1、 單片機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)專業(yè)：電子信息工程班級：姓名：導(dǎo)師：電氣工程學(xué)院2021 年 10 月 20 日任務(wù)書主題名稱單片控制步進(jìn)電機(jī)講師（職稱）執(zhí)行時間處理時間 學(xué)生學(xué)生卡承擔(dān)任務(wù) 五金零件 電路圖仿真與調(diào)試 軟件部分 數(shù)據(jù)搜索 編寫 Word 文檔 電路圖仿真與調(diào)試 編寫 Word 文檔設(shè)計(jì)目的1、掌握單片機(jī)芯片89C52的原理及相關(guān)接口電路的設(shè)計(jì)方法。2、熟悉電路仿真軟件protues的使用。3、掌握單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和基本方法。4、熟悉KEIL軟件編程，加強(qiáng)C語言能力。5、掌握步進(jìn)電機(jī)的控制方法。6、掌握各個芯片的控制方法。7.設(shè)計(jì)和控制步進(jìn)電機(jī)的工作。

2、設(shè)計(jì)要求(1)采用單片機(jī)控制四相單四拍步進(jìn)電機(jī)的工作。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向由正反轉(zhuǎn)控制信號控制。步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)由鍵盤輸入。可輸入的步數(shù)為3、6、9、12、15、18、21、24、27步，鍵盤具有鍵盤鎖定功能。當(dāng)鍵盤鎖定時，步數(shù)輸入電機(jī)不接受輸入的步數(shù)，不會運(yùn)行。只有打開鍵盤鎖并輸入步數(shù)后，步進(jìn)電機(jī)才開始工作。(2)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，有正反轉(zhuǎn)指示燈指示。(3)電機(jī)運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，紅色指示燈亮，同時報(bào)警。( 4 )在機(jī)器上調(diào)試程序。( 5 )撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)摘要步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行器。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到脈沖信號時，它驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)沿設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個

3、固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)以一個固定的角度步進(jìn)運(yùn)行。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移，從而達(dá)到精確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。結(jié)合對步進(jìn)電機(jī)的了解，系統(tǒng)地介紹了步進(jìn)電機(jī)的控制原理，包括步進(jìn)電機(jī)的控制方式和驅(qū)動方式。 89C51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，c程序控制運(yùn)行。控制系統(tǒng)通過單片機(jī)存儲器、I/O口、鍵盤、復(fù)位電路和晶振電路實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能。并通過DS18B20測溫防止步進(jìn)電機(jī)溫度過高。單片機(jī)控制系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)控制，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。本課程的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是通過控制脈沖個數(shù)來控制位移

4、，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。基于步進(jìn)電機(jī)本身的優(yōu)越性和廣泛的應(yīng)用，這是單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；角位移；單片機(jī)；脈沖目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc370410104 第 1 章 引言 PAGEREF _Toc370410104 h 1 HYPERLINK l _Toc370410105 1.1步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展 PAGEREF _Toc370410105 h 1 HYPERLINK l _Toc370410106 1.2步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用與展望 PAGEREF _Toc370410106 h 1 HYPERLINK l _Toc37

5、0410107 1.3設(shè)備及工作環(huán)境 PAGEREF _Toc370410107 h 1 HYPERLINK l _Toc370410108 第二章系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370410108 h 2 HYPERLINK l _Toc370410109 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370410109 h 3 HYPERLINK l _Toc370410110 3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370410110 h 3 HYPERLINK l _Toc370410111 3.1.1單片晶振電路 PAGEREF _Toc370410111 h 3 HY

6、PERLINK l _Toc370410112 3.1.2 MCU復(fù)位電路 PAGEREF _Toc370410112 h 3 HYPERLINK l _Toc370410113 3.1.3最低MCU系統(tǒng) PAGEREF _Toc370410113 h 4 HYPERLINK l _Toc370410114 3.1.4鍵盤設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370410114 h 4 HYPERLINK l _Toc370410115 3.1.5電機(jī)第 PAGEREF _Toc370410115 h 5部分 HYPERLINK l _Toc370410116 3.2系統(tǒng)工作原理探討 PAGEREF

