单片机步进电机设计说明书含电路原理图解读.docx
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单片机步进电机设计说明书含电路原理图解读
华北水利水电学院
单片机课程设计
步进电机设计说明书
2012——2013学年
第2学期
专业班级：
学号：
姓名：
指导教师：
雷冀南
院、系：
机械学院
教研室：
机械制造教研室
课程设计任务书
课程设计名称
单片机应用基础课程设计
专业班级
（学生人数）
机自2010062—2010070
（96人）
指导教师
雷冀南
本学期承担相应课程教学任务情况
《单片机应用基础》
理论：
26学时
实验：
6学时
课程设计目的及任务
《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，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。
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：
单片机应用系统设计——模拟和仿真（步进电机控制、交通灯控制、键盘输入及显示）和单片机应用系统设计——硬件电路（步进电机控制、交通灯控制、键盘输入及显示）。
课程设计要求
要求：
1、利用proteus软件设计各模块工作原理图，并进行模拟仿真；
2、控制程序设计、调试及实现：
（1）根据要求，写出完整的程序流程图；
（2）将设计程序输入、汇编，排除语法错误，生成*.OBJ文件；
（3）利用proteus软件进行电路模拟仿真和调试
4、设计硬件电路并烧写程序，调试后系统能按照要求工作
5、写出课程设计说明书（统一格式）
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．汇编源程序（或者C语言源程序）
4．硬件电路板调试通过
参考文献
及资料
[1]李广第主编．单片机基础．第一版．北京航空航天大学出版社．北京．1994年6月
[2]王修才主编．单片机接口技术．第一版．复旦大学出版社．上海．1995年10月
[3]周志德主编．单片机原理及应用．第一版．高等教育出版社
[4]李运华主编．机电控制．第一版．北京航空航天大学出版社
[5]秦曾煌主编．电工学上册：
电工技术．第五版．高等教育出版社
[6]秦曾煌主编．电工学下册：
电子技术．第五版．高等教育出版社
注：
此套表填写一式三份，于课程设计前一周分别交至教学督导团、教务科、教研室
课程设计计划书
周次
日期
设计内容
具体要求
设计教室
指导时间段
8
2013.04.15
准备阶段：
复习相关知识，熟悉相关软件
熟悉电路符号及原理，能用PROTEUS设计印刷电路板图，熟悉各种电子元件
9：
30－11：
30
8
2013.04.16
总体方案设计
明确设计任务和要求，设计思路清晰；研究并制定出总体设计方案，加以论证，并提交总体设计方案报告
9：
30－11：
30
8
2013.04.17
各部分电路设计和实现
绘制工作原理图，利用PROTEUS软件对各部分电路进行模拟仿真
9：
30－11：
30
8
2013.04.18
8
2013.04.19
汇编或C语言源程序设计
绘制程序流程图，根据程序流程图编写源程序
9：
30－11：
30
9
2013.04.22
9
2013.04.23
程序调试
利用软件WAVE6000检查源程序的语法错误，并进行软件仿真，验证程序的正确性
9：
30－11：
30
9
2013.04.24
系统调试
装入系统源程序，进行硬件仿真和系统调试
9：
30－11：
30
9
2013.04.25
9
2013.04.26
整理设计资料，提交设计成果
课程设计说明书一份；
工作原理图一张；
汇编源程序清单（或者C语言源程序）；
硬件调试成功
9：
30－11：
30
注：
指导教师在课程设计期间每天指导时间不少于2小时。
教学院长：
教研室主任：
填表人：
雷冀南填表时间：
2013年04月13日
步进电机课程设计说明书
附录1程序流程图
附录2C51程序
附录3电路原理图
［摘要］本课程设计的内容是利用51单片机，达到控制步进电机的启动、停止、正转、反转、速度和状态显示的目的，使步进电机控制更加灵活。
步进电机驱动芯片采用ULN2003A，ULN2003A具有大电流、高电压，外电路简单等优点。
利用数码管增设电机速度状态显示功能，各项数据更直观。
实测结果表明，该控制系统达到了设计的要求。
关键字：
步进电机、数码管、51单片机、ULN2003A、设计过程
第一章课程设计整体认识及规划
1.1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。
1.2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：
1.能控制电机正反转，有正转和反转按钮。
2.在一定范围内可控制转速，有加速和加速按钮,用七段码显示。
3.可在不断电源的情况下暂停，有一个暂停按钮。
4.电动机处于哪个速度状态观察七段码数值，也可直观的观察电动机的旋转状态比较。
1.3单片机应用系统的设计步骤
1.分析设计任务，构思需要达到的效果，了解步进电机的一些知识。
2.设计系统工作原理图，利用PROTEUS软件绘制系统工作原理图；
3.购买电路所需的电子元件。
4.系统控制程序设计、调试及实现：
（1）根据要求，写出完整的程序流程图；
