1、1湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計課程名稱課程名稱 微機原理與應(yīng)用微機原理與應(yīng)用 課題名稱課題名稱 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計 專專 業(yè)業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù) 班班 級級 08020802 學(xué)學(xué) 號號 姓姓 名名 * 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 * 20112011 年年 6 6 月月 2727 日日2湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程名稱課程名稱 微機原理與應(yīng)用微機原理與應(yīng)用 課課 題題 步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級專業(yè)班級 電子科學(xué)與技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù) 08020802 班班 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 * 學(xué)學(xué) 號號 * 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師 * 審審 批批 任務(wù)

2、書下達日期 2011 年 6 月 27 日任務(wù)完成日期 2011 年 7 月 8 日3設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計內(nèi)容：以單片機為核心設(shè)計一個步進電機控制系統(tǒng)，要求能夠通過鍵盤設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，并在 4 位 led顯示器上顯示步進電機轉(zhuǎn)速或工作狀態(tài)。設(shè)計要求：設(shè)計要求：1）確定系統(tǒng)設(shè)計方案； 2）進行系統(tǒng)的硬件設(shè)計；3）完成應(yīng)用程序設(shè)計；4）硬件電路及應(yīng)用程序的調(diào)試。4主主 要要 設(shè)設(shè) 計計 條條 件件本課題以單片機為核心，設(shè)計并制作出步進電機控制系統(tǒng)，設(shè)計要求：1. 按下不同的鍵，分別使步進電機實現(xiàn)順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)；2. 步進電機可實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，加速、減速等工作狀態(tài)；3. 通過

3、 led 數(shù)碼管顯示步進電機運行速度或工作狀態(tài)；說 明 書 格 式1 課程設(shè)計任務(wù)書2 目錄3 總體方案確定4 各單元硬件電路設(shè)計說明及計算方法5 軟件設(shè)計與說明（包括流程圖）6 調(diào)試結(jié)果與必要的調(diào)試說明7 使用說明8 總結(jié)9 參考文獻附錄附錄 a 系統(tǒng)原理圖附錄 b 程序清單5進 度 安 排設(shè)計時間為兩周第一周星期一、上午：布置課題任務(wù)，講課及課題介紹 下午：借閱有關(guān)資料，總體方案討論星期二、系統(tǒng)總體方案星期四、設(shè)計及調(diào)試星期五、設(shè)計及調(diào)試第二周星期一、設(shè)計及調(diào)試星期二、設(shè)計及調(diào)試星期三、設(shè)計及調(diào)試星期四、寫說明書星期五、上午：寫說明書，整理資料下午：交設(shè)計資料，答辯參 考 文 獻參考文獻1

4、王迎旭.單片機原理與應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2004.70目錄目錄第第 1 1 章章 概述概述.1 11.1 單片機概述 .11.2 步進電機概述 .2第第 2 2 章章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計.3 32.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路 .32.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案方框圖 .3第第 3 3 章章 硬件介紹與說明硬件介紹與說明.4 43.1 開發(fā)板按鍵硬件連接及實物說明 .43.2 開發(fā)板數(shù)碼管硬件連接及實物說明.53.3 開發(fā)板步進電機硬件連接及實物圖 .6第第 4 4 章章 軟件設(shè)計流程軟件設(shè)計流程.7 74.1 系統(tǒng)整體流程概述 .74.2 系統(tǒng)整體流程圖 .8第第 5 5 章章 調(diào)試

5、結(jié)果與說明調(diào)試結(jié)果與說明.9 95.1 系統(tǒng)調(diào)試 .95.2 調(diào)試說明 .95.3 調(diào)試結(jié)果 .10第第 6 6 章章 總結(jié)總結(jié).1212參考文獻參考文獻.1313附錄附錄.1414附錄 a 系統(tǒng)原理圖.14附錄 b 程序清單.151第第 1 章章 概述概述1.1 單片機概述單片機概述單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：cpu、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在

6、一塊芯片上。單片機也被稱為微控制器（microcontroller） ，是因為它最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅有 cpu 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 cpu 集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。intel 的 z80 是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。at89 系列單片機。他不但具有一般mcs-51 單片機的所有特性，而且還擁有一些獨特的優(yōu)點，此次設(shè)計中所用到的 stc90c52rc 就是其中典型的代表。stc 單片機是以 51 內(nèi)核為主的單片機 ： 高速:

