2022年步进电机控制系统方案设计书2.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 湖南工程学院课程设计课程名称 微机原理与应用 课题名称 步进电机掌握系统设计专业 班级 学号 姓名 指导老师湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 课程名称 微机原理与应用课 题步进电机掌握系统设计专业班级同学姓名学 号指导老师审 批任务书下达日期任务完成日期目 录名师归纳总结 第 1 章 目的与要求3 4 4 第 2 页,共 28 页第 2 章 步进电机的原理介绍2.1 步进电机的工作原理2.2 步进电机的基本术语5 - - - -

2、 - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2.2.1 相数 5 2.2.2 拍数 5 2.2.3 步距角 5 2.2.4 信号安排 6 第 3 章 设计总体思路 6 3.1 方案与思路 6 3.2 总框图 7 第 4 章程序设计7 4.1 主程序 7 4.2 显示子程序 8 4.3 键盘扫描子程序 9 第 5 章 硬件设计 10 5.1 硬件的 设计与 选取 10 5.1.1 步进电机的特点 10 5.1.2 步进电机的分类 11 5.1.3 步进电机的留意点 11 5.2 单片机的选取 12 5.3 四位 LED数码管的选取 13 5.4 其他零件依据实际情形选取 14

3、5.5 硬件的焊接 14 第 6 章 调试与故障分析 15 6.1 软件部分 16 6.2 硬件部分 16 6.3 故障分析及解决 17 第 7 章 总结 18 第 8 章 参考文献 19 附 件 20 系统原理图 20 元器件清单 21 源程序清单 21 第 1 章 目的与要求综合运用所学的单片机原理与应用理论学问,通过实践加强对所学学问的懂得,具备设计单片机应用系统的才能,以单片机为核名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 心设计一个步进电机掌握系统,要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速,并在 LED显示器上显示

4、步进电机转速或工作状态；本课题 以单片机为核心,设计并制作出步进电机掌握系统,设计要求：1、按下不同的键,分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转；2、电机运转状态可以是正反转,加速减速,五种不同速度的各种组 合；3、通过 LED数码管显示电机运行状态；第 2 章 步进电机的原理介绍2.1 步进电机的工作原理步进电机是纯粹的数字掌握电动机；它将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环掌握元件,在非超载的情形下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - -

5、 - 一个脉冲信号,电机就转过一个步距角；这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点；使得在速度、位置等控制领域用步进电机来掌握变的特别的简洁；如下图所示,驱动方式为二相四拍方式各线圈通通电次序如下表：相A B AB次序0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 0 0 1 1 3 1 0 0 1 表 1-1 电机正反转掌握和速度掌握：当电机绕组通电时序为 AB- BA -AB-BA-AB 时为正转,通电时序为AB- BA-AB-BA -AB 时为反转；步进电机的驱动电路,微电脑向步进电机输入端传送 1 或 0 信息,就可实现上述操作；通过不同长度的延时来得到不同频率的

6、步进电机输入脉冲,从而得到多种步进速度,也就是改变电机的转动速度；2.2 步进电机的基本术语2.2.1 相数产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数,常用 m 表示；2.2.2 拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以两相电机为例,有两相四拍运行方式即 AB- BA -AB-BA-AB ,B-B -BA-A-AB ；两相八拍运行方式 AB-B- BA -A -A2.2.3 步距角名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用 表示；

7、 =360度（转子齿数 J*运行拍数）,以常规二相,转子齿为 50 齿电机为例；四拍运行时步距角为 =360度/（ 50*4 ）=1.8 度（俗称整步）,八拍运行时步距角为 =360度/（50*8 ）=0.9 度（俗称半步）；2.2.4 信号安排二相步进电机,工作方式有二相四拍和二相八拍二种,详细安排如下：二相四拍为 , 步距角为 1.8 度；二相八拍为 , 步距角为 0.9 度；两相四拍为 AB-BA -AB-B A-AB , 步距角为 1.8 度；两相八拍为 AB-B-BA-A-AB-B -B A-A-AB , 步距角为 0.9 度；这里选取四拍的的工作方式；第 3 章 设计总体思路3.1

8、 方案与思路由于步进电机的掌握是通过脉冲信号来掌握的,将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环掌握元件；所以怎样产生这个脉冲信号和产生名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 怎样的信号是电机掌握的关键；用单片机来产生这个脉冲信号,通过 单片机的 P1 口输出脉冲信号,由于所选电机是两相的,所以只需要P1 口的低四位P1.0P1.3分别接到电机的四根电线上；定时器定时来调整电机的转速,通过键盘的按钮,就可以转变定时初值从而转变 了电机的转速,P0 口接 LED数码管,可以显示当前的电机转速和按钮 状态,详细结构见 3.2 框

