單片機課程設(shè)計(優(yōu)秀)

1、目錄第一章 課程設(shè)計的目的和要求11.1課程設(shè)計的目的和要求 11.2課程設(shè)計預(yù)備知識 11.3課題設(shè)計的任務(wù) 4第二章總體設(shè)計 5第三章硬件設(shè)計 5第四章軟件設(shè)計 8第五章 系統(tǒng)調(diào)試第六章 結(jié)束語參考文獻參考文獻 附錄 1 系統(tǒng)工作原理圖第一章 課程設(shè)計的目的和要求1.1 課程設(shè)計的目的和要求一、課程設(shè)計目的單片機應(yīng)用基礎(chǔ)課程設(shè)計是學(xué)好本門課程的又一重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)， 課程設(shè)計的目的就是配合本課程的教學(xué)和平時實驗，以達到鞏固消化課程的內(nèi) 容，進一步加強綜合應(yīng)用能力及單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計能力的訓(xùn)練， 啟發(fā)創(chuàng) 新思維，使之具有獨立單片機產(chǎn)品和科研的基本技能， 是以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所 學(xué)知識

2、的過程，是知識轉(zhuǎn)化為能力和能力轉(zhuǎn)化為工程素質(zhì)的重要階段。 二、課程設(shè)計要求1 、利用 proteus 軟件設(shè)計步進電機各模塊工作原理圖，并進行模擬仿真；2、控制程序設(shè)計、調(diào)試及實現(xiàn)：（1 ）根據(jù)要求，寫出完整的電機設(shè)計程序流程圖；（2 ）將設(shè)計程序輸入、便宜，排除語法錯誤，生成 .hex 文件；（3 ）利用 proteus 軟件進行電路模擬仿真和調(diào)試；3、設(shè)計硬件電路并燒寫程序，調(diào)試后系統(tǒng)能按照要求工作；4、寫出課程設(shè)計說明書。1.2 課程設(shè)計預(yù)備知識（一）步進電機的介紹：步進電機是一種進行精確步進運動的機電執(zhí)行元件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機械的 數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護性以及性價

3、比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng) 功能要求及步進電機應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實現(xiàn) 了基于 8051 單片機的四相步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)通過單片機存儲器、 I/O 接口、中斷、鍵盤、 LED 顯示器的擴展、步進電機的環(huán)形分頻器、驅(qū)動及保護 電路、人機接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等的設(shè)計，實現(xiàn)了四 相步進電機的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。為實現(xiàn)單片機控制步進電機系統(tǒng)在數(shù)控機床上 的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計了兩個外部中斷，以實現(xiàn)步進電機在某段時間內(nèi)的反復(fù)正反轉(zhuǎn)功 能，也即數(shù)控機床的刀架自動進給運動，隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機在日 用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，自六十年代

4、初期以來，步進電機的應(yīng)用得到很大 的提高。人們用它來驅(qū)動時鐘和其他采用指針的儀器，打印機、繪圖儀，磁盤光盤 驅(qū)動器、各種自動控制閥、各種工具，還有機器人等機械裝置。此外作為執(zhí)行元件， 步進電機是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中，隨 著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng) 用。步進電機是機電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控 制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路的 發(fā)展以及單片機技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計功能強，價格低的步進電機控制驅(qū)動器提 供了先進的技術(shù)和充足的資源。（二）步進電機工作

5、原理： 步進電機是工業(yè)過程控制及儀表中常用的控制元件之一， 例如在機械裝置中 可以用絲杠把角度變?yōu)橹本€位移， 也可以用步進電機帶螺旋電位器， 調(diào)節(jié)電壓或 電流，從而實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的控制。 步進電機可以直接接收數(shù)字信號， 不必進行 數(shù)模轉(zhuǎn)換，用起來非常方便。 步進電機還具有快速啟停、 精確步進和定位等特點， 因而在數(shù)控機床、繪圖儀、打印機以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用當某一相繞組通電時，對應(yīng)的磁極就產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，如果這 時定子的小齒和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角 度，使轉(zhuǎn)子和定子的齒相互對齊。由此可見，錯齒是促使步進電機旋轉(zhuǎn)的原因。三相步進電機結(jié)構(gòu)示意圖1

