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51单片机毕业论文
基于MCS-51单片机的
步进电机系统
摘要
本文通过MCS-C51单片机对步进电机进行控制，主要介绍了步进电机控制系统，驱动电路和LED显示电路的设计，包括硬件系统设计和系统软件设计，来实现步进电机的控制，系统为一自动控制系统，通过按键向单片机输送控制信号，控制步进电机的转速和正反转，在步进电机控制系统的设计中，重点阐述了脉冲产生电路以及对速度的控制，该系统具有成本低，控制方便的特点。
采用MCS-C51单片机指令系统进行编程来实现软件部分测试，系统能实现上述功能。
关键词：
MCS-C51步进电机控制系统
Abstract
Inthispaper,MCS-51microcontrollertocontrolthesteppermotor,steppermotorcontrolareintroducedsystem,drivecircuitandLEDdisplaycircuitdesign,includinghardware,systemdesignandsystemsoftwaredesign,toachievethesteppermotorcontrolsystemanautomaticcontrolsystem,keytothemicrocontrollerthroughthedeliverycontrolsignaltocontrolthesteppermotorspeedandreversing,thesteppermotorcontrolsystemdesign,focusesonthepulsegeneratorcircuitandthespeedcontrol,thesystemislowcostandconvenientcontrolfeatures.WithMCS-C51microcontrollerinstructiontoimplementsoftwareprogrammingsomeofthetest,thesystemcanachievethesefunctions.
Keywords:
MCS-51SteppingMotorControlsystem
摘要-----------------------------------------------------------1
Abstract-------------------------------------------------------1
目录-----------------------------------------------------------2
前言-----------------------------------------------------------4
1单片机发展概述
1.1单片机的基本概念----------------------------------------4
1.2MS-51单片机内部结构-------------------------------------4
1.3MS-51单片机引脚及功能-----------------------------------5
2步进电机发展概述
2.1步进电机简介-----------------------------------------6
2.2步进电机分类-----------------------------------------6
2.2反应式步进电机原理及结构
2.2.1步进电机基本原理--------------------------------7
2.2.2步进电机转速控制原理----------------------------8
2.3步进电机驱动控制系统----------------------------------8
3硬件电路设计
3.1单片机外围电路---------------------------------------------9
3.2步进电机及驱动电路-----------------------------------------9
3.3数码管及驱动电路-------------------------------------------10
3.4按键电路设计-----------------------------------------------10
4软件电路设计
4.1数码管显示设计
4.1.1数码管流程图------------------------------------------11
4.1.2数码管程序--------------------------------------------11
4.2步进电机流程图-----------------------------------------------12
总结-------------------------------------------------------------13
致谢-------------------------------------------------------------14
参考文献---------------------------------------------------------15
前言
步进电机最早是在19世纪20年代由英国人开发的，50年代后期晶体管的发明也逐渐应用于步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。
往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛应用于绕线机、切片机、雕刻机、排线机、包装机械、食品加工行业、复印机、雕刻机、排线控制器、医疗器械、舞台灯光、自动化工程、机器人应用等高精度、高质量工业上。
在生产过程中要求自动化，省人力，效率高的机器中，都有步进电机的踪迹，尤其以重视速度，位置控制，需要精确操作各项指令动作灵活控制场合步进电机用得最多。
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机（单片机）的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。
此次毕业实习、毕业设计第一阶段的主要工作是，学习有关单片机控制步进电机系统的基本知识，了解单片机控制步进电机系统的相关技术，并在此基础上选择了使用8051单片机作为核心设计，并学习74LS164数字电子技术等方面的知识。