9、图3.2 总框图.7 p0.0p0四位数码显示管AT89C51 单片机 p2.0p2 .3 步进p1.0p1.3 复位 、 正 转 、 反电p3.0p3转.4 加速、减速按钮图 3-1 第 4 章 程序设计4.1 主程序进入主程序显示初始化状态,主程序由键盘程序、显示程序、步进电机 驱动程序三部分组成,主程序第一初始化各变量,步进电机驱动的各引名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 脚均输出高电平,然后调用键盘程序,并作判定,有键按下,就调用键盘程序,并显示出状态；开头显示初始化状态“ 00”按键检测N Flag=0 F

10、lag=1 Flag=2 减速N 以初始速度正向旋以初始速度反向转“010”旋转“110”加速减速N N 加速Y Y Y Y 是否为极是否为极速度加 /减限速度限速度保持速度速度加 /减保持速度显示上限显示转变显示上限显示转变终止图 4-14.2 显示子程序转速的显示是给用户最直观的概念,知道电机的转的快慢,知道电机当前的转速,而需要怎样的速度,再对它进行加减速；而这个显示是调用显示子程序；详细流程图如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 显示Flag=0 . N Y 第一个数码管Flag=2？Y 显示“0” （正

11、N 第一个数码管复位显示“ 00”显示“1” （反其次位显示“ ”第 3、4 位显示转速；第三位 显示转速 /10,第四位显示转 速%10 NEXT 图 4-24.3 键盘扫描子程序键盘是我们唯独和电机沟通的桥梁,通过键盘的输入从而转变电机的运行状态,这里所需要的键盘数量不多,可以依据学习板做成独立式名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 键盘,键盘的焊接是行线接单片机P3 口的 p3.0p3.4,通过调用KEY扫描键盘,调用延时程序,再判定是否有键按下,假如无键按下就返回连续扫描,假如有键按下,就调用delay延时去抖

12、动,再读键值,等待键释放,详细流程如下图：键盘扫描Y 复位是否N N 为最高速 度？Y 按下N 速度加 1 保持 20 正转是否减？Y 按下Y Flag=0 转速为 10 N 为最低速Y 度？N 反转是否N 速度减 1 保持 1 按下Y Flag=1 转速为 10 Flag=2 转速 =0 加？Y 返回N 图 4-3 第 5 章 硬件设计5.1 硬件的设计与选取5.1.1 步进电机的特点名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比,结构上转子加有永 磁体,以供应软磁材料的工作点,而

13、定子激磁只需供应变化的磁场而 不必供应磁材料工作点的耗能,因此该电机效率高,电流小,发热 低；因永磁体的存在,该电机具有较强的反电势,其自身阻尼作用比 较好,使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小；感应子 式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机；一个四相电机可以 作四 相运行,也可以作二相运行；（必需采纳双极电压驱动）,而 反应式电机就不能如此；5.1.2 步进电机的分类感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等；以机座号（电机外径）可分为：42BYG BYG 为感应子式步进电机代号）、57BYG 、86BYG 、110BYG 、（国际标准）,而像 70B

14、YG 、 90BYG 、130BYG 等均为国内标准；5.1.3 步进电机的留意点步进电机应用于低速场合- 每分钟转速不超过 1000 转,（ 0.9 度时6666PPS ,最好在 1000-3000PPS 0.9 度）间使用,可通过减速装置使其在此间工作,此时电机工作效率高,噪音低；这里规定电机转速 120 转每分钟；步进电机最好不使用整步状态,整步状态时振动大；这里要求不高,使用整步状态；于历史缘由,只有标称为 12V 电压的电机使用 12V 外,其他电机的电压值不是驱动电压伏值,可依据驱动器挑选驱动电压（建议：57BYG 采纳直流 24V-36V ,86BYG 采用直流 50V , 11

15、0BYG 采纳高于直流 80V ）,当然 12V 的电压除 12V恒压驱动外也可以采纳其他驱动电源,不过要考虑温升；应遵循先选电机后选驱动的原就；综上所述,电机选取42BYG 系列感应子式步名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 进电机,两相四拍整步状态；选用后建立起模块如下：图 5-1 5.2 单片机的选取MCS-51 系列单片机是目前应用最为广泛的单片机,MCS-51 单片机的两个子系列,下表是两个子系列的比较：子系列ROM RAM 寻址定时器I/O 特性串行口中断源范畴并行口容量容量名师归纳总结 51 子系4KB

