步进电机课程设计设计Word格式.docx

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附录2单片机课程设计任务书……………………………………………………………18

第一章课程设计的目的和要求

1.1课程设计的目的和要求

一、课程设计目的

《单片机应用基础》课程设计是学好本门课程的又一重要实践性教学环节，课程设计的目的就是配合本课程的教学和平时实验，以达到巩固消化课程的内容，进一步加强综合应用能力及单片机应用系统开发和设计能力的训练，启发创新思维，使之具有独立单片机产品和科研的基本技能，是以培养学生综合运用所学知识的过程，是知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要阶段。

二、课程设计要求

1、利用proteus软件设计步进电机各模块工作原理图，并进行模拟仿真；

2、控制程序设计、调试及实现：

（1）根据要求，写出完整的电机设计程序流程图；

（2）将设计程序输入、便宜，排除语法错误，生成.hex文件；

（3）利用proteus软件进行电路模拟仿真和调试；

3、设计硬件电路并烧写程序，调试后系统能按照要求工作；

4、写出课程设计说明书。

1.2课程设计预备知识

（一）步进电机的介绍：

步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。

控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。

为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。

人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。

此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被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，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。

（二）步进电机工作原理：

步进电机是工业过程控制及仪表中常用的控制元件之一，例如在机械装置中可以用丝杠把角度变为直线位移，也可以用步进电机带螺旋电位器，调节电压或电流，从而实现对执行机构的控制。

步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，用起来非常方便。

步进电机还具有快速启停、精确步进和定位等特点，因而在数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。

当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。

由此可见，错齿是促使步进电机旋转的原因。

三相步进电机结构示意图

1.步进电机的运转是由脉冲信号控制的，传统方法是采用数字逻辑电路——环形脉冲分配器控制步进电机的步进。

因此：

（1）、如果按照A→B→C→A的顺序轮流通电一周，循环下去就可以进行单-三拍运转。

设高电平用“1”表示,低电平用“0”表示，依次循环直到停止：

单-三拍脉冲分配表：

A

1

B

C

则步进电机时序波形图如下：

（2）、如果按照AB→BC→CA→AB的顺序轮流通电一周，循环下去就可以进行双-三拍运转。

双-三拍脉冲分配表：

则此时步进电机时序波形图如下:

（3）、如果按照AB→B→BC→C→CA→A→AB的顺序轮流通电一周，循环下去就可以进行单双-三拍运转。

单双-三拍脉冲分配表：

此时步进电机时序波形图如下:

2.步进电机的控制：

（1）、运转方向控制。

步进电机以三相六拍方式工作，若按AB→B→BC→C→CA→A次序通电为正转，则当按A→AC→C→CB→B→BA次序通电为反转。

（2）、运转速度的控制。

当改变CP脉冲的周期时，ABC三相绕组高低电平的宽度将发生变化，这就导至通电和断电时速率发生了变化，使电机转速改变，

所以调节CP脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。

（3）、旋转的角度控制。

因为每输入一个CP脉冲使步进电机三相绕组状态变化一次，并相应地旋转一个角度，所以步进电机旋转的角度由输入的CP脉冲数确定。

（三）单片机芯片

89C51单片机

Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压‘高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；

片内的FlashROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。

1.3课题设计的任务及目标

（一）课程设计任务：

根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元器件，进行系统硬件电路设计和软件编程，根据系统制作并调试系统电路板，使之实现任务要求。

有关参数选择要求符合国家标准。

具体设计内容如下：

模拟步进电机控制，通过AT89C51的端口控制实现对步进电机的控制：

包括电机的正转、反转、加速、减速以及实现电机可以按一定的节拍运转，如三相电机单-三拍、双-三拍、单-双-三拍运转。

（二）课程设计目标：

1．课程设计说明书一份；

2．系统工作原理图一张；

3．C语言源程序；

4．硬件电路板调试通过；

第二章总体设计

主要介绍对系统设计的总体认识及解决方案，并对采取的方案进行论证

（一）系统设计的总体框图如图所示：

（二）论证设计：

该方案利用单片机p0、p1、P2、P3口高低电平的控制实现步进电机的启动、停止、正转、反转、加速、减速和各拍节转动以及状态显示的目的。

该系统的输入量为电机转向即正转与反转2根口线，速度的增减2根口线，拍节的变化，包括单-三拍、双-三拍、单-双-三拍3根口线，再加上一根控制系统停止大STOP口线一共8根口线，恰好利用P3口的P3.0—P3.7端口实现。

P1口接电机是程序控制的输出端，通过脉冲控制输出端高低电平控制步进电机以何种模式运转。

P0与P2端口结合通过控制电阻排内部电流来控制LCD显示器。

第三章硬件设计

本设计的硬件电路只要包括步进电机控制电路部分、最小系统（AT89C51）芯片、以及显示电路三大部分。

控制电路只是由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。

最小系统只要是为了使单片机正常工作。

显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。

（一）控制电路部分：

根据系统的控制要求，控制输入部分设置了速度加减控制，暂停控制，换向控制和工作模式控制，分别是K1、K2，STOP,R、L，M1、M2、M3控制电路如图4所示。

通过不间断键盘检测，当检测到K1、K2按键状态变化时，内部程序检测P3.0和P3.1的状态来调用相应的加速和减速程序；

当检测到STOP按键状态变化时，内部程序检测P3.2的状态实现暂停功能；

当检测到R或L按键状态变化时，内部检测P3.3和P3.4端口调用正反转命令程序实现正反转；

当检测到按键M1、M2、M3变化时，内部扫描对应P3.5—P3.7端口状态以调用相应的源程序实现模式之间的转换。

控制原理图如下图所示：

（二）最小系统芯片部分：

单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机、复位电路、晶振电路。

复位电路：

使用了独立式键盘，单片机的P1口键盘的接口。

该设计要求只需4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了6路独立式键盘。

复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用30PF的电容和一12M晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。

晶振电路：

8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：

内部震荡

方式和外部中断方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

内部振荡方式的外部电路如图5示。

其电容值一般在5~30pf,晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。

内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。

最小系统部分原理图如下：

（三）显示电路：

在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为18级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路，以便知道电机处于何种工作状态。

使用lcd显示器LM016L型号（具体参数需查看该显示器使用说明）显示器实现双行显示，可以很明确知道工作状态。

显示部分电路图如下图所示：

第四章软件设计

该电机程序采用C语言源程序控制，采用自下而上程序设计结构，先设计出每一个具体的模块（子程序）例如LCD内部控制程序模块、显示内容部分程序模块、正反装减速减速变拍模块，然后再慢慢扩大，最后组成一个系统，即步进电机的主程序。

程序设计流程图：

步进电机程序流程图

下面是各程序模块的源程序代码：

1.LCD内部控制程序模块：

sbitRS=P2^0;

sbitRW=P2^1;

sbitE=P2^2;

voidwrite_add（uchari）//写命令函数

{

RS=0;

E=0;

P0=i;

delay（5）;

E=1;

}

voidwrite_date（uchari）//写数据函数

RS=1;

voidinit_lcd