1、本科畢業設計基于單片機的步進電機控制系統的設計摘 要隨著自動控制系統的發展和對高精度控制的要求，步進電機在自動化控制中扮演著 越來越重要的角色，區別于普通的直流電機和交流電機，步進電機可以對旋轉角度和轉 動速度進行高精度控制。步進電機作為控制執行元件，是機電一體化的關鍵組成之一，廣泛應用在各種自動化控制系統和精密機械等領域。 步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況 下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影 響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。 本系統介紹了一種基于單片機的步進電機控制系統的設計，包括了硬件設計和

2、軟件 設計兩部分。其中，硬件設計包括單片機最小系統、鍵盤控制模塊、LCD顯示模塊、步進電機驅動模塊、位置檢測模塊共5個功能模塊的設計。系統軟件設計采用C語言編寫，包括主程序、數字鍵處理程序、功能鍵處理程序、電機驅動處理程序、顯示模塊、位置采集模塊。本設計采用STC89C52單片機作為主控制器，4*4矩陣鍵盤作為輸入，LCD1602液晶作為顯示，ULN2003A芯片驅動步進電機。系統具有良好的操作界面，鍵盤輸入步進電機的運行距離；步進電機能以不同的速度運行，可以在不超過最大轉速準確運行到任意設定的位置，可調性較強；顯示設定的運行距離和實際運行距離；方便操作者使用。 關鍵詞：單片機 步進電機 液晶

3、顯示 鍵盤 驅動 Design of the Stepping Motor Control System Based on SCMQiuHaizhao(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China) Abstract:With the development of automatic control system and the requirements of high-precision control, stepping motor control in automat

4、ion is playing an increasingly important role, different from the common DC and AC motor, stepper motor rotation angle and rotational speed can be high-precision controlled. Stepper motor as a control actuator is a key component of mechanical and electrical integration, widely used in a variety of a

5、utomated control systems and precision machinery and other fields. Stepper motor is the open-loop control components changing electric pulse signals into angular displacement or linear displacement .In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and

6、 pulse number, regardless of load changes, that is, to add a pulse motor, the motor is turned a step angle. This system introduces a design of stepper motor control system based on single chip microcomputer, including hardware design and software design in two parts. Among them, the hardware design,

7、 including single chip minimal system, keyboard control module, LCD display module, the stepper motor drive module, position detection module five functional modules. System software design using C language, including the main program, process number keys, the key of function processes,motor driver

8、handler, the display module, position acquisition module. This design uses STC89C52 microcontroller as the main controller, 4 * 4 matrix keyboard as an input, LCD1602 LCD as a display, ULN2003A chip as stepper motor driver. System has a good user interface, keyboard input stepper motor running dista

9、nce; Stepper motor can run at different speed, and run to any given position accurately in any speed without exceeding the maximum speed, with a strong adjustable ; Display the runningdistance and the actual runningdistance, which is more convenient for the operator to use. Key words: SCM stepper LC

10、D keyboard driver27 / 33目 錄1 前言11.1 步進電機的發展11.2 設計要求12 系統方案分析與選擇論證12.1 步進電機的選擇12.2 步進電機驅動方案的選擇22.3 顯示方案的選擇32.3 鍵盤方案的選擇32.3 步進電機位置檢測方案的選擇32.4 整體方案43 主要芯片介紹與硬件電路設計43.1 單片機最小系統模塊43.1.1 單片機介紹43.1.2 單片機最小系統53.2 鍵盤電路設計63.3 顯示模塊73.3.1 LCD1602介紹73.3.2 LCD1602電路圖73.4 驅動模塊83.4.1 ULN2003A介紹83.4.2 驅動電路圖93.5 位置檢

11、測模塊93.5.1 A3144E介紹93.5.2 位置檢測電路圖114 程序設計114.1 主程序114.2 數字鍵處理程序124.3 功能鍵處理程序135 結論14參考文獻15附錄16致27華南農業大學本科生畢業設計成績評定表1 前言1.1 步進電機的發展步進電機最早是在1920年由英國人所開發。1950年后期晶體管的發明也逐漸應用在步進電機上，這對于數字化的控制變得更為容易（輝等，2010）。步進電機又稱脈沖電動機，是數字控制系統中的一種執行元件，其功能是將脈沖電信號變換為相應的角位移或直線位移，且其輸出轉角、轉速與輸入脈沖個數、頻率有著嚴格的同步關系。步進電機由于其本身的特點，在具體的應