16、 128B 264KB 216 48 1 5 第 12 页,共 28 页列52 子系8KB 256B 364KB 316 48 1 6 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 列表 5-251 子系列 :有 8031/8051/8751 和 80C31/80C51/87C5152 子系列 :有 8032/8052/8752 和 80C32/80C52/87C52由于单片机的种类繁多 ,又由于我们的要求不高 ,所以选取单片机是很快的 ,所以这里选用 AT89C51 单片机；依据设计方案的分析,可以挑选带有EPROM的单片机,应用程序直接存储在片内,不用在外部扩

17、展程序储备器,电路可以简化；ATMEL公司生 产 的 AT89CXX系 列 单 片 机 ,AT89CXX系列与 MCS-51系列单 片 机 相 比 , 有 两 大 优 势 ： 第 一,片内程序储备器采纳闪速 储备器,使程序的写入更便利；其次,供应了更小尺寸的芯片,使整 个硬件电路的体积更小；它以 较小的体积、良好的性能价格 比倍受青睐；本次课程设计采 用 89C52单片机；AT89C52单片机的接口图如图所 示：图 5-3 5.3 四位 LED数码管的选取名师归纳总结 数码管选用7 段共阳 4 位 LED 第 13 页,共 28 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - -

18、 - - - 图 5-4 5.4 其他零件依据实际情形选取晶振选 11.0592MHZ 一般按钮 Button 电阻 RES 1K 电机驱动芯片 ULN2803 5.5 硬件的焊接名师归纳总结 步进电机的四线接法P1.0A 、P1.1B P1.2A 、P1.3B第 14 页,共 28 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 5-5 第 6 章 调试与故障分析名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 6.1 软件部分将程序写入 keil 程序编辑界面进行调试；调试步骤如下1、定义各

19、个变量 uchar maichong ；uchar zhuansu ；uchar flag；2、定义正反转、加减速端口 Sbit key_z=P31；sbit key_f=P32；sbit key_jia=P33；sbit key_jian=P34；3、调用显示子程序；4、调用键盘扫描子程序；5、执行主程序6.2 硬件部分依据原理图将硬件焊接好,用Proteus软件下载keil软件生成的HEX文件到单片机中,再给单片机上电,程序就开头运行；显示初始化如下：图 6-1按下正转按钮从 P1 口输出脉冲,步进电机正转,显示如下：图 6-2 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 2

20、8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 按下反转按钮从 P1 口输出脉冲,步进电机反转,显示如下：图 6-3 按下加速按钮电机速度增加,按下减速按钮电机速度削减显示如下：图 6-4 6.3 故障分析及解决由于步进电机的相序位置与单片机的P1 口的 4 个输出口连接不对电机转动方向不正确,解决方法,第一先用四个发光二极管模拟电机四个相序 通过观看发光二极管闪亮的次序就可以判定是否输出正确,电机相序A、 A 、B、 B 与 P1口低四位一一相对应接好,就可以使电机正常旋转 了；名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - -

21、 - - 第 7 章 总结两周的单片机课程设计已经终止了,虽然时间不是很长,但我从中 得到的却仍是许多,通过这次的单片机课程设计,使我更深化的明白的 单片机的重要性,也从中学到了许多,通过做步进电机这个课题,使我 全面地的,系统的又重新学习了一遍单片机,同时又明白到不同电机不 同的工作状态,对其中的原理更加地的熟识,对我以后的学习有了极大 的帮忙,虽然在做课程设计的过程中,我仍有许多的东西是不知道的,但通过检阅资料,在老师的细心指导下,再加上自己的不断努力,最终 是完成了自己的课程设计,在调试的过程中,依旧会有不少的问题,在细心总结查阅下仍是被我一个一个的解决了,最终得到正确的结果；由于我们所

22、学的都是单片机方面的理论学问,应用到实践中去仍比较 少,而且学到了许多在书本上所没有学到过的学问；在第一周由于考试缘由没有花费太多精力,不过在周末的时候,抓紧时间去查阅和收集资 料；去了图书馆借一些参考书,上网找一些相关资,通过不断努力,终 于把步进电机的原理,工作状态,掌握结构有所把握,把思路和方案定 了下来,然后通过分析与软硬件的设计,在电脑上仿真完成；通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有 理论学问是远远不够的,只有把所学的理论学问与实践相结合起来,从 理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手才能 和独立摸索的才能；在设计的过程中遇到问题,可以说得是

23、困难重重,这究竟是一次全面的设计,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计 的过程中发觉了自己的不足之处,对以前所学过的学问懂得得不够深 刻,把握得不够坚固；在此也要感谢李晓秀老师的指导,在老师耐心指 导下许多问题都得到明白决！名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第 8 章 参考文献1 王迎旭 . 单片机原理及及应用 . 北京：机械工业出版社2 张迎新 . 单片微型运算机原理、应用及接口技术 社. 北京：国防工业出版3 周向红 .51系列单片机应用与实践教程. 北京：北京航天航空高校出版社4 郭天祥 . 新概念 51

