單片機(jī)課程設(shè)計-步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)

1、安陽師范學(xué)院 單片機(jī)課程設(shè)計課題：單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)設(shè)計系 別： 物理與電氣工程學(xué)院專 業(yè)： 電氣工程及其自動化姓 名： 陳玉琦（組長）學(xué) 號： 1411540指導(dǎo)老師： 陳永超目錄一設(shè)計目的4二設(shè)計要求4三總體設(shè)計思路4四硬件設(shè)計51 系統(tǒng)復(fù)位電路52 系統(tǒng)時鐘電路63 系統(tǒng)電機(jī)及驅(qū)動部分74 系統(tǒng)的顯示電路8五軟件設(shè)計91 主程序的設(shè)計92 顯示子程序的設(shè)計10六整體電路圖14七電路仿真15八設(shè)計總結(jié)16附錄18參考文獻(xiàn)21步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)設(shè)計一、設(shè)計目的目的：系統(tǒng)地運用已學(xué)的理論知識解決實際問題的能力和查閱資料的能力。培養(yǎng)一定的自學(xué)能力和獨立分析問題、解決問題的能力，能通過獨立思考、

2、查閱工具書、參考文獻(xiàn)，尋找解決方案；任務(wù)：完成所選題目的分析與設(shè)計，達(dá)到技術(shù)性能要求。提交正式課程設(shè)計總結(jié)報告一份。二、設(shè)計要求：1具有速度和轉(zhuǎn)向設(shè)定功能。2設(shè)置開始、停止以及正反轉(zhuǎn)鍵。3轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向由數(shù)碼管顯示。三 、總體設(shè)計思路方案與思路因為步進(jìn)電機(jī)的控制是通過脈沖信號來控制的，將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。所以怎樣產(chǎn)生這個脈 沖信號和產(chǎn)生怎樣的信號是電機(jī)控制的關(guān)鍵。用軟件控制單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號，通過單片機(jī)的P1口輸出脈沖信號，因為所選電機(jī)是兩相的，所以只需要P1口的低四位 P1.0P1.3分別接到電機(jī)的四根電線上。可以通過調(diào)整輸出脈沖的頻率來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過改變輸入

3、脈沖的順序來改變轉(zhuǎn)動方向，P0口接LED數(shù)碼管，可以顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，設(shè)置復(fù)位鍵可使正在轉(zhuǎn)動的電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，大概可分為如下圖所示的幾部分。p0.0p0.7AT89C51單片機(jī)p2.0p2.3p1.0p1.3p3.0p3.4四位數(shù)碼顯示管控制按鍵復(fù)位部分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分外部晶振電路圖1 系統(tǒng)方框圖四 、硬件設(shè)計1系統(tǒng)復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要給RESET引腳加上2個機(jī)器周期以上的高電平信號，即可使單片機(jī)復(fù)位。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)程序運行出錯或是操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫死鎖狀態(tài)，也需要按復(fù)位鍵重新復(fù)位。在系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)上述的兩項功能，采用常用的按鍵電

4、平復(fù)位電路，這樣復(fù)位鍵有復(fù)位和停止兩個功能，如圖所示。圖2復(fù)位電路從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)得到工作電壓的時候，復(fù)位電路工作在上電自動復(fù)位狀態(tài)，通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)，只要Vcc的上升時間不超過1ms就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位功能。在本系統(tǒng)中，采用10uF的電容和100k的電阻來實現(xiàn)復(fù)位電路。當(dāng)系統(tǒng)出錯時，直接按開關(guān)實現(xiàn)模擬系統(tǒng)上電復(fù)位的功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)重新復(fù)位啟動。2系統(tǒng)的時鐘電路時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時所必需的時鐘信號。時鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)的，有條不紊地一拍一拍地工作。時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定

