基于单片机的步进电机控制设计说明.doc

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1、毕业设计(论文)课题名称基于单片机的步进电机控制设计学生姓名学号系、年级专业信息工程系电子信息工程专业指导教师职称 讲 师 2009年5月22 日43 / 48摘 要本论文主要介绍了基于单片机的步进电机控制的规则、硬件结构、软件代码的编写与工作原理、以与液晶模块12864LCD的详细介绍以与指令集。模拟出单片机系统下的步进电机转速控制，具有任意转速选择、转动时间、正反转、加速和减速设置、系统低功耗、可实现在线调试等特点。本系统是以单片机为其控制核心，以有源晶振构成的电路作为时钟信号，通过键盘输入选择向单片机控制系统发出步进转动控制命令，控制系统接收命令后做出一系列必要的判断后，控电机的转速、转

2、向等。本设计已通过了实验仿真，运行稳定，达到了基本的设计要求。本设计要分为两大块：一块为硬件电路组成部分，一块为软件程序设计部分。在硬件电路里主要包括有源晶振部分、键盘输入控制部分、电机驱动电路与液晶显示部分等与单片机的接线设计；软件编程方面主要是子程序和主程序的编写，包括：初始化代码、液晶驱动代码、时间记录代码、表格数据代码等。关键词：单片机；步进电机；12864LCD；指令集AbstractThis thesis is mainly introduce the Prepared and working principles about regulation、structure of har

3、dware、software code of stepping motor control based on MCU as well as detail information and instruction set on LCD Module 12864LCD.This thesis also simulates that under the system of single-chip stepping motor speed control has the disadvantages of changing speed、time arbitrary、Positive and negativ

4、e transfer、installation of accelerated and deceleration、low-power system and online debugging. Single-chip as core of control and the circuit made up by active crystal as clock signal, the stepper motor speed control system starts to making a series of necessary judgment and then control rotate spee

5、d and change direction when it receive the command of stepper transfer control from single-chip control system by keyboard. As run steady, this project has already passed the simulation and has achieved the basic purpose. This project consists of two parties. One is hardware circuit and the other is

6、 software programming. In the part of hardware circuit is include active crystal、control system of keyboard input 、system of motor drive circuit and liquid crystal system. In the second part, Design of connection of single-chip、software prepared is the mainly prepared of Subroutine and Main program

7、including initialization code 、liquid drive code 、the timing of recording code form data code8.Key words: MCU；stepper motor；12864LCD；Instruction Set.目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的来源11.2 课题研究的意义11.3 课题国研究现状11.4 课题研究的目的和主要容2第2章 步进电机方案设计与分析32.1 方案提出32.2 可行性分析42.3 主要器件选择4第3章 系统硬件设计63.1 AMPIRE128*64液晶屏介

8、绍63.2 HD61202与其指令集介绍73.3 晶振、复位、驱动电路93.4 液晶显示屏与单片机接口电路113.5 控键与单片机接口电路11第4章 系统软件设计134.1 电机流程图134.2 液晶屏驱动代码设计144.3 固定字符显示代码184.4 中断子程序194.5 汉字表194.6 字符表224.7 延时子程序224.8 主函数程序23第5章 系统仿真255.1 Keil2编译环境介绍255.2 Proteus 仿真平台265.3 建立工程项目285.4 Proteus中原理图的绘制与文件的加载325.5 开机界面显示325.6 控制界面显示335.7 仿真结果分析与解决方法34第6

9、章 PCB板设计356.1加载网络表与元件封装356.2 PCB板参数设置366.3元件布局与布线设计38结束语40参考文献41致 42附录 总体电路图43第1章 绪论1.1课题的来源步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一

10、同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以与步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。1.

11、2 课题研究的意义 对基于单片机控制的步进电机的转速控制进行设计：一方面是对所学知识的综合运用，可以更好地学习单片机的应用技术，另一方面步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。1.3 课题国研究现状 上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原

12、来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转

13、同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。1.4课题研究的目的和主要容 本文针对步进电机控制的设计，首先介绍了选题的要求，之后详细叙述了软件和硬件的设计过程。 在时钟脉冲的作用下，各个按键都能按照事先设定好的规则进行控制。确定键能使界面从初始化显示切换到步进电机显示界面，0-9十个数字键用来设置转速，正转和反转控制电机的正反转向，加速和减速键用来控制转速，以十转为基本单位进行递加或递

