基于单片机设计步进电机的控制系统--课程设计.docx

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1、目录1.实验要求与设计21.1设计目的21.2 设计要求21.3 设计思路22.设计原理及分析22.1 步进电机控制系统的组成22.2 单片机最小系统22.3 键盘控制电路22.4 LED数码显示电路23.系统的总体方案设计23.1 步进电机总体设计框图23.2 驱动控制系统组成23.3 脉冲信号的产生24.软件设计设计及调试24.1 主程序流程图24.2 INTO中断子程序框图24.4 程序代码25.实验心得与体会2参考文献2附：课程设计评分表2附：步进电机电路图21.实验要求与设计1.1设计目的以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元，通过

2、键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。1.2 设计要求1.利用键盘按键来控制步进电动机的加速减速以及控制电动机的正转、反转、启动、停止等操作，达到显示的目的。2.了解步进电动机的工作原理，会计算其各个量之间的转换，例如，速度、时间、频率与步进角之间的关系。3.显示以51单片机为核心的实用控制电路，并进行调试出结果。1.3 设计思路采用51系列单片机实现对步进电动机进行调速控制。首先利用键盘按键来控制步进电动机的加速减速以及控制电动机的正转、反转、启动、停止等操作。达到显示的目的。最终使步进电动机的控制能更加灵活。本实验采用89C51做单片

3、机运行的,所用本实验只需要将其四相连接P1口得P1.0P1.3口就行了，在AEDK实验教学机上，数码管和8279内部已经连接好，不需再连线。本实验使用的步进电机用直流+12V电压，电机线圈由A、B、C、D四相组成驱动方式为四相四拍方式,各线圈通电顺序如下表。表中首先向A线圈输入驱动电流， 接着B、C、D线圈驱动，最后又返回到A线圈驱动，按这种顺序切换，电机轴按顺时针方向旋转。若通电顺序相反，则电机轴按逆时针方向旋转。2.设计原理及分析2.1 步进电机控制系统的组成步进电机控制系统共分为六个模块：单片机最小系统模块、键盘控制模块、数码显示模块、测速模块、步进电机驱动模块和电源模块。1.单片机最小

4、系统主要由复位电路和时钟电路组成。复位电路为单片机系统提供可靠复位，使单片机能正常启动。时钟电路采用外部时钟方式，保证单片机个功能部件都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。2.键盘控制模块包括方向控制键、加速键和减速键、启停键。实现对步进电机的控制。并且键盘上连接有发光二极管，以指示键盘状态。3.数码显示模块采用共阴极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。4.测速模块采用开关霍尔片对安放在步进电机转盘上的小磁片的磁信号进行检测，步进电机转盘每次带动小磁片经过霍尔片时，其都将有脉冲信号从霍尔片输出。单片机外部中断口对信号进行采集。2.2 单片机最小系统近年，由于CHMOS技术的进步，

5、大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS

6、正在逐渐取代TTL电路。单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。考虑到经济和可靠性的要求，本设计中采用AT89C51单片机，它宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机。是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。1. AT89C51单片机参数

7、：工作电压：5.5V3.8V/3.3VFlash程序存储器字节：4K定时器T0、T1：有中断优先级：22. AT89C51单片机优点：超低功耗超强抗干扰，超强抗静电输入输出口多，最多有40个I/O速度快，1个时钟/机器周期，可用低频率晶振2.3 键盘控制电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为510ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。按

8、键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，相应的发光二极管变亮。为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍保持闭合状

9、态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。其原理图如图2-3所示：图2.1键盘控制模块原理图2.4 LED数码显示电路发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新型显示器件。在单片机系统中应用非常普遍。图2.2 数码管显示电路3.系统的总体方案设计3.1 步进电机总体设计框图图3.1 总体设计框图 本系统是单片机软件程序来产生脉冲分信号，即把数字控制技术的高精度等方面的优势有效的应用于步进电机控制系统，本电路包括开关控制电路，时钟电路，功率放大器电路等的选择。3.2 驱动控制系统组成使

10、用控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，方框图3.2如下:图3.2 控制系统组成图3.3 脉冲信号的产生脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，点击转速越高，占空比越大。4.软件设计设计及调试4.1 主程序流程图步进电机控制系统的主程序在对8279系统初始化后主要完成定时中断及定时器处理的功能，如图4.1所示：图4.1 主程序系统上电复位后，先调用初始化子程序，对步进电机各端口，相关参数进行初始化，启动定时中断。实现电机控制程序和定时器处理程序的功能。4.2 INTO中断子程序框图1.中断程序框图（图4.2）主要负责步进电机的正，反转功能。图

