毕业设计基于AT89C51的步进电机控制2.docx

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毕业设计基于AT89C51的步进电机控制2

基于AT89C51的步进电机控制

摘要

　　本设计采用ATMEL系列的单片机对步进电机进行控制，实现以下功能：

开机后，电机不转，按下启动键，电机旋转；按下正转键，电机正转；按下反转键，电机反转。

实现这一功能，系统的硬件部分应由四模块构成：

输入模块、单片机控制模块、步进电机驱动模块、步进电机模块。

通过键盘输入，单片机编程控制，输出信号给步进电机驱动电路ULN2003A，最后由ULN2003A驱动步进电机按规定的方向运转。

用单片机控制步进电机，可以简化硬件电路，可同时实现各种功能，如步进电机的加减速，步进电机正反转等，当功能要求改变时，只需改变程序，而硬件电路不变，实现功能的方式简单便捷。

关键词：

单片机；步进电机

TheControlOfSteppingMotorBasedOnAT89C51

Abstract

Steppingmotoriscontrolledbythemicrocontroller,asortofATMELseries,inthedesign.Thefunctioncanberealizedasfollows：

Whenthestartbuttonispressed,motorbeginstorun；Whentheforewardbuttonispressed，motorbeginstoruninthepositivedirection；Whenthereversionalbuttonispressed，motorbeginstorunintheoppositedirection.Torealizethefeaturesdescribedabove，thecircuitsshouldconsistoffourmodules：

inputcircuit，microcontroller，drivecircuitofsteppingmotorandsteppingmotor.Aftertheinputofkeyboardandprogrammingofmicrocontroller，steppingmotorisdriveninthedirectionsetbyULN2003Acircuitwhichacceptsoutputsignal.

Thecontrolofsteppingmotorby:

microcontrollercansimplifythecircuitandcanrealizemanyfunctions，e.g.itcanchangetheoperationmodeofsteppingmotorandspeed，andsoon.Whenthefunctionneedtobechanged，thesamecircuitcanbeusedandtheonlythingthatyoushoulddoistomodifyprogram.Soitisconvenienttousemicrocontrollertorealizethecontrolofmotor.

Keyword:

microcontroller；steppingmotor

图表清单

第1章.绪论

1.1.单片机的特点

近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。

单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定句、汽车火花控制、交通白动管理和微波炉等专用控制上。

近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。

   单片机不求规模大，只求小而全。

厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口（Intel）。

在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机。

　　近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成Mechtronics这个新词，我国译为"机电一体化"。

这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。

机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。

同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。

正是针对上述种种要求而设计的单片机自然成为机电一体化控制器的最佳选择。

1.2.单片机的发展趋势

单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段:

第一阶段:

1971~1974年，4位微处理器工intel4004及8位微处理器工intel8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。

第二阶段:

1974~1978年，初级单片机阶段，以工intel公司的MCS-48为代表，8位单片机。

第三阶段:

1978~1983年，高性能单片机阶段。

以工Intel公司的MCS-51,Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等为代表。

这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，有的片内还带有A/D转换器接口，片内RAM,ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。

广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。

第四阶段:

1983年至今，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。

例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。

MCS-96集成度为12万只品体管/片，寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等，另外MCS-96指令能处理位、字节、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相比较。

单片机己经进入一个崭新的阶段。

　　尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的是Intel公司的MCS-51系列单片机及其增强型，扩展型的衍生机型。

MCS-51系列是在MCS-48系列的基础上发展起来的，之最早进入国内的单片机主流品种之一。

虽然它是8位的单片机，但它具有品种齐全，兼容性强，性能价格比高等特点，前软硬件应用设计资料齐全，以为我国广大工程技术人员所熟悉。

从而得到广泛的应用。

步进电机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。

80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。

原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。

基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求.