7、1 個時鐘/機器周期,增強型 8051 內(nèi)核,速度比普通 8051 快 812倍寬電壓:5.54.1v/3.7v,3.6v2.4v/2.1v(stc11/10l 系列)低功耗設(shè)計:空閑模式(可由任意一個中斷喚醒)低功耗設(shè)計:掉電模式(可由任意一個外部中斷喚醒,可支持下降沿/低電平和遠程喚醒,stc11xx 系列還可通過內(nèi)部專用掉電喚醒定時器喚醒)工作頻率:035mhz,相當(dāng)于普通 8051:0420mhz。2 1.2 步進電機概述步進電機概述步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為

8、步進電機分時供電的，多相時序控制器 感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。 （必須采用雙極電壓驅(qū)動） ，而反應(yīng)式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a）完全可以采用二相八拍運行方式。 一個二相電機的內(nèi)部繞組與

9、四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相） ，這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n 表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相拍運行方式即 ab-bc-cd-da-ab,四相八拍運動方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，

10、它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 3第第 2 章章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路系統(tǒng)總體設(shè)計思路本系統(tǒng)，通過選取單片機的四個獨立鍵盤作為信號控制的按鍵輸入，并連接到單片機的 p3 口，通過單片機內(nèi)部的處理將鍵盤的輸入信號讀入并執(zhí)行相應(yīng)的動作，并從 p,0，p2 口分別接數(shù)碼管的段選端和位選端，從而使得四位數(shù)碼管能按指定要求顯示指點的檔位加減，和步進電機運行狀態(tài)的效果。同時利用程序?qū)Σ竭M電機（本方案中采取四項四拍的方式）實施與數(shù)碼管同步的相應(yīng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而使得整個步進電機控制系統(tǒng)得以準(zhǔn)確的實現(xiàn)。具體設(shè)計方框圖如下。2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案方框圖系統(tǒng)總體

11、設(shè)計方案方框圖 p1 p0 stc89c54rtp3 p2 鍵盤輸入驅(qū)動步進電機段選信號四位數(shù)碼管片選信號鍵 盤 圖圖 2.1 總體總體設(shè)計方案方框圖總體總體設(shè)計方案方框圖4第第 3 章章 硬件介紹與說明硬件介紹與說明本系統(tǒng)采用自備的 stc89c54rd+系列的單片機開發(fā)板進行硬件搭接與調(diào)試，并利用 c 語言編程來實現(xiàn)硬件的既定功能。下面就對此些列開發(fā)板的硬件電路原理圖進行相應(yīng)的說明。3.1 開發(fā)板按鍵硬件連接及實物說明開發(fā)板按鍵硬件連接及實物說明圖 3.1 按鍵硬件連接及實物圖圖中 s1s4 可以配置成獨立按鍵，即通過一個眺冒 j11 切換，在獨立鍵盤配置中，應(yīng)該把眺冒跳到左端，此時獨立鍵

12、盤才有效，由于，此個步進電機控制系統(tǒng)中所用的按鍵剛好四個即可滿足要求，因此，系統(tǒng)中采用獨立鍵盤。本系統(tǒng)設(shè)計通過四個獨立按鍵 s1，s2，s3，s4 接入單片機 p3 口前四位，當(dāng) s1 鍵按下時，步進電機正轉(zhuǎn)，當(dāng) s2 鍵按下時，步進電機反轉(zhuǎn)，當(dāng) s3 鍵按下時，步進電機通過按鍵的次數(shù)來增大步進電機的脈沖頻率從5而在原有的轉(zhuǎn)速上進行加速，當(dāng) s4 鍵按下時，步進電機通過按鍵的次數(shù)來減小步進電機的脈沖頻率從而在原有的轉(zhuǎn)速上進行減速。由此，通過四個按鍵的控制即可實現(xiàn)步進電機的準(zhǔn)確控制。3.2 開發(fā)板數(shù)碼管硬件連接及實物說明開發(fā)板數(shù)碼管硬件連接及實物說明圖 3.2 數(shù)碼管硬件連接及實物圖圖中 74h