6、.步進電機的運轉(zhuǎn)是由脈沖信號控制的， 傳統(tǒng)方法是采用數(shù)字邏輯電路一環(huán)形脈沖分配器控制步進電機的步進。因此：(1) 、如果按照ABCA的順序輪流通電一周，循環(huán)下去就可以進行單- 三拍運轉(zhuǎn)。設(shè)高電平用“ 1”表示,低電平用“0”表示，依次循環(huán)直到停止:單-三拍脈沖分配表：A100B010C001則步進電機時序波形圖如下:、如果按照AB BC CA AB的順序輪流通電一周，循環(huán)下去就可以進行雙-三拍運轉(zhuǎn)。雙-三拍脈沖分配表:A101B110C011則此時步進電機時序波形圖如下(3)、如果按照AB B BC CCA A AB的順序輪流通電一周，循環(huán)下去就可以進行單雙-三拍運轉(zhuǎn)單雙-三拍脈沖分配表：A1

7、00011B111000C001110此時步進電機時序波形圖如下2.步進電機的控制：(1 )、運轉(zhuǎn)方向控制。步進電機以三相六拍方式工作，若按AB B BCCCAA次序通電為正轉(zhuǎn)，則當按AACCCB BBA次序通電為反 轉(zhuǎn)。(2) 、運轉(zhuǎn)速度的控制。當改變 CP脈沖的周期時，ABC三相繞組高低電 平的寬度將發(fā)生變化，這就導(dǎo)至通電和斷電時速率發(fā)生了變化，使電機轉(zhuǎn)速改變， 所以調(diào)節(jié)CP脈沖的周期就可以控制步進電機的運轉(zhuǎn)速度。(3) 、旋轉(zhuǎn)的角度控制。因為每輸入一個CP脈沖使步進電機三相繞組狀態(tài)變化一次，并相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)一個角度，所以步進電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的CP脈沖數(shù)確定。(三) 單片機芯片89C51單

8、片機Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片 機，它采用CMoS和高密度非易失性存儲技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51兼容；片內(nèi)的Flash ROM 允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性 編程器來編程，內(nèi)部除 CPU夕卜，還包括256字節(jié)RAM，4個8位并行I/O 口, 5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，89C51單片機是 一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。1.3課題設(shè)計的任務(wù)及目標課程設(shè)計任務(wù)：根據(jù)給定的任務(wù)要求選擇合適的單片機和其他電子元器件，進行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計和軟件編程，根據(jù)系統(tǒng)制作并調(diào)

9、試系統(tǒng)電路板，使之實現(xiàn) 任務(wù)要求。有關(guān)參數(shù)選擇要求符合國家標準。具體設(shè)計內(nèi)容如下：模擬步進電機控制，通過 AT89C51的端口控制實現(xiàn)對步進電機的控制：包 括電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速以及實現(xiàn)電機可以按一定的節(jié)拍運轉(zhuǎn)，如三相 電機單-三拍、雙-三拍、單-雙-三拍運轉(zhuǎn)。課程設(shè)計目標：1 課程設(shè)計說明書一份；2 系統(tǒng)工作原理圖一張；3 . C語言源程序；4 硬件電路板調(diào)試通過；第二章總體設(shè)計主要介紹對系統(tǒng)設(shè)計的總體認識及解決方案，并對采取的方案進行論證（一）系統(tǒng)設(shè)計的總體框圖如圖所示：Vl復(fù)位電路 步進電機C單片機AT89C51P0P2P1P3液晶顯示電機工作模式 控制部分（二）論證設(shè)計:該方案

10、利用單片機Po、pl、P2、P3 口高低電平的控制實現(xiàn)步進電機的啟 動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和各拍節(jié)轉(zhuǎn)動以及狀態(tài)顯示的目的。該系統(tǒng)的輸入量為電機轉(zhuǎn)向即正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn) 2根口線，速度的增減2根口線, 拍節(jié)的變化，包括單-三拍、雙-三拍、單-雙-三拍3根口線，再加上一根控制系 統(tǒng)停止大SToP 口線一共8根口線，恰好利用P3 口的P3.0 P3.7端口實現(xiàn)。P1口接電機是程序控制的輸出端， 通過脈沖控制輸出端高低電平控制步進電機以何種模式運轉(zhuǎn)。P0與P2端口結(jié)合通過控制電阻排內(nèi)部電流來控制 LCD顯示器。第三章 硬件設(shè)計 本設(shè)計的硬件電路只要包括步進電機控制電路部分、 最小系統(tǒng)( AT89C5