（2）了解C51编写语句，将设计程序输入、汇编，排除语法错误，生成*.OBJ文件；
（3）按所设计的原理图，焊接电路板，检查无误；
（4）将目标文件传送到ＡＴ８９Ｓ５１芯片上，执行并运行调试该程序，最终实现控制要求
单片机的应用系统随着用途不同，它们的硬件和软件结构差别很大，但系统设计的方法和步骤基本上是相同的。
一般包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、固化程序、应用系统独立运行等步骤。
第二章电路所用主要元件认识
2.1AT98S51芯片认识
该芯片是我们上课时以此为例讲的，所以也算很熟悉，各个引脚功能课本上一讲很清楚了，在这就不再多赘述。
展示一下它的引脚，实物引脚就这样，焊接电路时需注意！
2.2ULN2003A芯片认识
ULN2003A芯片是一个7路反相器，即第1到7引脚输入端为低电平时，对应输出端第16到10引脚输出为高电平，反之亦然。
8引脚接地，第9引脚COM提供工作电压，如proteus中图（3），实物图中引脚编号是逆时针（8号在左下，9号在右下）。
本设计中引脚1、2、3、4分别与AT89s51芯片的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口相连接，规定正转为逆时针方向的转动引脚16、15、14、13连接到A、B、C、D上所示，电动机中间引脚直接与5V电压相接，目的是驱动电动机，使其正常工作
2.3七段码显示管认识
七段码是大家比较熟悉，实质上就是一些二极管组合，这里用的是共阳极的七段码。
课本上还有接法及码值表。
本设计由P0口控制显示，用共阳极的。
从P0.0-P0.7连接a-f引脚，com接电源。
LED是发光二极管的英文缩写，LED显示器是由发光二极管构成的，它在单片还机中的应用非常普遍。
通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，其排列状如图所示。
此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管以dp表示，用于小数点表示。
通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。
LED显示中的发光二极管共有两种连接方法:
共阳极接法：
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接+5V。
这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不亮。
共阴极接法：
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地。
这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不亮。
十六进制码值表如下：
字型
共阳极代码
共阴极代码
字型
共阳极代码
共阴极代码
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
B0H
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
8EH
71H
7
F8H
07H
灭
FFH
00H
8
80H
7FH
2.4步进电机
一、步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
进电机工作原理
二、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。
三、步进电机实际上是一个数字/角度转换器，三相步进电机的结构原理如图所示。
从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A、A′、B、B′、C、C′，相邻的两个磁极之间夹角为60°，相对的两个磁极组成一相（A-A′，B-B′，C-C′），当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N极和S极，每个磁极上各有五个均匀分布矩形小齿，电机的转子上有40个矩形小齿均匀地分布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为9°。
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。
四、步进电机以三相六拍（三相双拍）方式工作，若按A→AB→B→BC→C→CA→A次序通电为正转，则当按A→AC→C→CB→B→BA→A次序通电为反转。
三相三拍（三相单拍）有两种A→B→C→A，AB→BC→CA→AB正转，反转则反序。
五、速度计算
1.输出代码的变化周期T控制了电机的运转速度：
n=60/（T.N）
式中：
n——步进电机的转速（转/分）；
N——步进电机旋转一周需输出的字节数；
T——代码字节的输出变化周期。
2.步角θ=360º/（MZC）
M——步进电机的相数；
Z——步进电机转子齿数；
C——单双拍
3.转数n=60f/（MZC）f——通电脉冲频率
注意：
步进电机转数受相数、起转频率、载荷影响等只能在一定范围内。
第三章画电路原理图
3.1电路图雏形图
从最简单的
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