13、c573 11 腳接 vcc，鎖存不起作用，相當(dāng)于直通，相應(yīng)的段賦值為 1，a,b,c 賦值 07，則輸出端分別是 y0y7 置 0，從而選通七個數(shù)碼管，在此步進電機控制系統(tǒng)中僅使用三個數(shù)碼管，一個用來顯示電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)，另外兩個用來顯示電機轉(zhuǎn)速的不同檔位。本系統(tǒng)設(shè)計通過 p0 口控制數(shù)碼管的段選，p2 口控制數(shù)碼管的八位數(shù)碼管的位選，利用數(shù)碼管的動態(tài)掃描選通數(shù)碼管的 1,4,5 位數(shù)碼管，其6中第 1 位為電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，4,5 位顯示一個十位數(shù)以用來表示電機轉(zhuǎn)動速度及檔位的顯示。3.3 開發(fā)板步進電機硬件連接及實物圖開發(fā)板步進電機硬件連接及實物圖圖 3.3 步進電機硬件連接及實物圖圖中 ab

14、cd 為 4 相信號輸入端，此端默認(rèn)為懸空，需要用 4 根杜邦線連接至單片機 i/o 口，在此系統(tǒng)中，在軟件中定義 abcd 4 相分別為p1.0，p1.1, p1.2，p1.3,即可利用 4 根杜邦線將其連接即可。本系統(tǒng)設(shè)計接的是四項的步進電機，每項分別接到p1.0，p1.1，p1.2，p1.3 端口上，并通過程序來控制 p1 高低電平的循環(huán)輸出。由于此電機利用的是四項四拍方式來驅(qū)動電機，因此，通過程序中的設(shè)置從而選擇合適的脈沖輸出頻率從 p1 口的轉(zhuǎn)換成高低電平信號輸出，從而可以有效的驅(qū)動電機。 7第第 4 章章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計流程流程 4.1 系統(tǒng)整體流程概述系統(tǒng)整體流程概述本系統(tǒng)通過

15、 c 語言編程，其中包括數(shù)碼管顯示部分，鍵盤掃描部分，步進電機控制部分三個主要部分，進入程序先給數(shù)碼管初始化然后設(shè)置中斷的工作狀態(tài)同時開啟總中斷，然后進入鍵盤掃描程序部分，首先判斷 s1 鍵的狀態(tài)，并通過按鍵的去抖程序后，給檔位進行初始設(shè)置,同時設(shè)置標(biāo)志位為 1。然后在保證 s2鍵沒有按下的前提下進入轉(zhuǎn)速控制子模塊并開始檢測 s3，s4 鍵的狀態(tài)，并分別在相應(yīng)的鍵按下時對檔位進行相應(yīng)的加減，并同步修改電機的轉(zhuǎn)速參數(shù)。之后，再對中斷裝入初值，s1 鍵按下的程序中開啟中斷，從而程序進入中斷并通過標(biāo)志位的選擇從而進入電機正反轉(zhuǎn)的程序，并最后進入數(shù)碼管的動態(tài)掃描。同理可以對 s2 鍵進行掃描，流程與上

16、相似。84.2 系統(tǒng)整體流程圖系統(tǒng)整體流程圖 圖 4.1 系統(tǒng)工作流程圖y主程序有無鍵按下？等待鍵抬起n數(shù)碼管，中斷初始化鍵盤掃描一號鍵按下，啟動中斷數(shù)碼管顯示正轉(zhuǎn)符號和檔位二號鍵按下，啟動中斷三號鍵按下，啟動中斷四號鍵按下，啟動中斷數(shù)碼管顯示反轉(zhuǎn)符號和檔位正反轉(zhuǎn)符號不變，檔位加一正反轉(zhuǎn)符號不變，檔位減一9第第 5 章章 調(diào)試結(jié)果與說明調(diào)試結(jié)果與說明5.1 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試本系統(tǒng)調(diào)試過程中采用直接硬件調(diào)試的方法，對整體的系統(tǒng)程序進行分解排故，首先對八段顯像管進行數(shù)字顯示測試，然后對鍵盤進行按鍵響應(yīng)測試，當(dāng)測試都得到正確結(jié)果時，將鍵盤與顯示結(jié)合起來，并給予恰當(dāng)?shù)淖中痛a，最后加入定時器中斷程序，給