11、1 )芯 片、以及顯示電路三大部分?？刂齐娐分皇怯砷_關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng) 的工作需要進行操作。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機正常工作。顯示電路主要是為 了顯示電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。(一) 控制電路部分 ：根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了速度加減控制，暫?？刂?，換向控制和工作模式控制，分別是 K1、K2，STOP,R、L，M1、M2、M3控制電路如圖4所示。通過不間斷鍵盤檢測，當檢測到K1、K2按鍵狀態(tài)變化時，內(nèi)部程序檢測P3.0 和P3.1的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的加速和減速程序；當檢測到 STOP按鍵狀態(tài)變化時，內(nèi) 部程序檢測P3.2的狀態(tài)實現(xiàn)暫停功能；當檢測到 R或L按鍵狀態(tài)變化時，內(nèi)

12、部檢測 P3.3和P3.4端口調(diào)用正反轉(zhuǎn)命令程序?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)；當檢測到按鍵 M1、M2、M3變 化時，內(nèi)部掃描對應(yīng) P3.5P3.7 端口狀態(tài)以調(diào)用相應(yīng)的源程序?qū)崿F(xiàn)模式之間的轉(zhuǎn)控制原理圖如下圖所示：（二）最小系統(tǒng)芯片部分：單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，素質(zhì)用最少的元件組成的單片機可以 工作的系統(tǒng)，對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、復(fù)位電路、 晶振電路。復(fù)位電路：使用了獨立式鍵盤，單片機的 P1 口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需 4 個鍵對步進電機的狀態(tài)進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，使用了6路獨立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開關(guān)，使單片

13、機進入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用 30PF的電容和一 12M晶體振蕩器組成為整個電路提 供時鐘頻率。晶振電路：8051單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶 瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當 外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路 如圖5示。其電容值一般在530pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況 也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路實用較多。最小系統(tǒng)部分原理圖如下：OeD <>KTAL

14、1RSTPSENALEEAUI19O1C2gRlIkTEXT1R2 1"5 E781 OC OUTEXl4t i X1CRYSTALP0.0JtD0P 0.1 MDl 0JAD2 P0.3AD3P 0.4/AD 4P0.5AD5P0.&/AD6P0.7ADrP2.0/A3P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2B/A14 P2 7/A15WWWP1.0PUP1.2PilJaP1.4P1.5 p.eP17P3 O/RXDP3.tD<DP3.2rlNTP3.3ZIMT1P3.4/TDP 3.5/T1P3.6RP3.7/RD

15、pfiT-AT6C51（三）顯示電路:在該步進電機的控制器中，電機可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機轉(zhuǎn)速的等級分為18級，為了方便知道電機的運行狀態(tài)和電機的轉(zhuǎn)速的等級，這里設(shè)計了電機轉(zhuǎn)速和電機的工作狀態(tài)的顯示電路，以便知道電機處于何種工作狀態(tài)。 使用ICd顯示器LM016L型號（具體參數(shù)需查看該顯示器使用說明）顯示器實現(xiàn)雙行顯示，可以很明確知道工作狀態(tài)。顯示部分電路圖如下圖所示:LCDlLMOI 創(chuàng)一 晶顯了g0OE寸1-KHII1 a* 干 IPB;OfAE)O PolMI P0.2D2 F*0.3AD3 P0 4AD4 P0.5M5 R0EWDB 口仃 7 7芻HI57h238E l&g

16、t;337I4鼻E535H6t -"7Iilj032IJL9h21IiRESPACK-822II=_P2.2JA10F2.3/A1 1P2.4/A12P2.5/A134j ; ri r21:第四章軟件設(shè)計該電機程序采用 C語言源程序控制，采用自下而上程序設(shè)計結(jié)構(gòu)，先設(shè)計出每一個具 體的模塊（子程序）例如 LCD內(nèi)部控制程序模塊、顯示內(nèi)容部分程序模塊、正反裝減速減 速變拍模塊，然后再慢慢擴大，最后組成一個系統(tǒng)，即步進電機的主程序。下面是各程序模塊的源程序代碼：1. LCD內(nèi)部控制程序模塊：Sbit RS=P20;sbit RW=P21;sbit E=P22;void write_add

17、(uchar i)/寫命令函數(shù)RS=0;E=0;P0=i;delay(5);E=1;delay(5);E=0;void write_date(uchar i)/ 寫數(shù)據(jù)函數(shù)RS=1;E=0;P0=i;delay(5);E=1;delay(5);E=0;LCDvoid init_lcd()/ 初始化程序，開中斷，初始化EA=1;ET0=1;TMOD=0x01;TH0=0x3c;TL0=0xb0;TR0=1;RS=0;E=0;RW=0;write_add(0x01);write_add(0x38);write_add(0x0c);write_add(0x06);void displaynum(uc

