步進電機串口控制系統(tǒng)

1、編號： 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 實訓(xùn)設(shè)計(論文)說明書題 目： 步進電機串口控制系統(tǒng) 系 別： 機電工程系 專 業(yè)： 機械電子工程 學(xué)生姓名： 石健 學(xué) 號： 1 指導(dǎo)教師： 題目類型：理論研究 實驗研究 工程設(shè)計 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 應(yīng)用研究2014 年 12 月 4 日 IV摘 要本設(shè)計是采用AT89C52單片機對步進電機的控制，通過I/0口輸出的時序方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動步進電機；同時，用上位機軟件來對電機的狀態(tài)進行控制，并在上位機軟件上將步進電機的狀態(tài)顯示出來。系統(tǒng)由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。其中，硬件設(shè)計包括AT89C52單片機的最小

2、系統(tǒng)、電源模版、步進實現(xiàn)。軟件設(shè)計包括上位機軟件控制、步進電機脈沖以及轉(zhuǎn)速信號采集模塊的控制程序，最終實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)速速度的控制，并將步進電機的轉(zhuǎn)速速度動態(tài)顯示在上位機軟件上度進行實時監(jiān)控顯示。軟件采用在Keil軟件環(huán)境下編輯的C語言。本系統(tǒng)具有智能性、實用性及可靠性的特點。關(guān)鍵詞：AT89S52;ULN2003;上位機；步進電機AbstractThis design is the use of AT89C52 microcontroller to control the stepper motor, temporal side through the I/0 port outpu

3、t wave as the control signal of the stepping motor and the signal through ULN2003 chip to drive the stepper motor; at the same time, with the host computer software to the status of motor control, and motor in the PC software will step state display out.The system design consists of hardware design

4、and software of two parts. Among them, the minimum system, power template, stepper motor drive hardware design includes AT89C52 microcontroller (Darlington driver ULN2003) a total of 3 function module design, and realize the organic combination and each module on the circuit board. Software design i

5、ncluding control program of upper computer software control, stepper motor pulse and the speed signal acquisition module, and ultimately to achieve the control of stepper motor rotation direction and speed, and the speed of stepping motor in dynamic display of PC software, the speed for real-time mo

6、nitoring display. The software adopts the editor in the Keil software environment of C language. The characteristics of this system is intelligent, practical and reliable.Keywords:AT89S52;ULN2003; The host computer；Stepper motor 目 錄引言11 控制要求與總設(shè)計方案11.1 步進電機控制要求11.2 總體設(shè)計思路11.3 總體設(shè)計方案12 系硬件設(shè)計及外圍器件介紹22.

7、1 單片機AT89S52介紹22.1.1主要性能32.1.2功能特性描述32.2 高壓大電流達林頓晶體管陣列ULN2003介紹52.2.1概述與特點52.3 RS-232串行總線接口介紹62.3.1概述與特點62.3.2概RS-232的引腳作用63 軟硬件調(diào)試及分析83.1 軟件調(diào)試83.2 硬件調(diào)試84 結(jié)論 9謝 辭10參考文獻11 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 11 頁 共 11 頁 引言當今社會，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。步進電機是最常見的一種控制電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛

8、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，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)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控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，其優(yōu)會長期積累的特點，給實際的應(yīng)用帶來了很大的方便。它廣泛用于消費類產(chǎn)品（打印機、照相機、雕刻機）、工業(yè)控制（數(shù)控機床、工業(yè)機器人）、

9、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中。研究步進電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義?？刂坪诵牟捎肅51芯片，它以其獨特的低成本，小體積廣受歡迎，當然其易編程也是不可多得的優(yōu)點為此，本文設(shè)計了一個單片機控制步進電機的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向的高效控制。1 控制要求和總體設(shè)計方案1.1 步進電機控制要求（1）可通過電腦上位機軟件控制電機的各姿態(tài)，如如啟動、停止、正反轉(zhuǎn)等；（2）可通過電腦上位機軟件控制電機的旋轉(zhuǎn)角度；（3）電腦上位機可實時顯示電機轉(zhuǎn)動角度、方向、速度等信息。1.2 總體設(shè)計思路本次設(shè)計的步進電機串口控制系統(tǒng)主要由AT89C52單片機的最小系