5、性。在本系統(tǒng)中采用外部時鐘方式的電路，如圖所示：圖3系統(tǒng)的時鐘電路在本設(shè)計中的電容C1、C2典型值為3010 pF。外接代內(nèi)容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。同時，在系統(tǒng)中采用12MHz的晶體振蕩器來產(chǎn)生時鐘脈沖。這樣可以滿足系統(tǒng)在設(shè)計時的機(jī)器周期的需要。3電機(jī)驅(qū)動電路由單片機(jī)直接輸出的脈沖不足以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正常工作所以需要驅(qū)動電路給步進(jìn)電機(jī)提供電源，在本設(shè)計中采用型號為ULN2003A的芯片，使步進(jìn)電機(jī)正常工作。驅(qū)動信號由P1口的P1.0P1.3輸出，分別與驅(qū)動芯片的B1B4相連，電路如下圖所示：圖4 系統(tǒng)的驅(qū)動電路4 顯示電路顯示電路中采用四位LE

6、D數(shù)碼管顯示，最左邊一位作為轉(zhuǎn)動方向位，正轉(zhuǎn)時不顯示，反轉(zhuǎn)時顯示“-”，后邊三位顯示轉(zhuǎn)速，左邊為低位，右邊為高位，轉(zhuǎn)速的單位為轉(zhuǎn)分。為了提高數(shù)碼管的顯示效果，在數(shù)碼管的輸入端接上拉電阻。在本設(shè)計中采用型號為7SEG-MPX4的四位LED數(shù)碼管，顯示控制字由P0口輸出，P0.0P0.7分別與數(shù)碼管的Adp連接，位控制口由P2口的P2.0P2.3輸出，分別與數(shù)碼管的1、2、3、4連接。電路如圖所示：圖5 系統(tǒng)的顯示電路五 軟件設(shè)計1主程序的設(shè)計主程序需具備的功能，要不斷掃描P3口并判斷K1和K2是否閉合，并能根據(jù)其電平高低，輸出不同的控制脈沖，并調(diào)用顯示子程序顯示轉(zhuǎn)速及方向。主程序初始化程序逆序輸

7、出脈沖K2閉合？K1閉合？正序輸出脈沖調(diào)用顯示子程序1調(diào)用顯示子程序2NYNY圖6 主程序設(shè)計流程圖2顯示子程序的設(shè)計顯示速度輸出位控制字返回主程序調(diào)用延時子程序正轉(zhuǎn)顯示輸出斷碼控制字反轉(zhuǎn)顯示置初始值置初始值圖7 顯示程序流程圖系統(tǒng)的程序如下：主程序：ORG 00H START: MOV R0,#03H MOV R4,#00H MOV P1,#03HWAIT: MOV P1,R0 ;初始角度,0度 MOV P3,#0FFH JNB P3.0,POS ;判斷鍵盤狀態(tài) JNB P3.1,NEG SJMP WAITJUST: JB P3.1,NEG ;首次按鍵處理POS: MOV A,R4 ;正轉(zhuǎn)9

8、度 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DIR INC R4 AJMP KEYNEG: MOV R4,#6 MOV DPTR,#TAB1 ;反轉(zhuǎn)9度 MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DIRF AJMP KEYKEY: MOV P3,#03H ;讀鍵盤情況 MOV A,P1 JB P3.0,FZ1 CJNE R4,#08H,LOOPZ ;是結(jié)束標(biāo)志 MOV R4,#00HLOOPZ: MOV A,R4 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ;輸出控制脈沖 ACAL

9、L DIR ;程序延時 INC R4 ;地址加1 AJMP KEYFZ1: JB P3.1,KEY CJNE R4,#255,LOOPF ;是結(jié)束標(biāo)志 MOV R4,#07HLOOPF: DEC R4 MOV A,R4 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ;輸出控制脈沖 ACALL DIRF ;程序延時 AJMP KEYTAB1: DB 02H,06H,04H,0CH DB 08H,09H,01H,03H ;正轉(zhuǎn)模型資料顯示子程序：DIR:MOV DPTR,#TABL1 ;正轉(zhuǎn)顯示 AJMP DIR1DIRF:MOV DPTR,#TABL2 ；反轉(zhuǎn)顯示D

