步进电机实验报告.docx

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步进电机实验报告

目录

摘要……………………………………………………………………………………….2

Abstract...………………………………………………………………………………….2

第一章绪论……………………………………………………………………………….3

1.1步进电机简介……………………………………......................................................3

1.2步进电机特点和分类………………………..……………………………................3

1.3主要研究内容…………………………………………………………………............4

1.4设计进度安排……….....................................................................................................4

第二章系统总体设计…………..............................................................................….........4

2.1方案的设计与选择…….................................................................................................4

2.2系统总体框图…….........................................................................................................5

第三章硬件部分设计…........…………………………......................................................5

3.1电机工作原理….........................................................................……….................6

3.2控制模块……................................................................................................................7

3.3显示模块……................................................................................................................9

第四章软件部分设计............................................................................................................9

4.1设计思想………………………………………………………………...………..……12

4.2子程序….....................................................................................................................…13

第五章系统调试及仿真......................................................................................................14

5.1编程软件KEILC简介...................................................................................................14

5.2仿真软件PROTEUS简介.................................................................................................15

5.3系统仿真.........................................................................................………..………...17

5.4仿真结果…........................................................................................................………18

总结……………………………………..………………………...…...................................22

参考文献…….………………..………………………………..……………………….…..23

附录….….....................................................................................………..………..……….24

摘要

步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。

本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用C语言编写出电机的正转、反转、加速、减速，通过单片机、电机的驱动芯片以及相应的按键实现功能，并且步进电机的工作状态要用相应的发光二极管显示出来。

本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。

该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。

关键词：

步进电机；脉宽调制；驱动机构；单片机；转动

Abstract

Abstract:

Theopen-loopsystemwhichiscomposedbystep-motorissimple,cheapandverypractical,sothereareverywiderangeofapplicationsinprintersandotherofficeautomationequipmentandvariouscontroldevices,andmanyotherfields.

Thispaperintroducesasteppingmotorbasedonsinglechipcomputersystemdesign。

UsingClanguagetowritethemotorforward,reverse,acceleration,deceleration,throughthemicrocontroller,motordrivechipandthecorrespondingbuttonfunctionAndthesteppingmotorworkingstatetousethecorrespondinglight-emittingdiodedisplay.Thisarticleintroducedthesteppermotorandtheprincipleofsingle-chipcomputer,thehardwarecircuitofthesystem,theprogramcomponents,whilethesoft,hardwaredebugging,andintroducesthedebuggingprocessproblemsandsolutionstotheproblem.Thedesignhastheadvantagesofclearthinking,highreliability,strongstabilityandothercharacteristics,realizethefunctionsthroughdebugging

Keywords:

Steppermotor;Pulse-widthmodulated;drivingmechanism;singlechip;rotation

第一章绪论

1.1步进电机简介

步进电机又称脉冲电动机，在计算机外围设备和生产过程控制中有着广泛的应用，是机电一体产品中的重要执行装置之一，是数字控制系统中的一个重要执行机构。

应用单片机技术实现对步进电机的控制，可以实现速度，角度，位移等的精确控制。

步进电机有电磁式步进电机，永磁式步进电机和反应式步进电机。

永磁式步进电机一般只有一个绕组，靠电磁作用和相应的机械部件才能产生步进动作。

永磁式和反应式步进电机利用转子和定子之间的电磁作用产生步进动作。

由于定子和转子之间没有机械的联系，这种电动机有良好的快速性和可靠性，所以，工业上大量用在伺服、状态指示、功率拖动、位置和速度控制的场合。

特别是反应式步进电机，其力矩/惯性比高，步进频率高，频率响应快，不通电时可以自由转动，可以正反向旋转，而且他们的结构简单，工作命长，在单片机控制中得到了广泛的应用。

1.2步进电机特点和分类

步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。

从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一步进电机和普通电机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制，步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源，由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进机的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单项式步进电机等，步进电机和普通电机的区别就在于其脉冲驱动的形式，正式这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。

1.3主要研究内容

本次设计所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

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。

本次课程设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。

另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

1.4设计进度安排

此报告将按照如下思路进行展开描述：

第一章主要介绍步进电机的特点、分类、此次设计的主要内容；第二章主要介绍设计方案和原理；第三章是硬件部分，主要介绍各单元模块的组成以及功能；第四章是软件部分，重点介绍流程图各个单元模块的功能以及现象；第五章主要是系统的调试及仿真；最后是总结和有关的参考文献和附录。

第2章系统总体设计

2.1方案的设计与选择

本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。

最小系统只要是为了使单片机正常工作。

控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。

显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。

驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动

（1）控制电路根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。

对于单片机而言，主要的方法有：

软件延时和定时中断。

（2）最小系统对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。

（3）驱动电路通过ULN2803构成比较多的驱动电路。

（4）显示电路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。

在显示电路中，主要是利用了单片机的P0口和P2口

2.2系统总体框图

第三章系统硬件部分

3.1电机工作原理

该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图3-1是该四相反应式步进电机工作原理示意图

。

　　图3-1四相步进电机步进示意

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

3.2控制模块AT89C52

AT89C52是一种带4K字节FLASH闪速存储器。

128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位，他是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如下图所示

主要特性：

　　·与MCS-51兼容

　　·4K字节可编程FLASH存储器

　　·寿命：

1000写/擦循环

　　·数据保留时间：

10年

　　·全静态工作：

0Hz-24MHz

　　·三级程序存储器锁定

　　·128×8位内部RAM

　　·32可编程I/O线

　　·两个16位定时器/计数器

　　·5个中断源

　　·可编程串行通道

　　·低功耗的闲置和掉电模式

　　·片内振荡器和时钟电路

引脚功能说明

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.3显示模块ULN2003A

ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。

它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。

ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。

用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。

采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。

通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源，ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA.资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。

比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。

uln2003的作用：

ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。

可直接驱动继电器等负载。

输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

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。

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，ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成，外形及引脚排列如下图所示

。

特点

　　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。

ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装

作用

　　ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。

可直接驱动继电器等负载,输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

　　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。

ULN2003芯片引脚介绍

　　引脚1：

CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。

　　引脚2：

CPU脉冲输入端。

　　引脚3：

CPU脉冲输入端。

　　引脚4：

CPU脉冲输入端。

　　引脚5：

CPU脉冲输入端。

　　引脚6：

CPU脉冲输入端。

　　引脚7：

CPU脉冲输入端。

　　引脚8：

接地。

　　引脚9：

该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。

用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。

如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。

　　引脚10：

脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。

引脚11：

脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。

　　引脚12：

脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。

　　引脚13：

脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。

　　引脚14：

脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。

　　引脚15：

脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。

　　引脚16：

脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。

第四章系统软件部分

4.1设计思想

􂌕􂿟􀳒

软件系统采用MCS一51单片机C语言编写，时钟晶振为12MHz，根据设计任务的要求，并根据功能要求进入各个功能模块．在步进电机控制系统中单片机的主要作用是产生脉冲序列，它通过AT89C52的P1口中P1．4~P1．7发送的．系统软件编制采用定延时产生脉冲序列．在编制程序时，先将代码按照顺序放进存储器中，由单片机通过接口依次送出相应控制代码，即可控制步进电机转动．在确定步进电机的转动