10、統(tǒng)、電源模版、步進電機驅(qū)動（達林頓驅(qū)動器ULN2003）模塊組成，并將個模塊在電路板上有機結(jié)合起來。系統(tǒng)中主要利用AT89S52控制單片機的轉(zhuǎn)的圈數(shù)以及控制電機的啟動、停止、正傳、反轉(zhuǎn)和運行距離的控制。 1.3 總體設(shè)計方案整個系統(tǒng)的構(gòu)成是由兩部分組成。系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、電源模塊和步進電機驅(qū)動模塊組成。l總體規(guī)劃流程如下圖1-1所示，首先根據(jù)課題的要求，需要實現(xiàn)的功能是單片機控制步進電機。根據(jù)設(shè)計出來的電路圖編寫程序流程圖，編寫程序并使用keil軟件調(diào)試好程序，再在protel上做個仿真，仿真成功之后才開始選購器材，接下來是焊接電路板，將寫好的程序通過燒寫器寫入到單片機中，最后接上電機

11、完成整個制作過程。確定設(shè)計方案使用PROTEL設(shè)計電路圖根據(jù)電路圖編寫程序流程圖使用KEIL編寫程序調(diào)試PROTEUS仿真生成.HEX文件購買元件焊制硬件實物完成設(shè)計不成功成功不成功成功 圖1-1 總體設(shè)計流程2 硬件設(shè)計及外圍器件介紹 單片機采用功能較強的型號AT89S51,顯示模塊采用來兩位BCD-7段鎖存譯碼驅(qū)動器，驅(qū)動?？觳捎酶邏捍箅娏鬟_林頓陣列ULN2003放大驅(qū)動步進電機。電源模塊采用下載口來得到穩(wěn)定的工作電壓。2.1 單片機AT89S52介紹 2.1.1主要性能l 與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容l 4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器l 1000次擦寫周期l 全靜態(tài)操作：0Hz24

12、KHzl 三級加密程序存儲器l 32個可編程I/O口線l 兩個16位定時器/計數(shù)器l 6個中斷源l 可編程串行通道l 低功耗空閑和掉電模式l 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路2.1.2功能特性描述AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)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(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)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AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高

13、性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 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(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝

14、形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。VCC: 電源正極GND: 接地P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的

15、緣故。FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地

16、址字節(jié)和一些控制信號。P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。引腳號 第二功能P3.0 RXD（串行輸入）P3.1 TXD（串行輸出）P3.2 INT0(外部中斷0)P3.3 INT0(外部中斷0)P3.4 T0（定時器0外部輸入）P3.5 T1（定時器1外部輸入）P3

17、.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)RST: 復(fù)位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。看門狗計時完成后，RST 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(fù)位高電平有效。ALE/PROG：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（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之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(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器

18、時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為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MOVC指令時有效。否則，ALE 將被微弱拉高。這個ALE 使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。PSEN：外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。當AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。EA/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND

19、。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。圖2-1 AT89S52的引腳圖 2.2 高壓大電流達林頓晶體管陣列ULN2003介紹2.2.1概述與特點ULN2003A是高耐壓、大電流達林頓陳列，其引腳圖如圖2-2所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示，實物圖如圖2-4所示。ULN2003A 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)。ULN2003A

20、工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。達林頓對管還可并聯(lián)使用以達到更高的輸出電流能力。ULN2003A的輸出結(jié)構(gòu)是集電極開路的，所以要在輸出端接一個上拉電阻，在輸入低電平的時候輸出才是高電平。在驅(qū)動負載的時候，電流是由電源通過負載灌入ULN2003的。圖2-2 ULN2003 的引腳圖圖2-3 ULN2003 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖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

21、，工作電流大，灌電流可達500mA，并能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。達林頓對管還可并聯(lián)使用以達到更高的輸出電流能力。 ULN2003的輸出結(jié)構(gòu)是集電極開路的，所以要在輸出端接一個上拉電阻，在輸入低電平的時候輸出才是高電平。在驅(qū)動負載的時候，電流是由電源通過負載灌入ULN2003A的。 圖2-4 ULN2003A 的實物圖2.3 RS-232串行總線接口介紹2.3.1概述與特點 目前RS-232是PC機是通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，11111被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準。111111采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。典型的11

