单片机课程设计步进电机单片机控制系统设计报告1.docx

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单片机课程设计步进电机单片机控制系统设计报告1

GX工学院

单片机原理及应用课程设计报告

题目步进电机单片机控制系统的设计

系别电子信息与控制工程系

专业

班级

学生姓名

学号

设计地点

指导教师

日期2010-3-21

摘要

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，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）。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。

本设计采用89c51系列单片机对步进电机进行控制，对单片机控制步进电机系统的控制方式和软件设计进行了研究，分别从正反转控制、速度控制、速度通过LED显示和加减速控制四方面进行了详细的分析。

关键字：

stc89c51、ULN2003、LED、步进电机

Translation：

Steppingmotorisakindofcommoncontrolactuator，It'spurposeistobetransformedintoelectricalimpulses,whensteppingdrivesconditiontoreceiveapulsesignal,itwilldrivesteppingmotorsetaccordingtothedirectionofafixedAngle（andstepAngle）.Throughthecontrolpulsenumberthatcanbecontrolled,soastoachievepreciseangularorientationpurposes,Throughcontrollingpulsefrequencycontrolmotorrotationspeed,accelerationandspeed.

Thisdesignuses89c51microcontrollerseriesofsteppermotorcontrol,theSCMcontrolsteppermotorcontrolsystemandthesoftwaredesignwerestudiedrespectivelyfromtherotationspeedcontrolandspeedcontrol,displayedbyLEDanddecelerationcontrolonthefouraspectsofthedetailedanalysis.

Keywords:

stc89c51,ULN2003,LED,steppingmotor

目录

摘要…………………………………………………………1

一、绪论……………………………………………………3

1.1、设计背景…………………………………………3

1.2、设计要求…………………………………………3

二、设计方案………………………………………………4

2.1单片机的选择……………………………………4

2.2时钟选择……………………………………………4

2.3驱动电路的选择……………………………………4

2.4、显示电路的选择…………………………………5

三、硬件的设计……………………………………………5

3.1、硬件设计的总体框图……………………………5

3.2时钟的设计和原理…………………………………5

3.3、MCU单元部分……………………………………6

3.4、驱动芯片…………………………………………6

3.5、步进电机…………………………………………7

3.6、显示电路…………………………………………8

3.8、设计原理图与PCB图……………………………8

四、软件设计………………………………………………17

4.1、主程序流程图……………………………………17

4.2、程序部分…………………………………………17

五、结束语……………………………………………………17

六、参考文献…………………………………………………17

一、绪论

1.1、设计的背景

　步进电机是自动控制系统中常用的执行部件。

步进电

机的输入信号为脉冲电流,它能将输入的脉冲信号转换为阶

跃型的角位移或直线位移,因而步进电机可看作是一个串行

的数/模转换器。

由于步进电机能够直接接受数字信号,而

不需数/模转换,所以使用微机控制步进电机显得非常方便。

步进电机有以下优点:

（1）通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制;

（2）位置误差不会积累;

（3）与数组设备兼容,能够直接接收数字信号;

（4）可以快速启停。

步进电机的品种规格很多,按照它们的结构和工作原理

可以划分为磁阻式（也称反应式或变磁阻式）电机、混合式

电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。

步进电机不需位移传感器就可精确定位,所以在精确定

位系统中应用广泛。

目前打字机、计算机外部设备、数控机

床、传真机等设备中都使用了步进电机。

随着电子计算机技

术的发展,步进电机必将发挥它的控制方便、控制准确的特

点,在工业控制等领域取得更为广泛的应用。

1.2、设计要求

本设计为步进电机单片机控制系统，其功能如下:

Ø1、具有对步进电机的启停、正反转、加减速控制；

Ø2、控制按钮分别为正转、反转、加速、减速、以及停止键；

Ø3、能够通过三位LED数码管显示当前的转动速度，并且由两盏发光二极管红、绿分别指示正转和反转，因此可以清楚的显示当前转动方向。

Ø4、独立电源通电，并设有串口下载数据通道。

本设计的要求

Ø1、独立设计原理图及硬件电路

Ø2、独立编写和调试相应的程序

Ø3、制作出相应功能的完整电路板

Ø4、掌握单片机和步进电机的原理及相应电路的设计

Ø5、熟悉PROTEL和KEIL等软件的使用方法

Ø6、熟悉模块化设计的思想

Ø7、设计说明书按照格式规范，结构层次合理，设计重点突

出，并附上原理图和设计流程图。

二、设计方案

本设计能实现的功能模块分别为：

单片机部分、时钟部分、控制驱动部分、显示部分，下面将根据各个部分的方案选择进行分析

2.1、单片机的选择

方案一：

采用凌阳单片机。

他具有以下特点：

体积小，集成度高，可靠性好易于扩展，采用COMS制造工艺，功耗低，工作电压范围大，并且能在较低的电压下工作，且能用电池供电，内置2KSRAM,32KFLASH,丰富的中断源，具有较强的中断处理能力，强大的语音功能，可以语音读出测得的电压，以及当电压超过测量范围时，可以语音提示，具有人性化，但是他的价格昂贵，不利于提高作品的性价比。

