2022年步进电机控制系统设计报告 .pdf

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1、课程设计报告单片机课程设计课程设计题目：步进电机无级调速系统设计姓名：学号：专业 ：班级：指导教师：10 年 4 月 29 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 19 页 - - - - - - - - - 目录名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 19 页 - - - - - - - - - 摘要随着微电子和计算机技术的发展，

2、步进电机的需求量与日俱增， 它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、 医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统， 对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器, 功率放大器及步进电机等组成。 采用单片机控制 ,用软件代替上述步进控制器, 使得线路简单 , 成本低 , 可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。本设计是采用 AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO 口输出的时序方波作为步进

3、电机的控制信号，信号经过芯片 ULN2003驱动步进电机； 同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计包括 AT89C51单片机的最小系统、 电源模块、 键盘控制模块、 步进电机驱动 （集成达林顿 ULN2003 ）模块、数码显示（ SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020 ）6个功能模块的设计， 以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、 数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示

4、在 LED数码管上，对速度进行实时监控显示。 软件采用在 Keil 软件环境下编辑的 C语言。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。本控制系统的设计采用实验室中的试验箱单片机控制，通过人为按动各开关实现步进电机的开关， 以及电机的加速及减速功能， 另外还增加可设正反转的功能，具有灵活方便、 适应范围广易懂的特点， 能够满足实现自身实践动手能力提高的需求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 19 页 - - - - - - - - - 一、 设计任务与要求本设

5、计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用8279 作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。设计的步进电机控制系统应具有以下功能：1. 步进电机的启停控制；2步进电机的正反转控制；3. 步进电机的加速控制；4. 步进电机的减速控制；5. 步进电机转速的动态显示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 19 页 - - - - - - - - - 二、硬件设计1、

6、 硬件电路框图电源电路复位电路键盘显示电路晶振电路CPU步进电机驱动电路图 2.1 2、 电路分析2.1 单片机最小电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 19 页 - - - - - - - - - 图 2.1.1 单片机最小电路由电源电路、复位电路、晶振电路组成：(1) 电源电路（如图 2.1.1）中 C1（0.1uF的电容） 、C2（47.uF的电容）起滤波作用， C1过滤高频信号， C2过滤低频信号。图 2.1.2 (2) 复位电路（如图 2.1.2

7、） ，当 VCC上电时， C充电，在 10K电阻上出现电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 19 页 - - - - - - - - - 压，使得单片机复位； 几个毫秒后， C充满，10K电阻上电流降为 0，电压也为 0，使得单片机进入工作状态。 工作期间，K1闭合时，C放电；K1断开时，C又充电，在 10K电阻上出现电压，使得单片机复位。图 2.1.3 (3) 在晶振电路（如图 3.1.3 ）中，晶振采用 12M的晶振，实现 1us 的机器周期。图 2.1.

8、42.2步进电机驱动电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 19 页 - - - - - - - - - 图 2.2 ULN2003A 资料：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。003 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。它是

9、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TTL COMS, 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。2.3 键盘显

10、示电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 19 页 - - - - - - - - - 图 2.3 8279特点： (1)可同时进行键盘扫描及文字显示；(2) 键盘扫描模式；(3) 传感器扫描模式；(4) 激发输入模式；(5)8 乘 8键盘 FIFO(先进先出 ) ；(6) 具有接点消除抖动， 2 键锁定及 N键依此读出模式；(7) 双排 8 位数或双排 16 位数的显示器；(8) 右 边 进 入 或 左 边 进入 。 16 位 字 节显 示 存 储 器 。

11、8279 引脚 说 明DB0DB7：双向数据总线。在CPU 与 8279间做数据与命令传送。CLK ：8279的系统时钟， 100KHz为最佳选择。RESET ：复位输入线。输入HI 时可复位 8279。CS ：芯片选择信号线。当这个输入引脚为低电平时，可将命令写入8279或读取 8279 的数据。A0 ：缓冲器地址选择线。 A0=0时，读写一般数据； A0=1时，读取状态标志位或写入命令。RD ：读取控制线。 RD=0时， 8279输送数据到外部总线。WR ：写入控制线。 WR=0 时， 8279从外部总线接收数据。IRQ ：中断请求。平常 IRQ为 LO ，在键盘模式下， 每次读取 FIF

12、O/SENSOR RAM 的数据时， IRQ变为 HI，读取后转为 LO ；在传感器模式下， 只要传感器一有名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 19 页 - - - - - - - - - 变化，就会使 IRQ变为 HI，读取后转为 LO 。SL0SL3 ：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式(16 对1) 或解码模式 (4 对 1) 。RL0RL7 ：键盘 / 传感器的返回线。无按键被按时，返回线为HI；有按键被按时，该按键的返回线为LO 。在激