7、_Toc370410116 h 6 HYPERLINK l _Toc370410117 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370410117 h 9 HYPERLINK l _Toc370410118 4.1分析論證 PAGEREF _Toc370410118 h 9 HYPERLINK l _Toc370410119 4.1.1步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行驅(qū)動模塊 PAGEREF _Toc370410119 h 9 HYPERLINK l _Toc370410120 4.1.2溫度采集模塊 PAGEREF _Toc370410120 h 9 HYPERLINK l _Toc370410121 4

8、.1.3主要功能模塊 PAGEREF _Toc370410121 h 10 HYPERLINK l _Toc370410122 4.1.4總體療效 PAGEREF _Toc370410122 h 10 HYPERLINK l _Toc370410123 4.2程序流程圖 PAGEREF _Toc370410123 h 10 HYPERLINK l _Toc370410124 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc370410124 h 17第一章介紹1.1步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，是一種基于最基本的電磁感應(yīng)將電 HYPERLINK %20%20%20%20:/ctc.qzs.

9、%20%20%20%20%20%20%20/view/107414.htm t _blank 脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的開環(huán)控制元件。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外設(shè)、照相機(jī)、大型望遠(yuǎn)鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對步進(jìn)電機(jī)的性能也提出了更高的要求。步進(jìn)電機(jī)的原始型號起源于1830年至1860年， 1870年前后以控制為目的進(jìn)行了嘗試，應(yīng)用于氬弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)，被認(rèn)為是最早的步進(jìn)電機(jī)。1950年代，晶體管的發(fā)明逐漸應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)，使數(shù)字控制更容易。到1960年代后期，隨著

10、步進(jìn)電機(jī)本體中永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。步進(jìn)電機(jī)在未來不斷改進(jìn)，以至于今天的步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于要求高定位精度、高分辨率、高響應(yīng)性、可靠性和其他靈活可控性的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省力、高效的機(jī)器中，很容易找到步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，特別是對于需要速度、位置控制，以及各種指令動作精確操作的柔性控制場合。獲得最多。1.2 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用與展望我國步進(jìn)電機(jī)的研究和制造始于1950年代末期， 1950年代末至1960年代末，主要是高校和科研機(jī)構(gòu)使用或開發(fā)了少量產(chǎn)品用于一些器件的研究。文革期間，我國開始批量生產(chǎn)和應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)。例如，、等已在各地投產(chǎn)，應(yīng)用于各行各業(yè)。邏輯運(yùn)

11、算電路由分立元件以及電容耦合輸入的計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器和環(huán)形分頻器組成。中等耐壓的大功率半導(dǎo)體器件也完全國產(chǎn)化。 1970年代初，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究取得突破。除了體現(xiàn)在驅(qū)動器設(shè)計(jì)上的巨大進(jìn)步外，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)和研究也發(fā)展到了更高的水平。 70年代中期至1980年代中期是成品開發(fā)階段，高性能電機(jī)新品種不斷開發(fā)。自1980年代中期以來，由于對步進(jìn)電機(jī)精確模型的大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器作為產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用。目前步進(jìn)電機(jī)的廠家確實(shí)很多，但是有專業(yè)技術(shù)人員可以自己開發(fā)。但是，制造商很少。大多數(shù)廠商只有一二十個人，連最基本的設(shè)備都沒有。只是處于盲目模仿階段。這給用戶在產(chǎn)品選擇和使