第二阶段是在指导教师的指导下，设计出具体的电路，并确定满足具体技术指标的软件，掌握电路中各个驱动器件的使用方法。
通过教师的悉心指导和自己的努力，完成了毕业设计的各项任务，成功设计单片机控制步进电机系统。
1单片机发展概述
1.1单片机的基本概念
单片机是把微型计算机中的微处理器、存储器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成到一片集成电路芯片上形成的微型计算机。
因而被称为单片微型计算机，简称单片机。
单片机按照用途可分为通用型和专用型两大类。
（1）通用型单片机的内部资源丰富，性能全面，适应能力强。
用户可以根据不同的需要设计各种不同的应用系统。
（2）专用型单片机是针对各种特殊场合专门设计的芯片。
这种单片机的针对性强，设计时根据需要来设计部件。
因此，它能实现系统的最简化和资源的最优化，可靠性高、成本低，在应用中有很明显的优势。
在单片机使用上注意以下几个既有相同点也有区别的概念。
（1）单板机：
将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口以及简单的输入/输出设备组装在一块电路板上的微型计算机，称为单板机。
（2）单片机：
将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口和相应的控制部件集成在一块芯片上形成的微型计算机，称为单片机。
（3）多板机：
在计算机组成中，如果组成计算机的各个功能部件是由多块电路板连接而成的，那么这样的计算机称为多板机。
1.2MS-51单片机内部结构
内部基本结构图
1.3MS-51单片机引脚及功能
1.P0口
P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用接口，也可作为通用的I/O接口。
2．P1口
P1口是准双向口，它只能作通用的I/O口使用。
3.P2口
P2口也是准双向口，它的用途有两个：
通用I/O接口和高8位地址线。
4.P3口
P3口是准双向口以外每个口都还具有第二种功能，如图所示。
P3口引脚第二功能
P3.0
RXD串行输入端
P3.1
TXD串行输出地
P3.2
INT0外部中断0低电平有效
P3.3
INT1外部中断1低电平有效
P3.4
T0定时计数器0外输入端
P3.5
T1定时计数器1输入端
P3.6
WR外部存储器写信号0有效
P3.7
RD外部存储器读信号0有效
实物图
ALE：
地址锁存控制信号。
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
：
外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。
：
访问程序存储控制信号。
当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。
RST：
复位信号。
当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
VSS：
地线。
VCC：
+5V电源。
2步进电机发展概述
2.1步进电机简介
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件（也称为执行机构）。
在正常情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，但步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（也称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度逐步运行的，通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。
2.2步进电机分类
步进电机的种类很多，一般按结构区分，有反应式、永磁式和永磁感应式三种。
反应式步进电机永磁式步进电机永磁感应式步进电机
目前，我国使用的步进电机主要是反应式步进电机。
如图所示，这是一台典型的三相反应式步进电机。
它的定子和转子是用硅钢片和其他软磁材料制成的。
定子上共有六个磁极，每个磁极上都有许多小齿。
在径向相对的两个磁极上的线圈串联起来组成一相绕组，沿周围也有许多小齿。
根据工作要求，定子磁极上的小齿的齿距与转子磁极上的小齿必须相等，而且转子上齿数有一定的限制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
1.永磁式步进电机
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；
永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。
2.反应式步进电机
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
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。
反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。
3.混合式步进电机
混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。
它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
这种步进电机的应用最为广泛。
2.2步进电机原理及结构
2.2.1反应式步进电机基本原理
反应式步进电机原理
由于反应式步进电机工作原理比较简单。
下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1、结构：
电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A’与齿5相对齐，（A’就是A，齿5就是齿1）
2、旋转：
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。
如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A