14、减，设置键可以设置转向、精确的转速、转动时间，当设置完成是可以用启动键启动。 硬件部分是由中央处理器（AT89C51单片机），控制部分（独立式按键系统），显示部分（12864LCD液晶显示模块）组成的，驱动部分（L298芯片）；软件部分的主要容是通过对步进电机的控制、驱动程序进行编写和调试以实现步进电机的功能。通过硬件和软件调试，并针对问题分析修改后，步进电机系统可以稳定运行。步进电机系统中各个部分之间通过数据的传送最终完成了整个步进电机的运行、显示和进行按键的功能。 最后论文对设计进行了总结，对设计中可以进一步改善的地方提出了建议。第2章 步进电机方案设计与分析2.1 方案提出方案一：采用基

15、本电路以与相关芯片对步进电机进行控制。本设计选用PMM8713四相步进电机的脉冲分配器、SI7300A四相功率驱动器，组成四相步进电机的驱动电路，步进电机的控制框图如图2.2所示54：图2.1 方案一框图方案二：用单片机作为步进电机的核心控制器件，键盘调节转速、时间等，液晶显示当前状态。系统框图如图2.2所示12：图2.2 方案二框图相较之下用单片机控制的步进电机要比采用基本电路控制的步进电机要简单很多，在价格上单片机可能稍微高上少许，但用单片机后可以省下许多控制器件，这样看来反而便宜一些了。另外，在大学中我们已经系统的学习了单片机，对单片机的应用编程比较熟悉。考虑到以上因素，采用了第二套方案

16、。以下将会对所选方案的可行性和主要芯片的选择做系统的介绍。2.2 可行性分析 现如今，步进电机广泛应用在生产实践的各个领域，随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。步进电机结构简单，但是这种简单也是相对的，步进电机本身的代码还是相当繁杂，它要执行一系列指令才能正确的完成一个简单的操作，才能按照设计者的意志工作。那么步进电机能否用单片机实现呢？答案是肯定的，现从以下几个方面加以说明。 首先，我们设计的这个电机是一个功能相对比较简单步进电机，不像其他的电机那样功能复杂，它只要控制电机的转速、转动时间与正反转即可，对于实现这样一个功能，程序不是太复

17、杂，用一块单片机足以达到目的。其次，它的控件也比较少只有10个数字键和6个控制功能键，这些控键在Proteus中用弹跳式按键代替即可。第三，电机的显示相对比较小、画面简单，只有转向、转速、旋转时间等几个汉字，这些在一块稍大的液晶屏上就足以显示。第四，就编程语言方面来说，编写这样一个简单的步进电机不需要什么高级的语言，C语言或汇编语言就足以完成，C语言是一种通用型的语言，编程灵活、可读性强、移植性好；汇编语言是一种直接面向硬件的基础语言，最接近机器语言，执行速度快（本设计采用C语言编写）。由以上几点可知：用单片机设计步进电机在硬件和软件两个方面都是可行的。2.3 主要器件选择2.3.1 单片机的

18、选择 单片机的种类有很多：通用型单片机按位数分有4位机,8位机,16位机和32位机等等。按厂家分种类就更多,我国目前最常用的单片机有如下几家:Intel公司的(MCS51系列,MCS96系列)；Atmel公司的(AT89系列,MCS51核)；Microchip公司的(PIC系列)；Motorola公司的(68HCXX系列)；Zilog公司的(Z86系列)；Philips公司的(87,80系列,MCS51核)；Siemens公司的(SAB80系列,MCS51核)；NEC公司的(78系列)，每种单片机的都有不同，包括：I/O口个数、定时/计数器个数、数据/程序存取区大小、中断源个数、有无看门狗中断

19、、有无A/D转化等等129。 基于本电机的设计只用到了不到20个I/O口；1个定时器断。所以选择了Atmel公司的AT89C51单片机。其参数如下：1、基于8051的全静态CMOS工艺控制器；2、3级流水线指令执行架构；3、32个I/O口；4、2个定时/计数器；5、6个中断源；6、4K的闪存程序存储器；7、128字节的片数据存取器。 由以上参数可知AT89C51单片机完全满足设计要求,且在成本上较其他类型的单片机有优势。2.3.2 液晶屏的选择 液晶屏的种类也有很多，我们经常用到的液晶屏包括：AMPIRE128*64；LGM12641BS1R；LM016L；LM020L；LM017L等等。 前