12、用中有利于裝置或設備的小型化和低成本。因而，廣泛地應用在眾多的領域中并得以不斷的發展。雖然步進電機是一種數控元件，易于同數字電路接口。但是，一般數字電路的信號能量遠遠不足以驅動步進電機，必須有一個與之匹配的驅動電路來驅動步進電機。步進電機本體和步進電機驅動電路兩者密不可分地組成步進電機系統。多年來，隨著電力電子技術、自動化控制技術以與計算機網絡通信技術的發展，步進電機系統尤其是其中的驅動電路部分也不斷地發展，國外圍繞步進電機驅動電路做了大量的研究與開發。本次設計采用的是四相步進電機，通過軟硬件的結合來實現步進電機的啟動、停止、正轉、反轉、精確定位、變速等功能，并且用LCD顯示出步進電機運行參數

13、和設定的參數。主要通過三大塊來設計，包括驅動電路設計，顯示部分，按鍵部分的設計。1.2 設計要求 本次設計任務要完成的功能是：實現步進電機的開啟與停止、正轉、反轉、精確定位、變速等功能，并且通過按鍵來輸入運行參數，液晶顯示一些參數。 1. 按鍵設置步進電機運行距離； 2. 液晶顯示步進電機設置的運行距離和實際運行距離； 3. 啟動時步進電機速度由慢到快，停止時電機速度由快到慢；4. 當實際運行距離與設置的運行距離相等時，精確停止。2 系統方案分析與選擇論證2.1 步進電機的選擇在進行其他模塊設計前，應先選擇合適的電機。考慮到此次設計只是簡單地控制步進電機的速度、正反轉、位置定位等，而并沒有涉與

14、使用步進電機拖到負載，因此諸如靜力矩和動力矩、轉子的轉動慣量、力矩負載、慣性負載這些因素就不需要考慮了，所以最終選擇了市場上價格相對較為便宜而又比較常見的28BYJ48型四相五線制步進電機，實物圖如圖1所示。圖1 28BYJ48型四相五線制步進電機實物圖其主要技術參數如表1所示 表1 28BYJ48步進電機主要技術參數電機型號電壓V相數相電阻+10%步距角度減速比起動轉矩100P.P.S g.cm起動頻率定位 轉矩 g.cm28BYJ48-031243005.625/541:643005503002.2 步進電機驅動方案的選擇方案一：使用多個功率放大器件驅動電機 通過使用不同的放大電路和不同參

15、數的器件，可以達到不同的放大的效果，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩定，而且電路的制作也比較復雜。方案二：使用L298N芯片驅動電機 L298N芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。但是芯片的價格相對較高，本設計只是簡單的對步進電機進行控制。方案三：利用ULN2003A來驅動步進電機 ULN2003A是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，具有電流增益

16、高、工作電壓高、溫度圍寬、帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統。ULN2003A由7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網絡以與鉗位二極管網絡構成，具有同時驅動7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。 通過比較，使用ULN2003A芯片可以充分發揮它的功能，能穩定地驅動步進電機，而且價12 格不高，故選用ULN2003A驅動電機。ULN2003A芯片成本比較低，又實現了本次設計的所有要求。方案三比較合適此次設計。2.3 顯示方案的選擇方案一：采用LED數碼管顯示電機的設定距離以與實際運行的距離。在本系統中需要用到6只LED數碼管進行動態顯示才可以達到要求。采用LED的優點是

17、亮度高，醒目，價格便宜，壽命長；缺點是只能顯示09的數字和一些簡單的字符，電路復雜，占用資源較多且信息量小。方案二：用LCD（RT1602C）液晶顯示，其優點是能顯示更多的字符，工作電流比LED 小幾個數量級，故其功耗低，且有著良好的人機界面，體積小，功耗極低。基于上述考慮，所以本系統選擇方案二。2.3 鍵盤方案的選擇方案一：采用獨立式鍵盤，每個按鍵占用一條I/O線，當按鍵數量較多時，I/O口利 用率不高，但程序編制簡單，適用于所需按鍵較少的場合。 方案二：采用矩陣式鍵盤，電路連接復雜，但提高了I/O口利用率，軟件編程較復雜， 適用于需使用大量按鍵的場合。 由于本設計要求用戶擴展的鍵盤按鍵有數