……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。
如按A，C，B，A……通电，电机就反转。
由此可见：
电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。
甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出：
电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……（m-1）/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩：
电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/R N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。
力矩=力*半径
力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
2.2.2步进电机转速控制原理
电机每转动1圈需要脉冲数为：
，则每转一圈要240个脉冲，若要求25转/分，则每秒要产生脉冲数为：
为此我们得出转速与每秒产生的脉冲个数关系为：
式中V为要控制的速度，N为所需脉冲个数。
有了上述关系我们就不难推出定时时间与速度之间的关系：
若定时器控制位TMOD=01H，那么定时器的计数初值与转速之间的关系为：
式中foc为晶振频率。
2.3步进电机驱动控制系统
步进电机在仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉冲产生器提供位置（脉波数）、速度的脉冲信号指令，以及驱动器电流流过电机内线圈，依顺序切换激励磁相序的方式才能让电机运转。
所以，欲使步进电机动作的必要系统组成如下：
1.脉冲产生器：
产生角度（位置移动量）、动作速度及运转方向等脉冲信号的电机驱动指令。
（MCS-51）
2.步进驱动器：
依控制器所投入的脉冲信号指令提供电流，驱动步进电机动作。
（ULN2003）
3硬件电路设计
3.1单片机外围电路
3.2步进电机及驱动电路
3.3数码管及驱动电路
3.4按键电路设计
4软件电路设计
4.1数码管显示设计
4.1.1数码管流程图
4.1.2数码管程序
voiddisplay（chari）
{charshuzhu[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,
0xef,0xdf,0xbf,0x7f}
if（ms==1）
{ms=0；
P2=i;
If（k==0）
{k=1;
P0=0xfe;
}
else
{k=0；
P0=0xfd；
}
}
}
4.2步进电机流程图
总结
本论文首先简要介绍了单片机、步进电机的基础知识，然后讨论了对系统所用的硬件的介绍。
在前面两个部分的基础上，对控制系统电路进行了详细设计，包括系统硬件设计、软件设计等。
接下来简要介绍了工作原理和编程语言。
针对该控制系统本身的特点和对系统的功能要求，选用8051芯片作为控制芯片，七段显示译码器。
总的来说，此次毕业实习及毕业设计完成了任务书规定的各项要求，在学习C语言、单片机、CAD软件等内容的基础上，我进一步学习了线路设计、安装、检错等多种实用技术，既学习了不少新的知识和技术，也改变了原来看问题比较片面的缺点。
整个设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习：
（1）一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。
（2）在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。
（3）我们在这种自己动手的设计中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。
！
但是本论文还存在以下问题，需要在后续的研究中解决：
（1）该设计没有用到位置和速度和位置检测电路来实现速度和位置反馈控制
（2）设计中没有考虑多个电机同时或分时自动运作时的情况，这样使设计更加完善。
由于该课题的实践性较强，鉴于具体应用环境和本人的知识背景，尚有不足之处，有待于在理论和实践的过程中进一步完善。
致谢
近三年的学习和科研工作，不仅使我的知识结构和科研能力上了一个新台阶，更重要的是，各方面的素质得到了提高。
而这一切，都要归功于候晔老师的深切教诲与热情鼓励。
值此论文顺利完成之际，我首先要向我尊敬的导师侯XX师表达深深的敬意和无以言表的感谢。
感谢和我一起学习的XXXX灵活考虑问题的方式，严谨的解决问题的态度;XXX扎实的专业知识功底，认真的科研态度都给我留下了深刻的印象。
感谢和我一个实验室的XXXXXX。
没有他们无私的帮助，我是无法完成论文工作的。
感谢我的挚友XXXX等等。
他们在一起度过了很多快乐，开心的日子。
在他们的帮助下，我顺利的解决了生活中遇到的各种困难。
最后深深的感谢呵护我成长的父母。
每当我遇到困难的时候，父母总是第一个给我鼓励的人。
回顾20多年来走过的路，每一个脚印都浸满着他们无私的关爱和谆谆教诲，10年的在外求学之路，寄托着父母对我的殷切期望。
他们在精神上和物质上的无私支持，坚定了我追求人生理想的信念。
父母的爱是天下最无私的最宽厚的爱。
大恩无以言报，惟有以永无止境的奋斗，期待将来辉煌的事业让父母为之骄傲。
我亦相信自己能达到目标。
最后，向所有关心我的亲人、师长和朋友们表示深深的谢意
参考文献
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[2]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京航天航空大学出版,1991.
[3]唐光荣,李究龄,邓丽曼.微型计算机应用技术（上）——数据采集与控制技术[M].清华大学出版社,2000.
[4]杨建宁.单片机对步进电机升降速的控制[M].中小型电机,1997.
[5]白霄丽,孟祥霓,张锋.步进电机的定位及速度控制软件设计[M].济南大学学报,1999.
[6]谢自美.电子线路设计、实验、测试（第二版）[M].武汉华中理工大学出版社,2000.
[7]李金刚.电机原理及运用.
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