20、两种为不带字库的汉字、图形点阵液晶屏，共64行，128列，能显示4行8列32个16*16点阵汉字或4行16列64个16*8点阵字符或者最大128*64点阵图形。也有带字库的12864，功能一样。 后几种则是带字库的字符点阵，不能显示图形。LM016L为能显示2行16列32个字符的液晶屏；LM020L为能显示1行16列16个字符的液晶屏；LM017L为能显示2行32列16个字符的液晶屏。 由以上介绍可知，AMPIRE128*64液晶显示模块表示横向有128点，纵向有64点，可显示16*16中文字4行，每行8个字，很明显，这块液晶屏满足步进电机设计的显示要求，大小也合适。如转速显示、时间显示等，完

21、全满足设计要求。这块液晶和以上的很不一样，它基于T6963C核，引脚更多，功能更复杂，指令集也更多（这些相关容将在下一章具体介绍）123。第3章 系统硬件设计 本部分容包括介绍AMPIRE128*64与其引脚功能；介绍T6963C指令集；晶振电路、复位电路的硬件设计；控件与按键电路设计，最后给出步进电机仿真的整体硬件电路图，接下来是具体的说明156。3.1 AMPIRE128*64液晶屏介绍AMPIRE128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 置8192个16*16点汉字，和128个16

22、*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字。也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于一样点阵的图形液晶模块，其在Proteus中的元器件图形如下6： 图3.1 AMPIRE128*64各引脚的功能描叙如下表表3.1 AMPIRE128*64引脚功能表引脚序列引脚名称引脚功能描述1CS1片选择，1有效2CS2片选择，1有效3GND地引脚,接地4VCC功能不详，在电路连接时悬空

23、5V0对比度调节，输入电压 -0 -10V6RSRS=1 时DATA为显示数据； RS=0 时DATA为指令数据7RWRW=1为读LCD部数据；RW=0是写数据 到LCD8ERW=0、E时LCD对RS和数据DATA进行取样和执行；RW=1、RS0、E时LCD输出数据到DATA916D0D7数据引脚，用于液晶屏与单片机之间的数据通信17RST复位引脚，低电平有效，起复位作用，器件部集成了上拉电阻，正常工作时此引脚接电源18-Vout负压输出（-10V）3.2 HD61202与其指令集介绍3.2.1 HD61202HD61202与其兼容液晶显示控制驱动器，是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器。它

24、可直接与8 位微处理器相联，可与HD61203配合，对液晶屏进行行列驱动。藏6464 = 4096位显示RAM，RAM中每位数据对应LCD屏上一个点的亮、暗状态；HD61202与其兼容控制驱动器是列驱动器，具有64路列驱动输出；读、写操作时序与68系列微处理器相符，因此它可直接与68系列微处理器接口相联；占空比为1/32-1/64。该器件支持非常广泛的字符格式，液晶显示器允许通过编程设置选择不同的组合。它可以用于文字，图形和结合文本模式与其他各种属性的功能。3.2.2 HD61202指令集 HD61202与其兼容控制驱动器的指令系统比较简单总共只有七种现在分别介绍如下;(1)显示开/关指令R/

25、W D/1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1/0 当DB0=1时，LCD显示RAM中的容； 当DB0=0时，显示关闭。(2)显示起始行（ROW）设置指令R/W D/1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 显示起始行（063） 该指令设置了对应液晶显示屏最上一行的显示RAM的行号，有规律的改变显示起始行，可以使LCD实现显示滚动效果。(3)页（Page）设置指令R/W D/1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 0 1 1 1 页号（07） 显

26、示RAM共64行，分8页，每页8行。(4)列地址（Y Address）设置指令R/ D/1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 显示列地址（063） 设置了页地址和列地址，就唯一确定了RAM中的一个单元，这样MPU就可以读、写指令，读出该单元中的容或向该单元写进一个字节数据。(5)读状态指令R/W D/1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 B USY 0 ON/OFF REST 0 0 0 0 该指令用来查询HD61202与其控制驱动器的状态，各参量含义如下; BUSY: 部在工作0，正常状态1；ON/OFF:

27、显示关闭0，显示打开1； REST: 复位状态0，正常状态1。 在BUSY和REST状态是，除读状态指令外，其他指令均不对HD61202与其兼容控制驱动器产生作用。 在对HD61202与其兼容控制驱动器操作之前，要查询BUSY状态，以确定是否队HD61202与其兼容控制驱动器进行操作。(6)写数据指令R/W D/1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 写 数 据(7)读数据指令R/W D/1 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 0 读 显 示 数 据 读、写指令每执行一次读、写操作，列地址就自动增1。必须注意的是，进行读操作之