1.3.单片机的任务

步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。

它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。

早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。

随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。

比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。

步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。

除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。

微电子技术的飞速发展，带动了机械加工技术的飞速发展。

而在其发展过程中，最显著的特点是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。

   随着现代电子科学的不断发展与进步，电子计算机已深深介入机械制造的各个领域，诞生了一系列机、电、计算机一体化的新产品。

   同时微电子技术的不断发展，数控系统也在不断地更新换代，先后经历了电子管（1952年）、晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。

前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬接线（硬线）数控系统，一般称为普通数控系统，简称NC。

70年代初，随着计算机技术的发展，使小型计算机的价格急剧下降，采用小型计算机代替专用控制计算机的第四代数控系统，不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可靠性和功能特色。

这种数控系统又称为软接线（软线）数控，即计算机数控系统，简称CNC。

1974年制成以微处理机为核心的数控系统，称为第五代微型机数控系统，简称MNC。

随着机电产品对负载精度要求的提高，原有的PLC控制系统的步进电机已很难满足不断发展的机电产品的要求。

PLC控制系统的步进电机存在成本高，工作方式单一和人机交互不便等缺点。

为解决此问题，我们发现了一种能代替PLC控制系统的新的控制系统---基于单片机的步进电机控制系统。

本文论述了基于单片机的步进电机控制系统的设计方法，包括:

硬件设计、软件设计。

　　单片机控制系统的步进电机，自动化程度高、成本低、体积小、控制精确等优点，有很好的经济效益和广阔的发展前景。

单片机控制系统的研制成功，是步进电机发展中的一次较大的进步，它表明了目前正在使用的许多PLC控制系统完全可以由单片机控制系统所代替。

第2章.系统设计

2.1.设计要求

（1）开机后，电机不转，按下启动键，电机旋转；按下正转键，电机正转；按下反转键，电机反转

（2）电路设计完成后，用Keil11和Proteus进行仿真，模拟操作实验，实现电机正反转

2.2.设计构思

实现设计功能的核心元素是单片机，它的可编程控制功能可以实现电机速度的调节。

要组成一个简单的系统，必须存在单片机信号的输入与输出，输出信号控制步进电机的调速。

而对步进电机而言，单片机的输出信号太小，不足以驱动电机，故需加一个电机驱动器，实现电机驱动。

由此可见，该系统应由四大模块构成：

输入模块、单片机控制模块、步进电机驱动模块、步进电机执行模块。

图21系统的设计思路图

输入模块：

为单片机提供输入信号。

根据要求，本设计应存在四个输入信号：

启动输入、停止输入、加速输入、减速输入。

我们可以用键盘实现输入的方法，使用键盘的四个键实现。

单片机：

单片机具有可编程控制功能，能通过对单片机进行编程实现对步进电机速度的控制。

由输入模块获得输入信号，根据单片机内部程序处理，输出相应的控制信号。

步进电机驱动模块：

实现驱动步进电机的功能。

由单片机获得信号，输出信号对步进电机控制。

步进电机执行模块：

实际上就是步进电机本身。

前面输出的信号控制步进电机，实现对步进电机的控制，完成设计要求。

2.3.设计元件的选型

输入模块可以使用键盘输入，使用键盘的四个键分别代表启动、停止、加速、减速；单片机选择MCS-51的核心成员AT89C51；步进电机驱动模块可以选用小型步进电机电路ULN2003A

第3章.系统核心元件的介绍

3.1.单片机简介

3.1.1.单片机的基本组成

单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的、完整的单片微型计算机

图31单片机的典型结构框图

下面简要介绍各组成部分。

（1）中央处理器

是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件ALU和控制部件构成，另外增设了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。

CPU就象人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。

（2）存储器

单片机的存储空间有两种基本结构。

一种是普林斯顿结构（Princeton），将程序和数据合用一个存储器空间，即ROM和RAM的地址同在一个空间里分配不同的地址。

CPU访问存储器时，一个地址对应惟一的一个存储单元，可以是ROM，也可以是RAM，用同类的访问指令。

另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛（Harvard）结构。

CPU用不同的指令访问不同的存储器空间。

由于单片机实际应用中“面向控制”的特点，一般需要较大的程序存储器。

目前，包括MCS-51和80C51系列的单片机均采用程序存储器和数据存储器截然分开的哈佛结构。

①数据存储器（RAM）

在单片机中，用随机存取的存储器（RAM）来存储数据，暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等，所以称之为数据存储器。