17、出正確的脈沖信號和頻率。5.2 調(diào)試說明調(diào)試說明在調(diào)試過程中出現(xiàn)了不少問題，通過不同方法得到了解決，在此逐一進行說明：（1）顯示管出現(xiàn)不停閃爍，不能清晰顯示的問題，后查出由于延時程序過長沒有小于眼鏡分辨頻率所致，縮短定時器定時后解決。（2）按鍵出現(xiàn)按下一鍵響應(yīng)多次的情況，后查出由于鍵位抬起子程序書寫不當(dāng)，造成鍵盤多次響應(yīng)，并加上了松手去抖程序后問題得以順利解決。（3）在設(shè)計中斷初值重裝的時候，發(fā)現(xiàn)要適時的修改步進電機的脈沖頻率，可以直接將控制電機轉(zhuǎn)速參數(shù)的量直接賦到初值里面，這樣的效果比通過固定初值再去計數(shù)的效果要好105.3 調(diào)試結(jié)果調(diào)試結(jié)果圖 5.1 電機正轉(zhuǎn)顯示效果圖圖 5.2 電機反轉(zhuǎn)

18、顯示效果圖11圖 5.3 電機最高檔位顯示效果圖圖 5.4 電機最低檔位顯示效果圖12第第 6 章章 總結(jié)總結(jié)這次單片機課程設(shè)計讓我獲益很多，由于先前我自己已經(jīng)對單片機的基本功能都有個比較具體的了解，因此，對于這個課程設(shè)計我并不是很擔(dān)心，因此，對于選題我也并不是很在意，那天老師給我們布置了課題后，我接到的是步進電機控制的課題，由于平時我對步進電機控制上并沒有下太大的功夫，因此，對于這個課題還是比較陌生的，但是，我并不擔(dān)心，接到課題后我就開始準(zhǔn)備程序。其實，我做的還是比較順利，由于先前一些基本的程序我自己都有編過，因此很多基本的模塊就可以直接調(diào)用，像鍵盤掃描模塊就可以直接調(diào)用，由于先前我的程序都

19、是用 c 語言編的，因此，我也就沒有打算用匯編語言編程，將這些外面的控制模塊都編好了后，我就開始查資料了解步進電機的工作原理及程序控制方法，了解完后，我也很順利的編好了電機驅(qū)動程序，接下來就剩下了最后一個功能部分，也算是最關(guān)鍵的部分，那就是電機的加速減速，一開始，我是利用按鍵的按下次數(shù)來控制步進電機的延時程度，從而達到電機轉(zhuǎn)速控制的效果。弄好了這個程序后，我后來就去拿給老師檢查，但是老師說我的檔位設(shè)置的不夠，同時最好利用中斷來控制步進電機的脈沖頻率，要我回家繼續(xù)修改，因此，我拿回程序后繼續(xù)改進方案，最后，終于，按照老師的要求完成了目標(biāo)同時也有了個比較好的硬件顯示效果。至此，我的程序編譯調(diào)試階段

20、算是結(jié)束了，剩下的就是報告的書寫，我們老師對我們要求很嚴(yán)格，報告一定要按照老師指定的規(guī)范書寫，因此，在報告的書寫上我們也獲益匪淺，也理解到了做事情一定要細致。通過這次單片機課程設(shè)計，我不僅又重溫了一下單片機的操作，同時也讓我加深了對單片機的了解，尤其是對步進電機的工作原理及運轉(zhuǎn)狀態(tài)的控制有了個比較形象的認(rèn)知，讓我，在單片機上又有了更進一步的提升。最后，也得感謝我們的指導(dǎo)老師，由于她的嚴(yán)格要求讓我們學(xué)13到了更多。 參考文獻參考文獻1、 王迎旭編.單片機原理與應(yīng)用m.機械工業(yè)出版社. 2、 樓然苗編.51 系列單片機設(shè)計實例m.北京航空航天大學(xué)出版社.3、 黃勤編.計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)實驗教程m.

21、重慶大學(xué)出版社4、劉樂善編.微型計算機接口技術(shù)及應(yīng)用m.華中科技大學(xué)出版社.5、陳光東編.單片微型計算機原理及接口技術(shù)m.華中科技大學(xué)出版社.14 附錄附錄附錄附錄 a 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖圖 a 系統(tǒng)整體原理圖15附錄附錄 b 程序清單程序清單#include sbit key1=p30; /定義按鍵位置sbit key2=p31;sbit key3=p32;sbit key4=p33;unsigned int sudu,dang,flag，a,b,c,num,num1;unsigned char i=0;unsigned char code tab=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x71,0 x7c,0 x77,0 x6d;unsigned char code seg=0,1,2,3,4,5,6,7;unsigne