13、发输入模式时，为8 位的数据输入。SHIFT ：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存( 在 BIT6) ，内部有上拉电阻，未按时为HI，按时为 LO 。CNTL/STB ：在键盘扫描模式时， 引脚的输入状态会与SHIFT以及其它按键的状态同一储存，内部有上拉电阻，未按时为HI，按时为 LO 。在激发输入模式时，作为返回线8 位数据的使能引脚。OUTA0OUTA3：动态扫描显示的输出口 ( 高 4位)。OUTB0OUTB3：动态扫描显示的输出口 ( 低 4位)。BD ：消隐输出线。一、电路原理图与说明图 3.1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -

14、- - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 19 页 - - - - - - - - - 四、软件设计流程图与源程序清单及注解4.1 软件设计流程图开始8279 初始化启动定时中断等待1msY电机控制程序 N等待20ms定时器处理程序YN图 4.1 入口现场保护是否为 A键电机正转Y否电机反转是否B键速度减是否A键速度加是否C键是否B键启动是是电机停止现场恢复返回否否图 4.2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

15、 - 第 11 页，共 19 页 - - - - - - - - - 入口现场保护扫描键盘读缓存速度显示返回图 4.3 4.2程序清单Z8279 EQU 8701H ;8279 状态口地址D8279 EQU 8700H ;8279 数据口地址PI EQU 8300H DIRE EQU 30H ;转的形式STAS EQU 31H ;相位SPED EQU 32H ;速度指针03 SPEDED_VAL EQU 33H KEY_VAL EQU 34H DISPED_SBUF0 EQU 35H DISPED_SBUF1 EQU 36H DISPED_SBUF2 EQU 37H ORG 0000H LJM

16、P START ORG 000BH LJMP INT0_P ORG 001BH LJMP INT1_P ORG 0100H START: MOV SP ,#60H LCALL INTI8279 LCALL INT_T0 LCALL INT_T1 MOV DIRE,#02H MOV SPED,#04H MOV STAS,#077H SETB EA 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 19 页 - - - - - - - - - INTI8279: MOV DP

17、TR,#Z8279 ; MOV A,#0D3H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#Z8279; MOV A,#000H; MOVX DPTR,A MOV DPTR,#Z8279; MOV A,#038; MOVX DPTR,A NOP RET INT_T0: MOV TMOD,#011H MOV TH0,#0FFH; MOV TL0,#0FEH CLR PT0 SETB ET0 SETB TR0 RET INT_T1: MOV TMOD,#011H MOV TH1,#04CH ;定时时间为50mS MOV TL1,#000H SETB PT1 SETB ET1 SETB TR1 RE

18、T INT0_P: PUSH ACC ;堆栈LCALL LP0 ;步进电机控制程序EXIT0: MOV TH0,#0FFH ;重装定时初值MOV TL0,#0FEH POP ACC RETI LP0: MOV R7,SPEDED_VAL LP1: LCALL DELAY ;延时决定速度DJNZ R7,LP1 ;相位转动MOV A,DIRE CJNE A,#00H,LP2 ;顺时针转MOV A,STAS RL A MOV STAS,A ANL A,#0FH MOV P1,A ;相位输出LJMP LP5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -

19、- - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 19 页 - - - - - - - - - LP2: CJNE A,#01H,LP3 ;逆时针转MOV A,STAS RR A MOV STAS,A ANL A,#0FH MOV P1,A ;相位输出LJMP LP5 LP3: CJNE A,#02H,LP5 ;停转LJMP LP5 LP5: NOP RET DELAY: MOV R3,#20H ;延时子程序DELAY1: MOV R4,#04FH DJNZ R4,$ DJNZ R3,DELAY1 RET INT1_P: PUSH ACC ;堆栈LCALL KD_

20、KB ;键盘扫描处理LCALL SBUF_DISPED0 ;LED 灯显示LCALL LEDD_PROC0 EXIT1: MOV TH1,#04CH ;重装定时初值MOV TL1,#000H POP ACC RETI KD_KB: MOV DPTR,#Z8279 ;读状态字MOVX A,DPTR ANL A,#0FH JZ KD_KB1 ;表示有键按下MOV A,#40H ;读 FIFO/传感器 RAM 命令MOVX DPTR,A MOV DPTR,#D8279 MOVX A,DPTR ANL A,#3FH ;键值最大为64,屏蔽不用位MOV KEY_VAL,A LCALL JP0 KD_KB

21、1: NOP RET 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 19 页 - - - - - - - - - KEY0: MOV A,KEY_VALU CJNE A,#0AH,KEY1 LCALL KA0 LJMP KEY8 KEY1: CJNE A,#0BH,KEY2 LCALL KEY0 LJMP KEY8 KEY2: CJNE A,#0CH,KEY8 LCALL KEY0 LJMP KEY8 KEY8: NOP RET KA0: MOV A,DIRE CJN