18、字鍵0-9和功能鍵等共16個，因此鍵盤電路采用獨立式鍵盤將會占用很多的I/O線，所以采用獨立式鍵盤不實用，故采用4*4矩陣式鍵盤。2.3 步進電機位置檢測方案的選擇方案一：紅外檢測，傳輸要求比較嚴苛，必須要對準方向，且中間不能有障礙物，限制較多，性能也比較差。 方案二：霍爾傳感器，體積小，重量輕，精度高，線性度好，動態性能好，過載能力強，還可以通過使用多塊磁鋼來倍頻，以增加測量的精度，并且還有電路簡單，易處理等優點?；谏鲜隹紤]，所以本系統選擇方案二。2.4 整體方案本系統先通過矩陣鍵盤設置步進電機的運行距離，單片機采集鍵盤指令，給出相應的步進電機控制信號，然后通過霍爾傳感器來檢測步進電機的實

19、際運行距離，并且通過液晶顯示器來顯示所設定的步進電機的運行距離和實際運行距離，當實際運行距離大于等于設定的運行距離時，步進電機停止工作。結合以上各部分方案的對比，系統的整體方案方框圖如圖2所示。鍵盤控制時鐘電路單片機LCD1602步進電機驅動位置檢測步進電機圖2 整體方案設計方框圖3 主要芯片介紹與硬件電路設計3.1 單片機最小系統模塊3.1.1單片機介紹STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位

20、CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節Flash，512字節RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口（王衛星，2009）。另外STC89C52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停

21、止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。其引腳圖如圖3所示。圖3 STC89C52引腳圖3.1.2 單片機最小系統單片機控制模塊由STC89C52最小系統組成，包括STC89C52單片機、晶振電路和復位電路。晶振電路由兩個30pF左右電容和一個12MHz晶體振蕩器構成，接入單片機的X1、X2引腳。單片機復位端高電平有效。單片機最小系統如圖4所示。圖4 單片機最小系統 3.2鍵盤電路設計本設計采用了4*4矩陣式鍵盤也稱行列式鍵盤，它由行和列組成，在每一個行列的交叉點上設置一個按鍵，這樣一個8位的控制端口（P1口）就可以實現，比獨立式鍵盤節省了一半端口。其電路原

22、理圖如圖5所示。圖5 鍵盤電路鍵盤對應的按鍵功能如表2。表2 按鍵功能行列號第一列第二列第三列第四列第一行E正轉987第二行D反轉654第三行C加速321第四行B減速F停止0A開始3.3 顯示模塊3.3.1 LCD1602介紹1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊（胡學海，2005）。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。LCD1602是指顯示的容為16X

23、2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字），LCD1602已經很普遍了，具體的就不再介紹了。其引腳圖如圖6所示。VSSVCCV0RSRWEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BLADBK12345678910111213141516圖6 LCD1602引腳圖3.3.2 LCD1602電路圖本系統采用1602字符型液晶顯示模塊來顯示設定的步進電機的運行距離與步進電機的實際運行距離。LCD1602與單片機的接線如圖5所示。LCD1602的控制端口RS、R/W、E分別與單片機的 P3.3、P3.6、P3.7相連，LCD的八個數據引腳分別與單片機的P0端口八個引腳相連，由

24、于單片機P0端口沒有部上拉電阻，所以當其作為輸出端口時，必須外加上拉電阻，并且通過把LCD1602與一個電位器連接來控制LCD1602的顯示亮度。其電路圖如圖7所示。圖7 LCD1602電路3.4 驅動模塊3.4.1 ULN2003A介紹本系統采用額定電壓為5VDC，相數為4相的步進電機，驅動方式為4相8拍。一共有5跟線連接，其中紅色的為電源線。采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。由于單片機P口輸出的電流比較弱不能驅動步進電機，所以要加一個ULN2003A芯片來放大電流使之能驅動步進電機工作（仁定，1999）。 ULN2003A部結構與等效