22、111信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5+15V之間，負電平在-5V-15V之間。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳輸?shù)浇Y(jié)束，線上電平從TTL電平到11111111電平在返回TTL電平，接收器典型的工作電平在+3V+12V與-3V-12V。1111111是為了點對點通信二設(shè)計的，其驅(qū)動器負載為37k。由于11111發(fā)送電平與接受電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳輸距離最大約為15米，最高速率為20kb/s。所以適合本地設(shè)備之間的通信。2.3.2 RS-232的引腳作用 RS-232的引腳作用如下所示1 ：DCD

23、:載波檢測。主要用于Modem通知計算機其處于在線狀態(tài)，即Modem檢測到撥號音， 處于在線狀態(tài)。2 ：RXD:此引腳用于接收外部設(shè)備送來的數(shù)據(jù)；在你使用Modem時，你會發(fā)現(xiàn)RXD指示燈在閃爍，說明RXD引腳上有數(shù)據(jù)進入。3 ：TXD:此引腳將計算機的數(shù)據(jù)發(fā)送給外部設(shè)備；在你使用Modem時，你會發(fā)現(xiàn)TXD指示燈在閃爍，說明計算機正在通過TXD引腳發(fā)送數(shù)據(jù)。4 ：DTR:數(shù)據(jù)終端就緒；當此引腳高電平時，通知Modem可以進行數(shù)據(jù)傳輸，計算機已經(jīng)準備好。5 ：GND:信號地；此位不做過多解釋。6 ：DSR:數(shù)據(jù)設(shè)備就緒；此引腳高電平時，通知計算機Modem已經(jīng)準備好，可以進行數(shù)據(jù)通訊了。7 ：

24、RTS:請求發(fā)送；此腳由計算機來控制，用以通知Modem馬上傳送數(shù)據(jù)至計算機；否則，Modem將收到的數(shù)據(jù)暫時放入緩沖區(qū)中。8 ：CTS: 清除發(fā)送；此腳由Modem控制，用以通知計算機將欲傳的數(shù)據(jù)送至Modem。9 ：RI : Modem通知計算機有呼叫進來，是否接聽呼叫由計算機決定2.3.3 RMAX232原理MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標準串口設(shè)計的接口電路,使用+5v單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、

25、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳DNG、16腳VCC（+5v）。 圖2-5是RS-232接口與MAX232連接的應(yīng)用電路圖。圖2-5 RS-23

26、2微機轉(zhuǎn)TTL電平接口電路圖3 軟硬件調(diào)試及分析3.1 軟件調(diào)試通過上位機軟件調(diào)試，可以直觀的觀察出結(jié)果。利用Keil uVision2將程序編寫好，并將程序?qū)氲絠sis仿真軟件中進行仿真模擬，然后將程序燒錄到AT89S52單片機中。將元器件全部焊接完畢之后就可以利用上位機軟件控制步進電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角，并且對其進行實物調(diào)試。3.2 硬件調(diào)試（1）調(diào)試步驟1、按照電氣原理圖進行接線，核對地址，逐點進行，確保正確無誤。 2、檢查模擬量輸入輸出。檢查輸入輸出模塊是否正確，工作是否正常。必要時，用標準儀器檢查輸入輸出的精度。3、利用上位機軟件對步進電機進行控制，并將結(jié)果與實訓(xùn)要求相對比，看結(jié)果是否與實訓(xùn)要求一致。 4 結(jié)論 經(jīng)過這幾個星期的的努力，在老師和同學(xué)的幫助下做完了這次實訓(xùn)設(shè)計工作。在這次實訓(xùn)的過程中，雖然遇到很多難題，但是在我和同學(xué)的相互探討下終于一一克服了。通過這次的實訓(xùn)設(shè)計，我能運用已學(xué)的知識解決我在設(shè)計中遇到的問題，使