28、前，必须有一次空读操作，紧接着再读才会读出所要读的单元中的数据。3.3 晶振、复位、驱动电路3.3.1 晶振电路 单片机的晶振电路如图3.2所示，其中XTAL1和XTAL2分别为片振荡电路的输入输出端。一般电容取2047uF，本系统晶体的振荡频率为12MHz。晶振电路产生的振荡脉冲经过部触发器进行二分频后，成为单片机的时钟脉冲信号，为单片机提供一个基本时钟信号。图3.2 晶振电路3.3.2 复位电路 复位操作是单片机的基本操作，单片机在进入运行前和在运行过程中程序出错或操作失误使系统不能正常运行时，需要进行复位操作，复位操作后，程序将从0000H开始重新执行。 复位信号从单片机的RST引脚输入

29、，复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本电路采用了按键电平复位，电路图如图3.3所示： 图3.3 复位电路3.3.3 电机驱动电路 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件,由于步进电机具有控制方便、体积小等特点,所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普与与应用,为步进电动机的应用开辟了广阔前景,使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现,既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性,可靠性与多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构,但价格都偏高。应用SGS公司推出的L

30、298芯片可方便的组成步进电机驱动器,并结合AT89C51单片机进行控制,即可以实现用相对便宜的价格组成一个性能不错的步进电机驱动电路。 图3.4 电机驱动电路3.4 液晶显示屏与单片机接口电路 液晶显示屏共有18个引脚，其中VCC、RST接电源，GND三脚接地，CS1、CS2两脚分别接P2.4、P2.3，DB0DB7分别与单片机P0.0P0.7相连接，RW与P2.1脚相连，RS与P2.0脚相连，E与P2.2脚相连，V0滑动变阻器，电如图见图3.5所示： 图3.5 LCD与单片机接口3.5 控键与单片机接口电路 本设计共有16个控件，分别是：0-9十个数字键用来设置转速，正转和反转键控制电机的

31、正反转向，加速和减速键用来控制转速，以十转为基本单位进行递加或递减，设置键可以设置转向、精确的转速、转动时间，当设置完成是可以用启动键启动。K1K8分别与P1.0P1.7相接，键盘如图3.6所示：图3.6 键盘接口第4章 系统软件设计 本部分主要介绍步进电机控制的软件部分设计，包括电机流程图、液晶屏驱动代码设计、初始化代码设计、电机时间代码设计、数据表格设计等几个方面，现就对这几个方面做具体分析。4.1 电机流程图4.1.1 液晶驱动程序调用规则流程图 本设计用到了液晶AMPIRE128*64，势必用到驱动代码，包括读状态函数；写指令函数；读数据函数；写数据函数；自动读写函数；显示汉字、字符函

32、数等等，现以流程图的形式给出其互相调用规则（A函数指向B函数，表示B调用了A）。 图4.1 液晶驱动调用4.1.2 主函数流程图 在主函数的运行过程中，程序会随着启动键的按下进入主循环而不断地扫描键盘，判断是否有键按下，再调用相关函数做相应的处理，同时一个定时器中断有条件开启，在中断到来时响应中断，执行相关的中断操作，流程图如下：图4.2 主函数调用4.2 液晶屏驱动代码设计4.2.1 判断忙指令void Busy()DI=0;RW=1;do DB=0xff; E=1; DB&=0x80; E=0; while(DB!=0);4.2.2 写指令程序void Write_( unsigned c

33、har )Busy();DI=0;RW=0;E=1;DB=;E=0;4.2.3 写数据程序void Write_dat(unsigned char dat)Busy();DI=1;RW=0;E=1;DB=dat;E=0;4.2.4 写汉字程序void Han_Zi(bit m,unsigned char page,unsigned char row,unsigned char n)unsigned char i,j;if(m) CS1=0; CS2=1; else CS1=1; CS2=0; for(j=0;j2;j+) Write_(page+0xb8+j); Write_(row+0x40

34、); for(i=0;i16;i+) Write_dat(Tab1n16*j+i); 4.2.5 写字符程序void Zi_Fu(bit m,unsigned char page,unsigned char row,unsigned char n)unsigned char i,j;if(m) CS1=0; CS2=1; else CS1=1; CS2=0; for(j=0;j2;j+) Write_(page+0xb8+j); Write_(row+0x40); for(i=0;i8;i+) Write_dat(Tab2n8*j+i); 4.2.6 清屏程序void Clear()unsigned char i,j;CS1=1;CS2=0;for(j=0;j8;j+) Write_(0xb8+j); Write_(0x40); for(i=0;i64;i+) Write_dat(0); CS1=0; CS2=1; for(j=0;j8;j+) Write_(0xb8+j); Write_(0x40); for(i=0;i -9