12、用上帶來了很大的麻煩。雖然步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)被廣泛使用，但步進(jìn)電機(jī)不同于普通的直流電機(jī)， HYPERLINK %20%20%20%20:/ctc.qzs.%20%20%20%20%20%20%20/view/560228.htm t _blank 常規(guī)使用的是交流電機(jī)。必須由雙環(huán)脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成的控制系統(tǒng)使用。因此，用好步進(jìn)電機(jī)并不容易。它涉及機(jī)械、電機(jī)、電子和計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。1.3設(shè)備及工作環(huán)境(1)硬件： AT89C51單片機(jī)1片，28BYJ48步進(jìn)電機(jī)1片，DS18B20溫度傳感器芯片。(2) 軟件：Windows操作系統(tǒng)、Keil C51軟件、Proteus軟件。第二章系統(tǒng)

13、方案總體設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48介紹：圖 2-1 步進(jìn)電機(jī) 28BYJ-4828BYJ-48-5VDC步進(jìn)電機(jī)為四相五線電機(jī)，中間為轉(zhuǎn)子，由永磁體組成，側(cè)面為定子繞組。當(dāng)定子的繞組通電時，會產(chǎn)生一個方向的電磁場。如果磁場的方向和轉(zhuǎn)子磁場的方向不在同一條線上，那么定子和轉(zhuǎn)子的磁場就會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)來扭轉(zhuǎn)定子。通過依次改變繞組的磁場，可以使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)（例如上電順序?yàn)锳-B-C-D正轉(zhuǎn)，反之亦然）。并根據(jù)上電順序不同分為單四拍（ABCD） 、雙四拍（AB-BC-CD-DA） 、單雙八拍（A-AB-B- BC-C-CD-D-DA)三種工作方式。單四拍和雙四拍的步距角相等，但單四拍的扭矩小。八拍工

14、作方式的步距角是單四拍和雙四拍的一半。因此，八拍工作模式既能保持高扭矩，又能提高控制精度。第三章硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1.1 單片晶振電路89C51的一般晶振可以在1.2MHZ-12MHZ之間選擇，對應(yīng)的選擇電容C 10pf-30Pf。本設(shè)計(jì)的電容C采用30pF，晶振為12MHZ。晶振電路方案圖3-2，一個接XTAL1，另一個接XTAL2。電路圖如圖2-1所示：圖 3-1晶振電路3.1.2 MCU復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化工作。復(fù)位后，單片機(jī)的中央處理器CPU等功能部件處于某個初始狀態(tài)，并從該狀態(tài)開始工作。為了防止程序執(zhí)行過程中出現(xiàn)失步或運(yùn)行紊亂，我們這里使用上電復(fù)位和手動復(fù)位電路

15、。電路圖如圖2-2所示：圖 3-2 復(fù)位電路3.1.3 最小MCU系統(tǒng)圖 3-3 微控制器最小系統(tǒng)5V電源：給系統(tǒng)供電。EA接高電平：表示從運(yùn)行部門的程序存儲器中下載的程序。P0口接排阻：P0口為開漏結(jié)構(gòu)，使用時一般接排阻拉高電平。3.1.4 鍵盤設(shè)計(jì)圖 3-4 鍵盤電路電路采用獨(dú)立鍵盤工作方式，共有12個按鍵。 27個步驟選擇功能。 S10是鍵盤鎖，S11是反向，S12是正向。有一些程序性決定開始發(fā)揮作用。3.1.5 電機(jī)部分圖 3-5 電機(jī)控制電路電路左側(cè)的4B5B分別接P0.4P0.7，分別驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D三相。從而轉(zhuǎn)動電機(jī)。由于單片機(jī)的輸出電流較小，所以使用ULN2003來

16、增加電流。ULN2003簡介如下：ULN2003是由7個硅NPN復(fù)合晶體管組成的高壓、大電流復(fù)合晶體管陣列。 ULN2003是大電流驅(qū)動陣列，多用于微控制器、智能電表、PLC、數(shù)字輸出卡等控制電路。可直接驅(qū)動繼電器等負(fù)載。輸入5VTTL電平，輸出高達(dá)500mA/50V。 ULN2003是由7個硅NPN達(dá)林頓管組成的高壓、大電流達(dá)林頓柱。圖 3-6 ULN2003 芯片管腳圖電路特點(diǎn)如下： ULN2003的每對達(dá)林頓電阻串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V工作電壓下可直接接TTL和CMOS電路，可直接加工原需要用于標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。處理過的數(shù)據(jù)。 ULN2003是一系列高壓大電流 HYPERLINK