22、E A,#00H,KA2 ;级数循环增加INC SPED MOV A,SPED CJNE A,#04H,KA1 MOV SPED,#00H KA1: LCALL SPEDED_LOAD0 LJMP KA5 ;切换转向KA2: MOV SPED,#00H MOV DIRE,#00H MOV SPEDED_VAL,#61H LJMP KA5 KA5: NOP RET SPEDED_LOAD0: MOV A,SPED CJNE A,#00H,SPEDED_LOAD1 MOV SPEDED_VAL,#050H LJMP SPEDED_LOAD8 SPEDED_LOAD1: CJNE A,#01H,SP

23、EDED_LOAD2 MOV SPEDED_VAL,#020H LJMP SPEDED_LOAD8 SPEDED_LOAD2: CJNE A,#02H,SPEDED_LOAD3 MOV SPEDED_VAL,#00AH LJMP SPEDED_LOAD8 SPEDED_LOAD3: CJNE A,#03H,SPEDED_LOAD8 MOV SPEDED_VAL,#005H LJMP SPEDED_LOAD8 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 19 页 -

24、- - - - - - - - SPEDED_LOAD8: NOP RET KB0: MOV A,DIRE CJNE A,#01H,KB2 ;级数循环增加INC SPED MOV A,SPED CJNE A,#04H,KB1 MOV SPED,#00H KB1: LCALL SPEDED_LOAD0 LJMP KB5 ;切换转向KB2: MOV SPED,#00H MOV DIRE,#01H MOV SPEDED_VAL,#61H LJMP KB5 KB5: NOP RET KC0: MOV A,DIRE CJNE A,#02H,KC1 ;重复LJMP KC5 KC1: MOV DIRE,#0

25、2H ;切换转向MOV SPED,#04H LJMP KC5 KC5: NOP RET SBUF_DISPED0: MOV A,SPED MOV DPTR,#SPEDED_TAB MOVC A,A+DPTR MOV B,#100 DIV AB MOV DISPED_SBUF0,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV DISPED_SBUF1,A MOV DISPED_SBUF2,B MOV DPTR,#Z8279 ; 写显示命令 :且数码管地址自动加1 MOV A,#090H 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

26、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 19 页 - - - - - - - - - MOVX DPTR,A MOV R0,#DISPED_SBUF2 MOV R6,#03H SBUF_DISPED1: MOV DPTR,#LEDSEG_TAB MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#D8279 MOVX DPTR,A DEC R0 DJNZ R6,SBUF_DISPED1 SBUF_DISPED2: NOP RET LEDSEG_TAB: DB 03FH,006H,05BH,04FH,066H,06DH,07DH,007H,07

27、FH,06FH ;0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 DB 0BFH,086H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,087H,0FFH,0EFH ; 加点的数值DB 000H;灭码SPEDED_TAB: DB 010H,050H,090H,0F0H,#000H END 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 19 页 - - - - - - - - - 五、 心得体会经过这么长时间的努力终于将课程设计完成了，在这次设计中， 我们的电路知识得到了

28、很好的补充和巩固，还使我提高了将理论知识运用到实际中的能力。通过这次课程设计，更深一步掌握了51 单片机的原理，了解了简单步进电机控制系统的组成原理， 并初步掌握了步进电机设计及测试方法。提高了动手能力。同时通过本次设计与调试， 巩固了已学的理论知识， 将单片机的理论和实践相结合，了解到步进电机各单元电路之间的关系及影响，从而能正确设计、 计算定时计数的各个单元电路。 初步掌握步进电机控制系统的设计及测试方法，提高率动手能力。在黄老师的带领下， 本次实验对我们编写汇编程序是一次提高。对于较长较大的程序， 不需要逐句地去编写， 而是需要我们从已有的程序中去发现、去获得哪些有用的模块然后根据自己的

29、需要和程序需要达到的功能，去进行整合和调试修改。实验报告的要求不同于其他实验，而是较为正式， 与论文格式相近。 同时在写报告时用到了多种工具软件，如protel画简单电路图等，这种要求对我们以后的毕业设计、科研中科技论文的撰写都有很大帮助。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 19 页 - - - - - - - - - 六、 参考文献1 朱兆优陈坚 王海涛编著 . 单片机原理与应用. 北京：电子工业出版社，2010 年 7 月2 肖静编 . mcs-51 实验指导书实验指导书. 东华理工大学机电学院3 周荷琴吴秀清编著 . 微型计算机原理与接口技术. 第四版 . 中国科学技术大学出版社，2008 年 12 月4 蔡明文冯先成编著 . 单片机课程设计. 湖北京：华中科技大学出版社，2009 年 7 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 19 页 - - - - - - - - -