25、電路圖如圖8所示：圖8 ULN2003A部框圖與等效電路圖3.4.2 驅動電路圖把STC89C52的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口分別與ULN2004芯片的輸入端IN1，IN2，IN3，IN4接口連接，P2口通過軟件實現高低電平的依次轉換，然后再把P2口的電平信號通過ULN2003芯片放大后再把放大后的信號通過OUT1，OUT2，OUT3，OUT4一次接到步進電機的ABCD四相。驅動電路與單片機連接電路圖如圖9所示。圖9 驅動電路3.5 位置檢測模塊本設計需要測量步進電機實際運行的距離，采用了A3144E霍爾元件來測量。3.5.1 A3144E介紹霍爾傳感器是利用霍爾效應原理制成的一

26、種磁敏傳感器。它是近年來為適應信息采 集的需要而迅速發展起來的一種新型傳感器，這類傳感器具有工作頻帶寬、響應快、面積小、靈敏度高、便于集成化、多功能等特點，且易于計算機和其他數字儀表接口，因此被廣泛用于自動監測、自動報警、自動控制、信息傳遞、生物醫學等各個領域，此處主要介紹開關型霍爾傳感器。 開關型霍爾傳感器由穩壓器A、硅霍爾片B、差分放大器C、施密特觸發器D和OC 門輸出E五部分組成，如圖16所示，從輸入端1輸入電壓Vcc，經穩壓器A穩壓后加在 18 硅霍爾片B的兩端，以提供恒定不變的工作電流。在垂直于霍爾片的感應面方向施加磁 場，產生霍爾電勢Vw，該n信號經差分放大器C放大后送至施密特觸發

27、器D整形。當磁場到達“工作點”時，觸發器D輸出低電壓，此狀態稱為“開”。當施加的磁場到達“釋 放點”時，觸發器D輸出低電壓，使三極管E截止，輸出端V，輸出高電位，此狀態稱為“關”。這樣2次高低電位變換，使霍爾傳感器完成了1次開關動作。開關型霍爾傳感器功能方框圖與其輸出電壓與外加磁感應強度關系如圖10和11所示。ABDC123GNDEVCCV0圖10 霍爾傳感器功能方框圖工作點釋放點VOHV0BVRPVOPVOL圖11 輸出電壓與外加磁感應強度關系3.5.2 位置檢測電路圖位置檢測電路是由開關型霍爾傳感器和磁鋼組成，其中霍爾元件與單片機的連接電路圖如圖12所示。圖12 位置檢測電路4 程序設計4

28、.1 主程序單片機開始工作時首先要對系統初始化，且LCD1602也要進行初始化，對各標志位、各變量進行初始化，對各端口初始化等。初始化后系統進入LCD顯示主界面，然后系統進入循環部分，進入循環部分后單片機會不斷檢測是否有鍵按下，如果沒有則繼續檢測，如果檢測到有任意鍵按下，則進入相應的按鍵子程序，而且本系統還會不斷的檢測單片機與霍爾傳感器連接的端口是否為低電平，如果不是則繼續檢測，如果是則進行實際運行距離的計算。流程圖如圖13所示。實際距離大于等于設定距離？系統初始化主界面有數字鍵按下？相應數字按鍵子程序P3.5端口脈沖為0？有功能鍵按下？相應功能按鍵子程序計算實際運行距離是否否否否是是是結束有

29、功能鍵按下？相應功能按鍵子程序是否開始圖13 主程序流程圖4.2 數字鍵處理程序當按下數字鍵值，系統就會執行相應的數字按鍵子程序，本程序就是把將相應設定的距離變量左移一位，并將這個數字值存入設定的距離變量的個位。得到的流程圖如圖14所示：程序入口數字鍵按下？設定運行距離變量左移一位，數字值存入個位返回是否圖14 數字鍵處理程序流程圖4.3 功能鍵處理程序當功能鍵按下時，系統就會執行相應的功能按建子程序，則系統功能鍵相對應的功能就會得到實現，而本系統功能鍵包括開始、停止、正轉、反轉、加速、減速。得到的流程圖如圖15所示。程序入口功能鍵按下？執行相應功能返回是否圖15 功能建處理程序流程圖5 結論

