基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制畢業(yè)論文

1、 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目名稱： 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 專 業(yè)： 電 子 信 息 工 程 目 錄1.前言12. 整體設(shè)計(jì)22.1步進(jìn)電機(jī)28BYJ-4822.1.1 28BYJ-48工作原理22.1.2 28BYJ-48參數(shù)22.2單片機(jī)32.2.1.概述32.2.2.單片機(jī)的選擇42.2.3.單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)43. 電路仿真設(shè)計(jì)63.1 仿真軟件Proteus的使用63.2單片機(jī)最小系統(tǒng)83.3液晶顯示模塊93.4步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動模塊103.5鍵盤設(shè)計(jì)114. 軟件設(shè)計(jì)124.1 Keil C51編程軟件的使用與調(diào)試方法124.2軟件設(shè)計(jì)要求134.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程134.3.1軟件總體設(shè)計(jì)框圖

2、134.4主程序144.4.1頭文件144.4.2主程序154.4.3液晶模塊164.4.4矩陣鍵盤模塊184.4.5電機(jī)模塊205. 調(diào)試與功能說明205.1硬件調(diào)試216. 結(jié)束語227.參考文獻(xiàn)2222 / 261.前言步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（與步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個(gè)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您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。20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個(gè)領(lǐng)域，

3、有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快，其中步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動記錄儀表、鐘表和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置等。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這

4、種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。基于步進(jìn)電機(jī)在社會實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用28BYJ-18步進(jìn)電機(jī)，此產(chǎn)品小體積、高轉(zhuǎn)速、底振動。具 有結(jié)構(gòu)緊湊、力矩大、輸入功率小、噪音小、 使用方便等特點(diǎn)。產(chǎn)品廣泛用于空調(diào)器、電動器械、冷暖通閥門、熱水器自動調(diào)溫系統(tǒng)、自動化儀器、舞臺燈光、安防視頻監(jiān)控、與單片機(jī)學(xué)習(xí)開發(fā)等領(lǐng)域。再用STC89C52單片機(jī)作為控制器來實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。2、整體設(shè)計(jì)2.1步進(jìn)電機(jī)28BYJ-482.1.1 28BYJ-48工作原理本實(shí)驗(yàn)選擇28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)作為設(shè)計(jì)對象，步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5VDC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列

5、連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個(gè)脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)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。）2.1.2 28BYJ-48參數(shù)1.極限參數(shù)： 表2-1參數(shù)最小值最大值單位工作溫度1+60 儲存溫度-20+752.技術(shù)參數(shù)：表2-2參數(shù)值參數(shù)值電壓VDC5空載牽入頻率Hz500直

6、流電阻25°C ±7%32空載牽出頻率Hz600步距角5.625°64絕緣耐壓V 1S600減速比164溫升 K牽入轉(zhuǎn)矩（100Hz時(shí)）gf.cm250噪音 dB自定位轉(zhuǎn)矩gf.cm300驅(qū)動方式四相八拍連接線長：230mm，采用UL 26AWG 1061的電源線3.接線示意圖 圖2.1 接線示意圖 4.脈沖分配方式圖2.2 脈沖分配方式2.2單片機(jī)2.2.1.概述單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央

7、處理器、存儲器和IO接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖c外部設(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。2.2.2.單片機(jī)的選擇目前，我國生產(chǎn)很多型號的單片機(jī)，在此，我們采用型號為STC89C51的單片機(jī)。因?yàn)椋?#160;STC89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-52指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。 

8、  STC89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入輸出（IO）端口，同時(shí)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，STC89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。2.2.3.單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)下圖是MCS-51系列單片機(jī)的部結(jié)構(gòu)示意圖：MCS-51系列單片機(jī)無論是片RAM容量、IO口功能、系統(tǒng)擴(kuò)展能力、指令系統(tǒng)、引腳等都基本一樣。在制造技術(shù)上，MCS-51系列單片機(jī)按兩種工藝生產(chǎn)。一種是HMOS工藝，即高密度短溝道

9、 MOS工藝。另一種是CHMOS工藝，即互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝生產(chǎn) 。在片程序存儲器的配置上，MCS-51系列單片機(jī)有三種形式，即片無程序存儲器、有掩膜程序存儲器ROM、有可擦除程序存儲器EPROM。單片機(jī)端口的既有一定的通用性，亦要有相當(dāng)?shù)撵`活性，端口的設(shè)置目的總是想盡量滿足各種設(shè)備連接的要求。當(dāng)然單一通用的單片機(jī)芯片，是無法實(shí)現(xiàn)與任意一種外設(shè)的直接連接的。單片機(jī)的引腳數(shù)有限，更不能同時(shí)與多個(gè)外設(shè)直接連接。目前解決的辦法是使用外接接口芯片來實(shí)現(xiàn)。此類芯片目前市面上有很多，有的接口芯片起傳輸過程中的緩沖作用以便滿足接口的驅(qū)動能力要求；有的可以進(jìn)行對電信號進(jìn)行放大或衰減，以便適應(yīng)單片機(jī)電平