18、har i,uchar j)/write_add(0x80+i);write_date(0x30+j);void display1(uchar i,uchar j)/write_add(0x80+i);write_date(j);void display2(uchar i,uchar j)/write_add(0xc0+i);write_date(j);2. 顯示內(nèi)容部分程序模塊：#define sp 0#define state 1顯示函數(shù)顯示函數(shù)顯示函數(shù)#define mode 2uchar s_name="speed:"uchar m_name="mode:

19、"uchar *str="stop","right","left"uchar *str_mode="1_3","2_3","1_2"void init_display()uchar i;for(i=0;i<6;i+)display1(i,s_namei);delay(5);displaynum(6,Speed/10);delay(5); displaynum(7,Speed%10);delay(5);for(i=0;i<5;i+)display1(i+9

20、,*(str1+i);delay(5);for(i=0;i<5;i+)display2(i,m_namei);delay(5);for(i=0;i<3;i+)display2(i+6,*(str_mode0+i);delay(5);void spd(uchar speed)displaynum(6,speed/10);displaynum(7,speed%10);void f_state(uchar stat)uchar i;for(i=0;i<5;i+)display1(i+9,*(strstat+i);delay(5);void f_mode(uchar mod)ucha

21、r i;for(i=0;i<3;i+)display2(i+6,*(str_modemod+i);delay(5);void (*display)(uchar)=spd,f_state,f_mode;3. 正反裝減速減速變拍模塊sbit A1=P10; / 定義步進電機連接端口sbit B1=P11;sbit C1=P12;#define Coil_AB1 A1=1;B1=1;C1=0;/AB相通電，其他相斷電#define Coil_BC1 A1=0;B1=1;C1=1;/BC相通電，其他相斷電#define Coil_CA1 A1=1;B1=0;C1=1;/CD相通電，其他相斷電#d

22、efine Coil_A1 A1=1;B1=0;C1=0;/A相通電，其他相斷電相通電，其他相斷電相通電，其他相斷電相通電，全部斷電#define Coil_B1 A1=0;B1=1;C1=0;/B#define Coil_C1 A1=0;B1=0;C1=1;/C其他相斷電#define Coil_OFF A1=0;B1=0;C1=0;/int step=1;int dir=1;uchar step_num=0;uchar Speed=1;void step1_3()step=step%3;switch(step)case 0:Coil_A1;break;case 1:Coil_B1;brea

23、k;case 2:Coil_C1;break;default:break;step=step+dir;if(step<0)step=2;void step2_3()step=step%6;switch(step)case 0:Coil_A1;break;case 1:Coil_AB1;break;case 2:Coil_B1;break;case 3:Coil_BC1;break;case 4:Coil_C1;break;case 5:Coil_CA1;break; default:break;step=step+dir;if(step<0)step=5;void step1_2(

24、)step=step%9;switch(step)case 0:Coil_A1;break;case 1:Coil_A1;break;case 2:Coil_AB1;break;case 3:Coil_B1;break;case 4:Coil_B1;break;case 5:Coil_BC1;break;case 6:Coil_C1;break;case 7:Coil_C1;break;case 8:Coil_CA1;break;default:break;step=step+dir;if(step<0)step=8;void (*stepper)(void)=step1_3,step2

25、_3,step1_2;4. 步進電機的主程序：#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint z);#include"lcd.c"#include"stepper.c"#include"display.c" / 顯示部分#define KeyPort P3uchar times=0;void delay(uint z)/ 延時函數(shù)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=180

26、;y>0;y-);void KeyScan()/ 按鍵掃描uchar keyvalue;if(KeyPort!=0xff)delay(5);/ 延時去抖 if(KeyPort!=0xff)keyvalue=KeyPort;switch(keyvalue)case 0xfe:if(Speed<18)Speed+;(*displaysp)(Speed);break;/ 加速case0xfd:if(Speed>1)Speed-;(*displaysp)(Speed);break;/ 減速case 0xfb:dir=0;(*displaystate)(0);break;/停止case 0xf7:dir=1;(*displaystate)(1);break;/正轉(zhuǎn)( right )case 0xef:dir=-1;(*displaystate)(2);break;/反轉(zhuǎn)( left )case 0xdf:step_num=0;(*displaymode)(step_num);break; / 1-3 拍case 0xbf