11、4.2 INTO中断子程序框图2.中断子程序框图（图4.3）负责处理键盘功能首先初始化实际键值参数，然后扫描键盘，读缓存，执行键盘之程序里的指令，将相应的变量值改变，为键盘处理子程序做准备。图4.3 INTO中断子程序框图4.4 程序代码;- -;Z8279入口地址;- -Z8279 EQU 8701H ;8279状态口地址D8279 EQU 8700H ;8279数据口地址;- -;74LS273入口地址;- -PI EQU 8300H ;- -;定义RAM字节单元;- -DIRE EQU 30H ;转的形式 STAS EQU 31H ;相位 SPED EQU 32H ;速度指针03 SPE

12、DED_VAL EQU 33H KEY_VAL EQU 34H DISPED_SBUF0 EQU 35H DISPED_SBUF1 EQU 36H DISPED_SBUF2 EQU 37H ORG 0000H LJMP START ORG 000BH LJMP INT0_P ORG 001BH LJMP INT1_P ORG 0100HSTART: MOV SP,#60H LCALL INTI8279 LCALL INT_T0 LCALL INT_T1 MOV DIRE,#02H MOV SPED,#04H MOV STAS,#077H SETB EA;- -;8279初始化子程序;- -IN

13、TI8279: MOV DPTR,#Z8279 ;清除命令 MOV A,#0D3H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#Z8279 ;键盘显示命令 MOV A,#000H; MOVX DPTR,A MOV DPTR,#Z8279 ;时钟编程命令 MOV A,#038; MOVX DPTR,A NOP RET;-;初始化定时器0;-INT_T0: MOV TMOD,#011H MOV TH0,#0FFH; MOV TL0,#0FEH CLR PT0 SETB ET0 SETB TR0 RET;- -;初始化定时器1;- - INT_T1: MOV TMOD,#011H MOV TH1,#

14、04CH ;定时时间为50mS MOV TL1,#000H SETB PT1 SETB ET1 SETB TR1 RET ;- -;定时器0处理程序;根据参数控制直流电机;- -INT0_P: PUSH ACC ;堆栈 ;- - ;步进电机控制程序 ;- - LCALL LP0 EXIT0: MOV TH0,#0FFH ;重装定时初值 MOV TL0,#0FEH POP ACC RETI;-;步进电机控制程序;入口参数:;- LP0: MOV R7,SPEDED_VALLP1: LCALL DELAY DJNZ R7,LP1 MOV A,DIRE CJNE A,#00H,LP2 ;顺时针转 M

15、OV A,STAS RL A MOV STAS,A ANL A,#0FH MOV P1,A ;相位输出 LJMP LP5LP2: CJNE A,#01H,LP3 ;逆时针转 MOV A,STAS RR A MOV STAS,A ANL A,#0FH MOV P1,A ;相位输出 LJMP LP5LP3: CJNE A,#02H,LP5 ;停转 LJMP LP5 LP5: NOP RET ;-;延时子程序;-DELAY: MOV R3,#20H ;延时子程序 DELAY1: MOV R4,#04FH DJNZ R4,$ DJNZ R3,DELAY1 RET ;-;定时器1处理程序;键盘;-INT

16、1_P: PUSH ACC ;堆栈 LCALL KD_KB LCALL SBUF_DISPED0 LCALL LEDD_PROC0EXIT1: MOV TH1,#04CH ;重装定时初值 MOV TL1,#000H POP ACC RETI ;-;8279键盘译码处理主程序;-KD_KB: MOV DPTR,#Z8279 ;读状态字 MOVX A,DPTR ANL A,#0FH JZ KD_KB1 MOV A,#40H;读FIFO ;传感器RAM命令 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#D8279 MOVX A,DPTR ANL A,#3FH ;键值最大为64,屏蔽不用位 MOV KE

17、Y_VAL,A LCALL JP0KD_KB1: NOP RET ;-;功能键处理子程序;入口参数:KEY_VALU;-KEY0: MOV A,KEY_VALU CJNE A,#0AH,KEY1 LCALL KA0 LJMP KEY8KEY1: CJNE A,#0BH,KEY2 LCALL KEY0 LJMP KEY8KEY2: CJNE A,#0CH,KEY8 LCALL KEY0 LJMP KEY8KEY8: NOP RET ;-;键A处理子程序;键A为切换到正转键或者/正转级数参数更改键;-KA0: MOV A,DIRE CJNE A,#00H,KA2 INC SPED MOV A,SP

18、ED CJNE A,#04H,KA1 MOV SPED,#00HKA1: LCALL SPEDED_LOAD0 LJMP KA5KA2: MOV SPED,#00H MOV DIRE,#00H MOV SPEDED_VAL,#61H LJMP KA5KA5: NOP RET;-;装载正转占空参数;-SPEDED_LOAD0: MOV A,SPED CJNE A,#00H,SPEDED_LOAD1 MOV SPEDED_VAL,#050H LJMP SPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD1: CJNE A,#01H,SPEDED_LOAD2 MOV SPEDED_VAL,#020H LJ