10、的需求；有的可以進(jìn)行模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換，支持單片機(jī)對模擬信號處理。在功能上，MCS-51系列單片機(jī)有基本型和增強(qiáng)型兩類，它們以芯片型號的末位數(shù)字來區(qū)分。即“1”為基本型，“2”為增強(qiáng)型。 在MCS-51系列單片機(jī)中，我們以8051為例，來介紹其結(jié)構(gòu)與功能。8051單片機(jī)的部功能框圖如圖2.3示：圖2.3 MCS-51系列單片機(jī)的部結(jié)構(gòu)3. 電路仿真設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要由鍵盤模塊，顯示模塊，主控模塊，步進(jìn)電機(jī)模塊組成，其系統(tǒng)圖如下：圖3.0 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3.1 仿真軟件Proteus的使用Proteus是一款專門的單片機(jī)系統(tǒng)仿真軟件，其所提供的單片機(jī)型號多，可便于用戶進(jìn)行各種單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。

11、另外，Proteus提供了很多設(shè)計(jì)中常用的各種芯片如各種數(shù)字門電路、觸發(fā)器、移位寄存器和其他可編程邏輯芯片，方便用戶進(jìn)行各種設(shè)計(jì)電路的仿真。值得一提的是Proteus提供的示波器、信號發(fā)生器、測量探針等虛擬儀器為用戶分析測試設(shè)計(jì)電路提供了理論依據(jù)，方便了用戶設(shè)計(jì)。雙擊桌面快捷方式打開Proteus原理圖設(shè)計(jì)軟件，界面如下所示：圖3.1 Proteus的ISIS原理圖編輯界面單擊界面中的YES可以查看Proteus軟件自帶的原理圖仿真實(shí)例，選擇NO可以進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)。然后點(diǎn)擊軟件界面右面的P可以放置所需要的元器件，界面如下圖所示：圖3.2 元器件放置界面找到設(shè)計(jì)電路所需要的元器件然后雙擊所

12、需的元器件，這時(shí)就會在軟件右側(cè)的元器件列表中看到所選擇的元器件了。在此單擊鼠標(biāo)左鍵后就可將元件放到原理圖編輯界面中。放好元器件后用導(dǎo)線將元器件連接起來，最后的總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如下：圖3.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由電源、復(fù)位、晶振組成，下面介紹一下每一個(gè)組成部分。其proteus仿真圖如下：圖3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3液晶顯示模塊為了更人性化，更直觀的了解到步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀況，所以在本設(shè)計(jì)中加入了液晶顯示模塊，以便與時(shí)的將步進(jìn)電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)提供給用戶，由于本設(shè)計(jì)所顯示的容并不多所以選著較小容量的LCD1602即可。其設(shè)計(jì)的電路圖如下：圖3.5液晶顯示電路3.4步

13、進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動模塊由于單片機(jī)驅(qū)動能力有限，不能直接用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動本設(shè)計(jì)采用ULN2003A芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓列,由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如下: ULN2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 其部結(jié)構(gòu)如下：圖3.6 ULN2003部結(jié)構(gòu)圖連接步進(jìn)電機(jī)電路圖如下：圖3.7 步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動電路3.5鍵盤設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)要求有六個(gè)按鍵，分別為啟動，停止，一檔，二檔，三檔，四檔。由于鍵盤數(shù)量較多，用獨(dú)立按鍵將浪費(fèi)大量IO口，所以本地

14、合計(jì)采用矩陣鍵盤，其中K1，K2分別對應(yīng)啟動，停止，K5-K8對應(yīng)一檔，二檔，三檔，四檔，其電路圖如下：圖3.8 鍵盤電路當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)，如圖3-8所示，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個(gè)鍵時(shí)，也回會出現(xiàn)類似的情況。這就是抖動。抖動的持續(xù)時(shí)間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通?？偸遣淮笥?0ms。很容易想到，抖動問題不解決就會引起對閉合鍵的識別。用軟件方法可以很容易地解決抖動問題，這就是通過延遲3-10ms來等待抖動消失，這之后，在讀入鍵盤碼圖3.9 按鍵抖動信號波形4. 軟件設(shè)計(jì)4.1 Keil C51編程軟件的使用與調(diào)試方法本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用Keil

15、 C51來編寫，該軟件的使用方法介紹如下。雙擊桌面上的Keil軟件的快捷啟動方式打開軟件，打開后的軟件界面如下圖所示：圖4.1 Keil 軟件界面然后點(diǎn)擊Project>New Project選擇新建工程，并保存到合適的位置，然后在芯片列表中選擇相應(yīng)的芯片，界面如下圖所示，然后點(diǎn)擊完成即可。圖4.2 芯片選擇界面完成后點(diǎn)擊File>New新建一個(gè)程序編輯文件，然后保存即可在其中編輯所需要的程序了，然后點(diǎn)擊軟件上方的調(diào)試按鈕進(jìn)行糾錯(cuò)調(diào)試直至沒有錯(cuò)誤。4.2軟件設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)要現(xiàn)用STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，并能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，與四檔不同的速度調(diào)節(jié)，同時(shí)能與時(shí)的用