一般在单片机内部设置一定容量（64B～256B）的RAM，并以高速RAM的形式集成在单片机内，以加快单片机的运行速度。

同时，单片机内还把专用的寄存器和通用的寄存器放在同一片内RAM统一编址，以利于运行速度的提高。

对于某些应用系统，还可以外部扩展数据存储器。

②程序存储器（ROM）

单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器ROM的形式。

单片机内部的程序存储器常有以下几种形式：

掩膜ROM（MaskROM）它是由半导体厂家在芯片生产封装时，将用户的应用程序代码通过掩膜工艺制作到单片机的ROM区中，一旦写入后用户则不能修改。

所以它适合于程序已定型，并大批量使用的场合。

8051就是采用掩膜ROM的单片机型号。

EPROM此种芯片带有透明窗口，可通过紫外线擦除程序存储器的内容。

应用程序可通过专门的写入器脱机写入到单片机中，需要更改时可通过紫外线擦除后重新写入。

8751就是采用EPROM的单片机型号。

ROMLESS这种单片机内部没有程序存储器，使用时必须在外部并行扩展一片EPROM作为程序存储器。

8031就是ROMLESS型的单片机。

OTP（onetimeprogrammable）ROM这是用户一次性编程写入的程序存储器。

用户可通过专用的写入器将应用程序写入OTPROM中，但只允许写入一次。

FlashROM（MTPROM）闪速存储器这是一种可由用户多次编程写入的程序存储器。

它不需紫外线擦除，编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，可保存10年。

编程/擦除速度快，4KB编程只需数秒，擦除只需10ms。

例如AT89系列单片机，可实现在线编程，也可下载。

这是目前大力发展的一种ROM，大有取代EPROM型产品之势。

（3）并行I/O口

单片机为了突出控制的功能，提供了数量多、功能强、使用灵活的并行I/O口。

使用上不仅可灵活地选择输入或输出，还可作为系统总线或控制信号线，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供了方便。

（4）串行I/O口

高速的8位单片机都可提供全双工串行I/O口，因而能和某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连接。

（5）定时器/计数器

在实际的应用中，单片机往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数，因而在单片机内部设置了定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。

（6）系统时钟

通常需要外接石英晶体或其它振荡源来提供时钟信号输入，也有的使用内部RC振荡器。

3.1.2.单片机的特点

单片机独特的结构决定了它具有如下特点。

（1）高集成度、高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。

芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。

单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

（2）控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件：

分支转移能力、I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。

（3）低电压、低功耗

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。

（4）优异的性能价格比

单片机的性能极高。

为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。

单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。

由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

3.1.3.单片机的应用

由于单片机功能的飞速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算机科学的领域。

小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从实现数据采集、过程控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，到处都离不开单片机。

其主要的应用领域如下。

（1）在测控系统中的应用

单片机可以用于构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。

例如，工业上的锅炉控制、电机控制、车辆检测系统、水闸自动控制、数控机床及军事上的雷达、导弹系统等。

（2）在智能化仪器仪表中的应用

单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化、智能化、多功能化和综合化等方向发展。

单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化的处理等难题迎刃而解。

（3）在机电一体化中的应用

单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化，控制走向智能化，构成新一代的机电一体化产品。

这是机械工业发展的方向。

（4）在智能接口中的应用

计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制管理，单片机与主机并行工作，可大大提高系统的运行速度。

例如，在大型数据采集系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可以对数据进行预处理。

如数字滤波、误差修正、线性化处理等。

（5）在人类生活中的应用

单片机由于其价格低廉、体积小巧，被广泛应用在人类生活的诸多场合，如洗衣机、电冰箱、空调器、电饭煲、视听音响设备、大屏幕显示系统、电子玩具、信用卡、楼宇防盗系统等。

