFW8=0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9;/正轉相序編碼uc

24、har code REV8=0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1;sbit K1 = P30; /運行與停止sbit K2 = P31; /設圈數(shù)sbit K3 = P32; /方向轉換sbit K4 = P33; /轉速加sbit K5 = P34; /點動sbit K6 = P35;sbit K7 = P36;sbit K8 = P37;sbit LCD_RS = P20; sbit LCD_RW = P21;sbit LCD_EN = P22;bit on_off=0,on_off1=0; /運行與停止標志bit direction=1; /方向

25、標志bit rate_dr=1; /速率標志bit snum_dr=1; /圈數(shù)標志uchar code cdis1 = " STEPPING MOTOR "uchar code cdis2 = "CONTROL PROCESS"uchar code cdis3 = " STOP "uchar code cdis4 = "NUM: RATE: "uchar code cdis5 = " RUNNING "uchar code cdis6 = " DIAN DONG "ucha

26、r m,v=0,q=0,q1;uint number=0,number1=0; uchar snum=10,snum1=10,number2=0; /預設定圈數(shù)uchar rate=2,rate_ctr; /預設定速率uchar data_temp,data_temP1,data_temp2; /*/* /* 延時t毫秒 /* 11.0592MHz時鐘，延時約1ms /* /*/void delay(uint t)/tms uchar k; while(t-) for(k=0; k<125; k+) /*/void delayB(uchar x) /x*0.14MS uchar i; w

27、hile(x-) for (i=0; i<13; i+) /*/*/* /*檢查LCD忙狀態(tài) /*lcd_busy為1時，忙，等待。為0時,閑，可寫指令與數(shù)據(jù)。 /* /*/ bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result = (bit)(P0&0x80); LCD_EN = 0; return(result); /*/* /*寫指令數(shù)據(jù)到LCD /*RS=L，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=指令碼。 /* /*/void lcd_wcmd(uchar cmd)

28、while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0; /*/* /*寫顯示數(shù)據(jù)到LCD /*RS=H，RW=L，E=高脈沖，D0-D7=數(shù)據(jù)。 /* /*/void lcd_wdat(uchar dat) while(lcd_busy(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; P0 = dat; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayN

29、OP(); LCD_EN = 0; /*/* /* LCD初始化設定 /* /*/void lcd_init() delay(30); lcd_wcmd(0x38); /16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù) delay(5); lcd_wcmd(0x38); delay(5); lcd_wcmd(0x38); delay(5); lcd_wcmd(0x0c); /顯示開，關光標 delay(5); lcd_wcmd(0x06); /寫入新數(shù)據(jù)后光標右移 delay(5); lcd_wcmd(0x01); /清除LCD的顯示內容 delay(5);/*/* /* 設定顯示位置 /* /*/void

30、 lcd_pos(uchar pos) lcd_wcmd(pos | 0x80); /數(shù)據(jù)指針=80+地址變量/*/* /* LCD1602初始顯示子程序 /* /*/void LCD_init_DIS() delay(10); /延時 lcd_init(); /初始化LCD lcd_pos(0); /設置顯示位置為第一行的第1個字符 m = 0; while(cdis1m != '0') /顯示字符 lcd_wdat(cdis1m); m+; lcd_pos(0x40); /設置顯示位置為第二行第1個字符 m = 0; while(cdis2m != '0')

31、 lcd_wdat(cdis2m); /顯示字符 m+; delay(3000); /延時 lcd_pos(0); /設置顯示位置為第一行的第1個字符 m = 0; while(cdis3m != '0') /顯示字符 lcd_wdat(cdis3m); m+; lcd_pos(0x40); /設置顯示位置為第二行第1個字符 m = 0; while(cdis4m != '0') lcd_wdat(cdis4m); /顯示字符 m+; for(m=0;m<2;m+) lcd_pos(0x0c+m); /顯示方向符號 lcd_wdat(0x3e); /*/*

32、/*數(shù)據(jù)轉換子程序/*/*/void data_conv() data_temP1=data_temp/10; /高位 if(data_temP1=0) data_temP1=0x20; /高位為0不顯示 else data_temP1=data_temP1+0x30; data_temp2=data_temp%10; /低位 data_temp2=data_temp2+0x30; /*/*/*數(shù)據(jù)顯示子程序/*/*/void data_dis() data_temp = snum; /顯示圈數(shù) data_conv(); lcd_pos(0x44); lcd_wdat(data_temP1);

33、 lcd_pos(0x45); lcd_wdat(data_temp2); data_temp = rate; /顯示速率 data_conv(); lcd_pos(0x4d); lcd_wdat(data_temP1); lcd_pos(0x4e); lcd_wdat(data_temp2);/*/*/* 顯示運行方向符號/*/*/void motor_DR() if(direction=1) /正轉方向標志 for(m=0;m<2;m+) lcd_pos(0x0c+m); /顯示方向符號 lcd_wdat(0x3e); else for(m=0;m<2;m+) /反轉方向標志

34、lcd_pos(0x0c+m); /顯示方向符號 lcd_wdat(0x3c); /*/*/* 顯示運行狀態(tài)/*/*/void motor_RUN() if(on_off=1) TR0=1; lcd_pos(0); /設置顯示位置為第一行的第1個字符 m = 0; while(cdis5m != '0') lcd_wdat(cdis5m); /RUNNING m+; motor_DR(); / else TR0=0; P1 =0x0f; lcd_pos(0); /設置顯示位置為第一行的第1個字符 m = 0; while(cdis3m != '0') lcd_w

35、dat(cdis3m); /STOP m+; motor_DR(); / snum=snum1; / number1=0; /清圈數(shù)計數(shù)器 void motor_RUN1() if(on_off1=1) TR1=1; rate_ctr=0; lcd_pos(0); /設置顯示位置為第一行的第1個字符 m = 0; while(cdis6m != '0') lcd_wdat(cdis6m); /DIANDONG m+; motor_DR(); / else TR1=0; P1 =0x0f; lcd_pos(0); /設置顯示位置為第一行的第1個字符 m = 0; while(cd

36、is3m != '0') lcd_wdat(cdis3m); /STOP m+; motor_DR(); / snum=snum1; / number1=0; /清圈數(shù)計數(shù)器 /* * 主程序 * */main() LCD_init_DIS(); TMOD = 0x11; /T0定時方式1 TL0 = 0xff; TH0 = 0xf5; TL1 = 0xff; TH1 = 0xf5; EA = 1; ET0 = 1; ET1=1; P1 = 0x0f; while(1) if(K1=0) delay(20); if(K1=0) while(K1=0); /等待鍵釋放 on_off=on_off; motor_RUN(); /K1 end/*/ if(K2=0) delay(20); if(K2=0) if(snum_dr=1) snum+; snum1