16、液晶顯示屏顯示步進(jìn)電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)4.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程4.3.1軟件總體設(shè)計(jì)框圖圖4.1主程序流程圖4.4主程序本設(shè)計(jì)為使程序可讀性好將分模塊進(jìn)行說明。4.4.1頭文件#ifndef _KYE_H_#define _KYE_H_*常用數(shù)據(jù)類型簡化定義*typedef unsigned char uint8;typedef unsigned int uint16;*矩陣鍵盤位定義*sbit KeyIn1 = P10;sbit KeyIn2 = P11;sbit KeyIn3 = P12;sbit KeyIn4 = P13;sbit KeyOut1 = P14;sbit KeyOut2 = P15

17、;sbit KeyOut3 = P16;sbit KeyOut4 = P17;*液晶控制位定義*sbit RS = P25 ;sbit RW = P26 ;sbit EN = P27 ;sbit BUSY = P07;*電機(jī)轉(zhuǎn)速檔位定義*#define One 50#define Two 30#define Three16 #define Four 8*子程序聲明*void Dis(void);void wait(void);void w_cmd(uint8 cmd);void w_dat(uint8 dat);void w_string(uint8 addr_start, uint8 *p)

18、;void Init_LCD1602(void);void delay(uint8 t);void keyscan(void);void MoFor(void);#endif4.4.2主程序#include <reg52.(void)while(1) keyscan();鍵盤掃描Dis();液晶顯示初始化if(StartEnd =1)MoFor();else P3 = 0; 4.4.3液晶模塊* 等待繁忙標(biāo)志*void wait(void)P0 = 0xFF;DoRS = 0;RW = 1;EN = 0;EN = 1;while (BUSY = 1);EN = 0;* 寫數(shù)據(jù)*void

19、w_dat(uint8 dat)wait();EN = 0;P0 = dat;RS = 1;RW = 0;EN = 1;EN = 0;* 寫命令*void w_cmd(uint8 cmd)wait();EN = 0;P0 = cmd;RS = 0;RW = 0;EN = 1;EN = 0;* 發(fā)送字符串到LCD*void w_string(uint8 addr_start, uint8 *p)w_cmd(addr_start);while (*p != '0')w_dat(*p+); * 初始化1602*void Init_LCD1602(void)w_cmd(0x38); 1

20、6*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口w_cmd(0x0C); 顯示器開，不顯示光標(biāo)w_cmd(0x06); 寫一個(gè)字符后，地址指針加1w_cmd(0x01); 現(xiàn)實(shí)清零，數(shù)據(jù)指針清零*液晶顯示子程序*void Dis(void)Init_LCD1602();if(StartEnd)w_string(0x80,"start");if(Gra=One)w_string(0xc0,"grade:one");else if(Gra=Two)w_string(0xc0,"grade:Two");else if(Gra=Three)w_strin

21、g(0xc0,"grade:Three");Elsew_string(0xc0,"grade:Four"); Elsew_string(0x01," "); 4.4.4矩陣鍵盤模塊*鍵盤掃描子程序*void keyscan(void)KeyOut1 = 0;KeyOut2 = 1;KeyOut3 = 1;KeyOut4 = 1;if(!KeyIn1)delay(5);if(!KeyIn1)StartEnd=1;while(!KeyIn1);if(!KeyIn2)delay(5);if(!KeyIn2)StartEnd=0;while(

22、!KeyIn2); KeyOut1 = 1;KeyOut2 = 0;KeyOut3 = 1;KeyOut4 = 1;if(!KeyIn1)delay(5);if(!KeyIn1)Gra= One;while(!KeyIn1); if(!KeyIn2)delay(5);if(!KeyIn2)Gra= Two;while(!KeyIn2); if(!KeyIn3)delay(5);if(!KeyIn3)Gra= Three;while(!KeyIn3); if(!KeyIn4)delay(5);if(!KeyIn4)Gra= Four;while(!KeyIn4); 4.4.5電機(jī)模塊*電機(jī)旋轉(zhuǎn)子

23、程序*void MoFor(void)char i;while (StartEnd) keyscan();Dis();for (i=7; i>=0; i-)P3 = FFWi;delay(Gra);*tms延時(shí)*void delay(uint8 t)uint8 i,j;for(i=t;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);5. 調(diào)試與功能說明5.1硬件調(diào)試本次設(shè)計(jì)采用學(xué)習(xí)開發(fā)板作為調(diào)試平臺。將軟件下載到STC89C51單片機(jī)中，未按鍵式，電機(jī)不工作和液晶顯示也不工作；當(dāng)按下啟動鍵，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一檔轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，液晶屏上顯示 start grade：one；當(dāng)按下停止鍵，電機(jī)和液晶同時(shí)停止工作，再按啟動鍵，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一檔轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，液晶屏上顯示 start grade：one；當(dāng)依次按下一檔，二檔，三檔，四檔鍵時(shí)速度一次升高，液晶上也一次顯示start