24、 单片机 C语言教程 . 北京：电子工业出版社名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 附 件系统原理图图附 -1 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 元器件清单AT89C52单片机 1 片11.0592MHZ的晶振 1 片四位 LED显示器 1 个电阻 4 个ULN2803 1 个步进电机 1 个按钮 BUTTON 5 个源程序清单#include #define uchar unsigned char #define uint unsig

25、ned int unsignedcharcode table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90 ,0x3f,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e；unsignedcharcode table1=0x03,0x06,0x0c,0x09,0x09,0x0c,0x06,0x03uchar table_begin ；uchar maichong ；uchar zhuansu ；uchar flag ；sbit key_fuwei=P30；sbit key_z=P31 ；sbit key_f=P32 ；sbit key_jia

26、=P33 ；sbit key_jian=P34 ；void delayuchar x uchar i,j ；fori=0 ； i0 ；j- ； 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - void fuweivoid flag=2 ；zhuansu=0； void display uchar A1,A2,A3,A4 ifflag=0 ；A1=0 ；else A1=1 ；ifflag=2 A1=10 ； A2=0x3f ； A3=zhuansu/10 ； A4=zhuansu%10 ；P0=tableA1 ；delay5 ；

27、P2=0x01 ；delay5 ；P2=0x00 ；delay5 ；P0=A2 ；delay5 ； P2=0x02 ； delay5 ；P2=0x00 ；delay5 ；P0=tableA3 ； delay5 ；P2=0x04 ；delay5 ；P2=0x00 ； delay5 ；P0=tableA4 ； delay5 ；P2=0x08 ；名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - delay5 ；P2=0x00 ；delay5 ； void key ifkey_fuwei=0 delay5 ；ifkey_fuwei=0

28、fuwei ；display ； ifkey_z=0 delay5 ；ifkey_z=0 flag=0 ；zhuansu=10；whilekey_z=0 ； ifkey_f=0 delay5 ；ifkey_f=0 flag=1 ；zhuansu=10；whilekey_f=0； ifkey_jia=0 delay5 ；ifkey_jia=0 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - zhuansu+ ；ifzhuansu=21 zhuansu=20； whilekey_jia=0；ifkey_jian=0 delay5

29、；ifkey_jian=0 zhuansu- ；ifzhuansu=1 zhuansu=2； whilekey_jian=0； void dispose switchzhuansu case 0: break；case 1: maichong=300 ；break；case 2: maichong=150 ；break；case 3: maichong=100 ；break；case 4: maichong=75 ；break；case 5: maichong=60 ；break；case 6: 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 28 页精选学习资料 - - - - -

30、 - - - - maichong=50 ；break；case 7: maichong=43 ；break；case 8: maichong=37 ；break；case 9: maichong=33 ；break；case 10: maichong=30 ；break；case 11: maichong=27 ；break；case 12: maichong=25 ；break；case 13: maichong=23 ；break；case 14: maichong=21 ；break；case 15: maichong=20 ；break；case 16: maichong=19 ；b

31、reak；case 17: maichong=18 ；break；case 18: maichong=17 ；break；case 19: 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - maichong=16 ；break；case 20: maichong=15 ； break；ifflag=0 table_begin=0 ； else ifflag=1 table_begin=8 ； void zhuandongvoid uchar i,j ；ifzhuansu0&zhuansu=20 forj=0+table_begi

32、n；j8+table_begin ； j+ P1=table1j ；fori=0 ；imaichong ；i+ delay1 ； void main fuwei ；display ；while1 key ；display ；dispose ；zhuandong ； 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电气与信息工程系课程设计评分表项目优良评中价及格差设计方案的合理性与制造性10% 开发板焊接及其调试完成情形*10% 硬件设计或软件编程完成情形20% 硬件测试或软件调试结果*10% 设计说明书质量20% 设计图纸质量 10% 答辩汇报的条理性和特殊见解 10% 答辩中对所提问题的回答情形 10% 完成任务情形 10% 独立工作才能 10% 出勤情形（ 10%）综 合 评 分指导老师签名： _ 名师归纳总结 日期： _ 第 27 页,共 28 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 注：表中标 * 号工程是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最终一页；课程设计说明书装订次序：封面、任务书、目录、正名师归纳总结 文、评分表、附件（非16K 大小的图纸及程序清单）；第 28 页,共 28 页- - - - - - -