17、 %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/749110.htm 達(dá)林頓晶體管陣列產(chǎn)品。具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。適用于各種需要高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，在關(guān)斷狀態(tài)下可承受50V電壓，輸出也可與大負(fù)載電流并聯(lián)運(yùn)行。3.2系統(tǒng)工作原理探討圖 3-7 一般示意圖系統(tǒng)的核心CPU是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51芯片，將多功能8位CPU和FPEROM（閃存可編程/可擦寫只讀存儲器）結(jié)合在一個芯片上。它是一種低功耗、高性能的芯片。 CMOS控制器為許多嵌入式控制應(yīng)用提

18、供了非常靈活且價(jià)格合理的解決方案，其性能價(jià)格比遠(yuǎn)高于同類芯片。兼容89C51指令系統(tǒng)，芯片F(xiàn) PEROM允許程序存儲器在線重新編程，也可以用常規(guī)EPROM編程器進(jìn)行編程，可寫/擦1000次。 89C51包含4KB的FPEROM，一般EEPROM的字節(jié)擦除時間和寫入時間基本都在10ms左右，對于任何實(shí)時控制系統(tǒng)來說，這么長時間在線修改程序是不可能的。CPU為Atmel公司生產(chǎn)的89C51/89C52/89C55等。廠家提供的晶振頻率為11.0592MH，每個機(jī)器周期為1.085us。用戶可更換晶振提高速度；內(nèi)存為64K，前4K/8K20K在CPU部分，其他程序在EPR0M27512；數(shù)據(jù)存儲器為

19、32K（62256），地址為8000-FFFFH；A端口地址：21O1H B端口地址：2102H C端口地址：2103H；T 低八位：2104H T 高八位：2105H；多路模擬開關(guān)的使用：P1=0F8H IN4：P1=0FCH IN1：P1=0F9H IN5：P1=OFDH=0FAH IN5 : P1=0FEH IN3: P1=0FBH IN7: P1=0FFH不掉電數(shù)據(jù)存儲：500EH-507FH；控制板：160 x1O9(mm) 電源：+5V300mA +12V100mA -12V100mA；AT89C1 是一款低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微控制器，帶有 4KB Flash Pr

20、ogrammable/Erasable Read Only Memory（FPEROM-Flash Programmable and Eraseable Read Only Memory），采用高密度、非易失性存儲技術(shù)和完全兼容80C51引腳和指令系統(tǒng)；主要性能：兼容89C51單片機(jī)產(chǎn)品系列；該芯片具有 4KB 的在線可重新編程閃存。引腳介紹：圖 3-8 89C51 引腳介紹總體介紹：本系統(tǒng)使用的芯片包括：DS18B20溫度傳感器、ULN2003A和28BYJ48四相五線步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)工作在單四拍模式，步進(jìn)力矩為5.625，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)由正反轉(zhuǎn)控制信號控制。步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)由鍵盤輸入。

21、通過獨(dú)立鍵盤S1S9可輸入的步數(shù)為3、6、9、12、15、18、21、24、27，對應(yīng)角度為16.875、33.725、.、151.875 ，鍵盤S10具有鍵盤鎖定功能。當(dāng)鍵盤鎖定時，步進(jìn)電機(jī)不接受輸入的步數(shù)，不會運(yùn)行。只有打開鍵盤鎖，選擇運(yùn)行方向并輸入步數(shù)，步進(jìn)電機(jī)才會開始工作。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，有正轉(zhuǎn)指示燈D2和反轉(zhuǎn)指示燈D3指示。電機(jī)運(yùn)行過程中，溫度傳感器用于采集步進(jìn)電機(jī)外部溫度（可設(shè)置）。若過熱，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，紅色指示燈亮，蜂鳴器響。第四章軟件設(shè)計(jì)4.1分析論證本步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要采用ULN2003A驅(qū)動芯片、溫度傳感器芯片DS18B20芯片、獨(dú)立鍵盤等，包括步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行驅(qū)動、