30、本次設計的重點在于對步進電機的控制，由于一開始對步進電機的相關知識并不是 很了解，出現了失步和堵轉的現象，通過查找資料，知道這是啟動頻率過高所導致的，查找所買步進電機的相關資料，并且通過調試，得到合適的啟動速度，并且通過加速達 到所設置的速度，通過理論計算編程實現了電機的精確定位。 本次設計通過4*4矩陣鍵盤作為輸入設備，能根據操作者的意愿，決定步進電機運行的快慢，步進電機可以在不超過其最高運行速度以幾個檔位的速度運行，并且在設置的距離精確定位；本系統可以顯示設定的距離，也可以用霍爾傳感器檢測實際距離并加以顯示，方便了與所設置距離進行對比。本設計達到了設計的預期要求，是比較理想的步進電機控制方

31、案。 參考文獻胡學海. 單片機原理與應用系統設計M. ：電子工業. 2005：290-293.仁定.電機的微機控制M.：機械工業.1999：55-74.王衛星.單片機原理與應用開發技術M.：中國水利水電.2009：92-220.輝，唐勇.步進電機發展回顧與前景展望J. 三峽學院學報，2010，26(125)：110-111.附錄附錄A電路原理圖附錄B源程序代碼#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#define uint unsigned int /宏定義，為了后面定義變量書寫簡便#defin

32、e uchar unsigned charsbit lcdrs=P33;/定義端口sbit lcdrw=P36;sbit lcden=P37;sbit ceju=P35;bit flag=0;/ 正反標識uchar code table=0X0E,0X06,0X07,0X03,0X0B,0X09,0X0D,0X0C,0X0E,0X0C,0X0D,0X09,0X0B,0X03,0X07,0X06;/驅動輸出表uchar code table1="set distance"uchar code table2="run distance"uchar num=0

33、; uchar speed=0;uchar table_begin = 0;uchar dat='0',' ',' ',;/存放數子串值uchar s=' ',' ',' ',;uchar c='0','0','0',;uchar rdat;/按鍵次數uchar dk;uchar j=0;uchar maichong=0;float juli;int rl ,sl;uchar temp=1;void duankou();void delay(uint

34、z);void write_(uchar );void write_data(uchar dat);void lcd1602_init();void kbscan(void);void keycl(uchar keyvol);void left(uchar rx,uchar date);void dispose();void qudong();void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void write_(uchar ) lcdrs=0;lcdrw=0;P0=;delay(5);lcden=1;dela

35、y(5);lcden=0;void write_data(uchar dat)lcdrs=1;lcdrw=0;P0=dat;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void lcd1602_init()lcden=0;write_(0x38);/顯示模式設置write_(0x0c);/顯示開與光標設置write_(0x06);/顯示光標移動設置write_(0x01);/顯示清屏void kbscan(void)/鍵盤掃描函數 uchar line,row; P1=0xf0; if(P1&0xf0)!=0xf0) delay(5); if(P1&0x

36、f0)!=0xf0) row=0xfe; while(row&0x10)!=0) P1=row; if(P1&0xf0)!=0xf0) line=(P1&0XF0)|0X0F); keycl(row&line);/進入處理 else row=(row<<1)|0x01; /鍵值處理函數void keycl(uchar keyvol) uchar k; delay(400); switch(keyvol) case 0xeb: rdat+;k='1'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/1 case 0xdb:

37、 rdat+;k='2'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/2 case 0xbb: rdat+;k='3'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/3 case 0xed: rdat+;k='4'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/4 case 0xdd: rdat+;k='5'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/5 case 0xbd: rdat+;k='6'srdat-1=k;left( rdat,k);

38、 break;/6 case 0xee: rdat+;k='7'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/7 case 0xde: rdat+;k='8'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/8 case 0xbe: rdat+;k='9'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/9 case 0xd7: rdat+;k='0'srdat-1=k;left( rdat,k); break;/0 case 0xe7: k='A' ;break;/開

39、始 case 0x77: k='E'break;/正轉 case 0x7b: k='D'break;/反轉 case 0x7d: k='C'break;/加速 case 0x7e: k='B'break;/減速 case 0xb7: k='F'break;/停止 if(k='A') dk=1; if(k='B') flag=0;if(k='C') flag=1;if(k='D') delay(5);num+;if(num=5)num=4;if(k='E') if(num!=0)num-;elsenum=0;if(k='F') dk=0;/移位函數void left(uchar rx,uchar date) switch(rx) case 1:dat0=d