10、IR1:MOV R1,#00H MOV R2,#04HMOV R3,#0F7H DIR2:MOV A,R1 MOVC A,A+DPTRMOV P0,A MOV A,R3MOV P2,ARR AMOV R3,AINC R1ACALL DELYDJNZ R2,DIR2RETDELY:MOV R6,#20H ；延時 D1:MOV R7,#56H LOOP:DJNZ R7,LOOPDJNZ R6,D1RET TABL1:DB 06H,06H,06H,00H ；正轉(zhuǎn) TABL2:DB 06H,06H,06H,40H ；反轉(zhuǎn)END六、整體電路圖七、電路仿真繪制完電路圖后，將編好的程序輸入軟件內(nèi)檢查所編程序

11、是否正確，檢查程序無誤后裝入單片機(jī)內(nèi)，進(jìn)行防真。系統(tǒng)進(jìn)入仿真模式后，令正轉(zhuǎn)鍵K1閉合，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)工作，可以看到如下圖所示：圖8 電機(jī)正轉(zhuǎn)在正轉(zhuǎn)時，如果按下復(fù)位鍵，電機(jī)會停止轉(zhuǎn)動，數(shù)碼管也將不顯示轉(zhuǎn)速。反轉(zhuǎn)鍵K2閉合，步進(jìn)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)工作，顯示的轉(zhuǎn)速為負(fù)值，如下圖所示：圖9 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)七 設(shè)計總結(jié)為期一周的單片機(jī)課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束了，雖然感到時間有點兒緊，但是我還是圓滿地完成了這次設(shè)計。通過本次設(shè)計使我對步進(jìn)電動機(jī)有了深入的了解，平時我們接觸的電動機(jī)主要是直流電動機(jī)和交流電動機(jī)，很少見到步進(jìn)電動機(jī)，所以我對步進(jìn)電機(jī)幾乎是一無所知。在輔導(dǎo)老師指導(dǎo)下，然后自己在圖書館翻閱有關(guān)書籍和上網(wǎng)，搜集到了不

12、少有關(guān)步進(jìn)電動機(jī)的知識。經(jīng)過我的不懈努力，把步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及控制其正、反轉(zhuǎn)等一一弄明白了，但是這離課程設(shè)計需要掌握的知識相差甚遠(yuǎn)，我只能不斷的向老師和同學(xué)請教，然后仔細(xì)的揣摩。在這次課程設(shè)計中，通過用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，我也對單片機(jī)的知識也進(jìn)行了復(fù)習(xí)和鞏固。在學(xué)習(xí)單片機(jī)的時候覺得學(xué)了一點用都沒有，通過這次設(shè)計讓我明白了單片機(jī)的功能如此的強(qiáng)大。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)再多的理論也只能紙上談兵，只有把理論應(yīng)用到實踐中，才能檢驗出理論的真?zhèn)巍Ｍㄟ^這次的課程設(shè)計，我不僅把單片機(jī)的有關(guān)知識系統(tǒng)的復(fù)習(xí)了一遍，而且學(xué)會了各種設(shè)計電路的軟件，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，這

13、次設(shè)計實在是讓我獲益匪淺。附錄 步進(jìn)電機(jī)概述1步進(jìn)電機(jī)的組成步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步進(jìn)角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。如果給步進(jìn)電機(jī)一個持續(xù)脈沖，也可以使電機(jī)固定在某一角度，因此步進(jìn)電機(jī)還有定位的功能

14、，可以用于起重機(jī)上。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖10 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2步進(jìn)電機(jī)的工作原理以三相步進(jìn)電機(jī)為例，電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3，C與齒3向右錯開2/3。圖11 工作原理如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對

15、齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果連續(xù)不斷地按A，B，C，A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。3 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動按照一定的順序向步進(jìn)電機(jī)的各相分配驅(qū)動脈沖。對于四相步進(jìn)電機(jī)，如果采用單四拍方式，其脈沖的方式和順序是A-B-C-D-A，就這樣循環(huán)就可以轉(zhuǎn)動。如果采用四相八拍方式，其脈沖分配的方式和順序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。（以四相八拍方式為例，編碼是低電平有效）表1 四相步進(jìn)電機(jī)勵磁工作方式示例編碼結(jié)果ABCD0701110300110910110B10010D11010