步进电机课程设计

单片机综合设计实验题目：步进电动机综合控制学院计算机科学与信息工程学院专业年级2013级自动化三班实验组员指导教师职称日期2013--12-30目录摘要..............................................................................一概述..................................................................1.1实验目的...................................................................1.2实验内容与要求.....................................................1.3步进电机的介绍................................................1.4研究的思路.........................................................二硬件设计..............................................2.151单片机介绍...................................................2.2LCD1602液晶显示介绍2.3uln2003步进电机驱动介绍三相关图像...................................................3.1总电路图.................................................3.2程序流程图..................................................3.2.1控制框图3.2.2流程图四调试结果及分析..........................................五设计总结及心得体会................................................附录【1】系统程序...............................................附录【2】参考文献........................................................【摘要】步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件本实验利用8051单片机达到控制步进电机的启动、停止、正转、反转、点动、转过指定角度、状态显示和数据指示的目的，使步进电机控制更加灵活。整个系统有80C51单片机控制系统，由uln2003驱动电路驱动，键盘控制电路，LCD液晶显示电路。用51单片机控制两相四线步进电动机，在非超载情况下，电机的转速，停止的位置只取决于脉冲信号的频率和个数，而不受负载的影响，给电机一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，通过控制脉冲个数可以控制角位移量，从而达到控制位的作用，同时通过控制脉冲的相序来改变步进电机的转向，从而达到控制正反相的作用。本次采用51单片机为核心器件来控制步进电机，系统的实用性较强。关键字：51单片机；步进电动机；脉冲；LCD16021.1实验目的：1，单片机对步进电动机控制可以熟悉步进电机的控制与原理运用。2，单片机对步进电动机控制可以熟悉步进电机结构及各种工作方式。3，通过本次实验可以运用所学单片机理论知识，专业技能来对实际问题进行分析，思考，解决，提高对专业知识的掌握和锻炼逻辑思维能力。1.2设计内容与要求：1、任务介绍：实现步进电机按规定的速度正转、反转，转过指定的角度，要有点动功能。所有命令通过键盘输入，步进电机在运行过程中要有状态和数据指示。2、每套设计文档应包括：系统原理说明、程序框图、电路原理图和程序清单。1.3步进电机的介绍1.3.1相关的技术指标：a、相数：指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机，本实验用的是二相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同。b、步距角：表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。本实验程序运行前要先测量步进电机的步距角。（本开发板上已测步进电机步距角为18度）c、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。也就是说本步进电机每转一周需要20个脉冲。本实验用2相4拍运行方式双四拍工作方式：**;正转：A/BABAB/A/B/**反转：A/B/AB/ABA/B该实验板上步进电机内部结构图如图一1.3.2工作原理：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。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。1.3.3步进电机的驱动：步进电机的驱动可以选用专用的电机驱动模块，比如L298、FT5754等，这类驱动模块接口简单，操作方便，它们既可以驱动步进电机，同时也可以驱动直流电机。但本实验使用ULN2003驱动电路驱动步进电机运转。1.4研究的思路1了解单片机本身内部应有的资源，如：中断，定时器，计数器，I\O的使用。2了解步进电机的工作原理和作用。3根据步进电机的原理，分析并分配单片机内部资源，并根据单片机的资源，来实现硬件电路的设计以及软件程序的编写。4遇到自己所学知识不懂或不熟悉的东西，查阅资料探究明白。5在设计好单片机控制步进电动机时，要学会分析电路中出现的问题，并且好好总结。二硬件设计2.151单片机介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，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其引脚图如下所示。1．主要特性：·与MCS-51兼容·4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24Hz·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2．2．管脚说明：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P1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/地址的第八位。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外部必须被拉高。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口作为第八位地址接收。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地位字节。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。51单片机内部结构图/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）。4．芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。5．MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51（已经停产）、89S51，PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司