方案二、采用51系列的单片机。

51系列单片机应用很广泛，集成度高，可靠性强，系统结构简单，价格低廉，易于使用等等优点，STC89C51系列的单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速低功耗的单片机，他的功能已完全能够实现本设计的要求，因此从各方面进行综合考虑，最终选用STC89C51单片机。

2.2时钟选择

方案一、直接利用单片机的定时器，通过编写程序完成定时功能。

优点是不适用外围芯片，成本低，缺点是软件复杂点，可靠性不高，断电后无法记录时间。

方案二、使用实时时钟芯片如DS1302、DS1307、PCF8485.优点是时间精确，耗电少，但是无主电源的情况下要有备用电池，确保时钟不停止，一般应用在较为精确且高档的设备上。

从性价比上考虑，本设计直接利用单片机的定时时钟，通过编程实现定时的功能。

2.3驱动电路的选择

方案一、使用达林顿驱动芯片ULN2003，2003为极电极开路驱动芯片，能驱动4相步进电机，他的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。

ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

缺点是如果用于驱动直流电机的话只能按一个方向转动。

换向要改变电机的接法。

方案二、使用驱动芯片L298，L298为H桥驱动芯片，可以为负载提供双向的电流。

适合驱动2相或4相的步进电机，也可以驱动2台普通的有刷直流电机。

驱动电流为2A，只用用298需要自己编写控制脉冲时序，而与297联合起来用只需单纯输入脉冲就可以，简单方便，但是相应的成本增加了。

综合本设计的需求，在满足本设计的要求下，选用方案一较为经济。

2.4、显示电路的选择

方案一、采用LCD液晶显示，LCD液晶显示具有方便，美观、显示信息量大的特点，现在市场上集成度高的显示屏在编程方面也较为简洁，缺点是成本较高。

方案二、采用LED数码管显示，数码管显示在、硬件连接方面显得较为复杂，在不同的应用场合下配合使用的芯片业不同，但是对于LCD液晶显示来说，在成本方面占较大优势。

根据本设计的要求，最终选择了方案二。

三、硬件的设计

3.1、硬件设计的总体框图

本设计主要有：

单片机、LED显示、ULN2003驱动部分、键盘。

总体框图如下：

图1总体框图

3.2时钟的设计和原理

图2为时钟振荡电路以及复位电路部分

3.3、MCU单元部分

本设计的MCU是STC89C52RC单片机，次单片机的驱动能力强，程序存储器和RAM都比较大，而且成本不高，能满足本设计的要求，其外型如图3所示。

图3

3.4、驱动芯片

本设计使用的是生活中被广泛使用的电机驱动芯片ULN2003AN，其内部结构及外形如图4所示。

图4

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。

该电路的特点如下：

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

驱动电路如图5所示。

图5

3.5、步进电机

本设计使用步进电机J07A144T型四相五线电机，电压为DC5V。

当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。

每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。

当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。

四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单四拍（单相绕组通电A-B-C-D-A），双四拍（双相绕组通电AB-BC-CD-DA-AB），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）图6为八拍驱动方式。

步进电机外形图

图6

3.6、显示电路

显示部分由LED数码管输出速度，采用动态显示，节省了硬件成本，只增加了部分程序的处理即可完成，显示部分如图7.

图7、三位数码管显示

3.7与上位机（PC）通信部分

单片机与电脑上位机通信有很多种方法，可以直接使用MAX232,可以使用MAX485，也可以使用CAN总线或者通过网络通信，他们之间的区别就在于距离的长短以及成本的高低，还有数据的稳定性，本设计对此方面的要求不高，仅用于向单片机内载入程序，所以本设计使用了RS-232串口连接PC机。

原理图如下：

TX、RX口分别于89c52的第10、11管脚相接。

3.8、设计原理图与PCB图

图8、图9、图10分别为设计的原理图、PCB图及实物图。

图8

图9

图10

四、软件设计

4.1、程序流程图

4.2、程序部分

初值表如图11所示：

图11

五、结束语

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

回顾起此次单片机课程设计，我感慨颇多，的确，从理论到实践，在接近四星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

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，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，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能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，对单片机汇编语言掌握得不好……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

这次课程设计终于顺利完成了。

六、参考文献

1、万福军等.单片机微机原理系统设计与应用.合肥：

中国科学技术大学出版社，2005

2、谭浩强.C语言程序设计。

第2版.北京：

清华大学出版社，2001

3、李朝青.单片机原理及接口技术.北京：

北京航空航天大学出版社，2005

4、徐惠民等.单片机微型计算机原理、接口及应用.第2版。

北京：

北京邮电大学出版社，2001

5、李仁定等.顶级的微机控制.北京：

机械工业出版社，2004

6、陆坤等.电子设计技术.成都：

电子科技大学出版社2007

7、张毅刚.单片机原理与应用设计.北京：

电子工业出版社2009

7、各大半导体公司的Datasheet