22、溫度采集、主要功能三大功能模塊。4.1.1步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行驅(qū)動模塊由于系統(tǒng)中沒有充分利用I/O口，所以使用了獨(dú)立鍵盤。系統(tǒng)工作時，鍵盤控制的I/O口處于高電平狀態(tài)。當(dāng)按鍵按下時，觸發(fā)一個低電平，驅(qū)動程序?qū)崟r監(jiān)控并立即響應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)的工作。判斷電機(jī)步數(shù)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)開始鍵盤是否鎖住正反轉(zhuǎn)判斷步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)否正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)圖 4-1 步進(jìn)電機(jī)控制流程圖4.1.2溫度采集模塊該模塊的重要功能是采集步進(jìn)電機(jī)表面的溫度，并比較設(shè)定值來判斷體溫是否過高。溫度過高時電機(jī)正常轉(zhuǎn)動。當(dāng)溫度過高時，電機(jī)不再轉(zhuǎn)動。 ，蜂鳴器報(bào)警，紅燈亮。初始化跳過ROM命令溫度轉(zhuǎn)換命令時間到讀溫度數(shù)據(jù)發(fā)讀溫度命令匹配ROM命令初始化是否圖4-2

23、 ds18b20控制流程圖4.1.3主要功能模塊該模塊的重要功能是調(diào)動溫度采集功能和步進(jìn)電機(jī)功能中的功能，實(shí)現(xiàn)模塊化編程。4.1.4整體療效_AT89C52芯片控制ULN2003A芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，掃描鍵盤輸入運(yùn)行狀態(tài)匹配運(yùn)行步數(shù)，當(dāng)電機(jī)外部溫度超過40時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動并報(bào)警！4.2 程序流程圖主程序流程圖如圖所示：開始初始化程序報(bào)警，紅燈點(diǎn)亮，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)判斷步進(jìn)電機(jī)溫度是否過高？是的不鎖鍵盤等待開鍵盤是的不確定輸入步數(shù)電機(jī)高溫？步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不圖 4-3 程序流程圖計(jì)劃清單#include#define uchar 無符號字符#define uint 無符號整數(shù)#定義 M 100位 k1=P

24、10;位 k2=P11;位 k3=P12;位 k4=P13;位 k5=P14;位 k6=P15;位 k7=P16;sbitk8=P17;sbitk9=P00;sbitk10=P01;位 k11=P02;位 k12=P03;位 DQ=P27;sbitD3=P20;位 D2=P23;sbitD1=P25;sbitbel=P26;uchar a=0 x10,0 x20,0 x40,0 x80;uchar b=0 x80,0 x40,0 x20,0 x10;uchar x=0,T,tempL,tempH;無效延遲（uint i）當(dāng)我 - ）;虛空鈴（虛空）教學(xué)；for(i=0;i50;i+)貝爾=0；

25、延遲（10000）；貝爾=1；延遲（10000）；void zj(uchar zj) uint i,j;D2=1；for(j=0;jzj;j+)for(i=0;i4;i+)P0=ai;延遲（800）；D2=0；無效 fj(uchar fj) uint i,j;D3=1；for(j=0;jfj;j+)for(i=0;i0;i-)DQ=0；DQ=dat&0 x01;延遲（5）；DQ=1；數(shù)據(jù)=1；延遲（4）；uchar ReadOneChar(void)無符號字符 i=0;無符號字符 dat=0;對于 (i=8;i0;i-)DQ=1；延遲（1）；DQ=0；數(shù)據(jù)=1；DQ=1；如果（DQ）數(shù)據(jù)|=0 x80；延