19、MP SPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD2: CJNE A,#02H,SPEDED_LOAD3 MOV SPEDED_VAL,#00AH LJMP SPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD3: CJNE A,#03H,SPEDED_LOAD8 MOV SPEDED_VAL,#005H LJMP SPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD8: NOP RET;-;键B处理子程序;键B为切换到反转键或者/反转级数参数更改键;-KB0: MOV A,DIRE CJNE A,#01H,KB2 INC SPED MOV A,SPED CJNE A,#04H,KB1 MOV SPED

20、,#00HKB1: LCALL SPEDED_LOAD0 LJMP KB5 KB2: MOV SPED,#00H MOV DIRE,#01H MOV SPEDED_VAL,#61H LJMP KB5KB5: NOP RET;-;键C处理子程序;键C为切换到停止键;-KC0: MOV A,DIRE CJNE A,#02H,KC1 LJMP KC5KC1: MOV DIRE,#02H MOV SPED,#04H LJMP KC5KC5: NOP RET;-;数码显示子程序;入口参数:DISPED_BUF0-DISPED_BUF5;- SBUF_DISPED0: MOV A,SPED MOV DPT

21、R,#SPEDED_TAB MOVC A,A+DPTR MOV B,#100 DIV AB MOV DISPED_SBUF0,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV DISPED_SBUF1,A MOV DISPED_SBUF2,B MOV DPTR,#Z8279 ;写显示命令 MOV A,#090H MOVX DPTR,A MOV R0,#DISPED_SBUF2 MOV R6,#03HSBUF_DISPED1: MOV DPTR,#LEDSEG_TAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#D8279 MOVX DPTR,A DEC R0

22、DJNZ R6,SBUF_DISPED1 SBUF_DISPED2: NOP RET;-;笔形码表;-LEDSEG_TAB: DB 03FH,006H,05BH,04FH,066H,06DH,07DH,007H,07FH,06FH ;0,1,2,3,4,5,6,7,8,9DB 0BFH,086H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,087H,0FFH,0EFH ; 加点的数值DB 000H ;灭码SPEDED_TAB: DB 010H,050H,090H,0F0H,#000H END 5.实验心得与体会 经过这么长时间的努力终于将课程设计完成了，在这次设计中，我们的电路知识得到了

23、很好的补充和巩固，还使我提高了将理论知识运用到实际中的能力。通过这次课程设计，更深一步掌握了51单片机的原理，了解了简单步进电机控制系统的组成原理，并初步掌握了步进电机设计及测试方法。提高了动手能力和排除故障的能力。同时通过本次设计与调试，巩固了已学的理论知识，将单片机的理论和实践相结合，了解到步进电机各单元电路之间的关系及影响，从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。初步掌握步进电机控制系统的设计及测试方法，提高了动手能力和排除故障的能力。这次设计使我们学到了以前书本知识中所不曾了解的知识，更加明白了在如今的信息时代下电子技能知识的重要性，丰富了我们对实际工艺技术、电子技术和设备技术等方

24、面的认识，掌握了分析问题、处理问题的方法以及调试、计算等基本技能，使实际工作能力得到了有效提高。在这次的课程设计中非常感谢老师的指导与帮助，使我们的课程设计能更好的完成，这对于我们今后的学习、工作和生活都有很大帮助。同时，我们也充分认识到团队合作的重要性，这次经历对于我们以后的发展无疑是相当有帮助的。相信有了这次累积，毕业后的工作学习将会更加顺利。参考文献1 朱兆优 陈坚 王海涛编著. 单片机原理与应用. 北京：电子工业出版社，2010年7月2 肖静编. mcs-51实验指导书实验指导书. 东华理工大学机电学院3 周荷琴 吴秀清编著. 微型计算机原理与接口技术.第四版. 中国科学技术大学出版社

25、，2008年12月附：课程设计评分表东华理工大学长江学院课程设计评分表学生姓名： 万凯瑞 学号： 08314326课程设计题目：步进电动机项目内容满分实 评选题能结合所学课程知识、有一定的能力训练。符合选题要求（3人一题）5工作量适中，难易度合理10能力水平能熟练应用所学知识，有一定查阅文献及运用文献资料能力10理论依据充分，数据准确，公式推导正确10能应用计算机软件进行编程、资料搜集录入、加工、排版、制图等10能体现创造性思维，或有独特见解15成果质量模型正确、合理，各项技术指标符合要求。15摘要叙述简练完整，假设合理、问题分析正确、数学用语准确、结论严谨合理；问题处理科学、条理分明、语言流畅、结构严谨、版面清晰15论文主要部分齐全、合理，符号统一、编号齐全。格式、绘图、表格、插图等规范准确，符合论文要求10字数不少于2000字，不超过15000字5总 分100指导教师评语：指导教师签名：年 月 日附：步进电机电路图