单片机将使人类的生活更加方便舒适，丰富多彩。

3.2.AT89C51的简介

3.2.1.AT89C51的结构

本系统以MCS-51单片机成员中的AT89C51为控制核心。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序内存，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序内存既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，它灵活应用于各种控制领域。

其与MCS-51产品指令系统完全兼容，但性能有些自己的特征:

4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速内存；1000次擦写周期；256

8字节的内部RAM；3个16位定时/计数器；5个中断源；全双工串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式；中断可从空闲模唤醒系统；看门狗（WDT）及双数据指针

3.2.2.AT89C51的引脚介绍

1.电源引脚Vcc和GND

Vcc：

电源电压，GND：

接地端。

2.时钟电路引脚XTALl和XTAL2

2个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内反相放大器构成了1个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。

2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。

XTAL2：

接外部晶体和微调电容的一端。

在内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。

XTAL1：

接外部晶体的微调电容的另一端。

在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。

3.控制信号引脚RST

RST是复位信号输入端，高电平有效。

当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，可以完成复位操作。

4.I/O（输入/输出）P0、P1、P2和P3

标准51单片机都有4个I/O（输入/输出）口，分别为：

P0口：

P0口是一个漏极开路的8位双向输入输出口。

作为漏极八路的输出端口，每次能驱动8个Ls型TTL负载。

当P0口作为输入口使用时，其先向锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全部引脚悬空，叫作为高阻抗输入。

P1口：

P1口是一个带上拉电阻的8位准双向I/O端口每一位能驱动（吸收成输出电流）4个LS型TTL负载。

在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器（地址90H）写入全1,上拉电阻接成高电平。

P2口：

P2口是一个带内部上接电阻的8位准双向输入输出口。

P2口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。

P3口：

P3口是一个带内部上接电阻的8位准双向输入输出口。

P3口的每一位能驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。

P3口与其它的I/O口有很大区别，它除作为—般准双向I/O口外，每个引脚还具有专门的功能，见表3-1。

表格31P3各引脚

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输入口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时器/计数器0）

P3.5

T1（定时器/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

第4章.系统的硬件设计

4.1.输入电路的设计

此次设计用键盘实现输入的方法。

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，是人干预计算机的主要手段。

下面对键盘进行简单的介绍

4.1.1.键盘输入

1.键盘输入的特点

键盘是标准的输入设备，它实际上是一组按键开关的集合。

通常，键盘开关利用了机械触点的合、断作用。

2.键盘按键的确认

键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平，如果高电平表示键断开，低电平表示键闭合，通过对行线电平的检测，便可确认按键是否按下。

图41键闭合时的行线输出电压波形

3.如何消除按键抖动

常用软件来消除按键抖动。

其基本思想是：

每次要确认键盘是否有键按下的时候，对键盘进行两次扫描，两次扫描具有一段时间间隔。

如果扫描结果都为低电平，则说明键已按下；反之，则没有键按下。

4.1.2.键盘接口的工作原理

常见的键盘可分为独立按键式键盘和行列扫描式键盘。

由于步进电机所用的输入较少，所以此次设计用独立式键盘。

独立式键盘就是各键相互独立，每个键各接一根输入线，通过检测输入线的电平可以很容易的判断哪个键被按下。

该设计就是用了独立是键盘的特点，用键盘的输入类似于一般按钮，简单便捷。

设计用了两个键盘键，分别表示所输入的信号：

正转、反转。

注意：

两输入信号都具有启动功能。

4.2.AT89C51设计电路

89C51内部有4KB闪烁存储器，芯片本身就是个最小系统。

在能满足系统的性能要求下，可与先考虑采用此种方案。

用89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。

图42AT89C51的最小系统

4.2.1.时钟电路

时钟电路用