基于單片機的步進電機控制

1、單片機原理與接口技術(shù)課程設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)自動化學(xué)生姓名 學(xué)號 設(shè)計題目基于單片機的步進電機控制 軟件設(shè)計內(nèi)容及要求：根據(jù)單片機原理編輯軟件及畫出電路圖實現(xiàn)步進電機的控制功能及電機的狀態(tài)顯示功能。進度安排：第1天：1. 布置課程設(shè)計題目及任務(wù)。2. 查找文獻、資料，確立設(shè)計方案。第23天：1. 根據(jù)實際情況確定所需模塊的設(shè)計方案。第45天：1. 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求查找相關(guān)型號的單片機、芯片等器件的接線方法及實際參數(shù)的設(shè)置方法。2. 在此基礎(chǔ)上用proteus軟件搭建仿真電路并進行相關(guān)仿真，驗證元器件是否符合設(shè)計要求。第67天：1. 根據(jù)所搭建的硬件電路編制程序（c語言），

2、并將其keil與proteus兩個軟件進行聯(lián)機調(diào)試，成功后進行實際電路搭建。2. 課程設(shè)計結(jié)果驗收，針對課程設(shè)計題目進行答辯。3. 完成課程設(shè)計報告。指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日分院院長（簽字）：年 月 日摘要本次設(shè)計主要是用單片機控制步進電機，作為21世紀的自動化人，步進電機的精確傳送與單片機的智能控制對我們有著不言而喻的重要性。因此，本次設(shè)計也就有了異樣的光彩。本設(shè)計利用stc89c52單片機，28byj-48步進電機實現(xiàn)對步進電機的控制。根據(jù)不同的需要我們可以有四個不同檔位速度的選擇，并可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。為了更顯人性化，我們加上了一個液晶顯示屏，顯示步進電機的運行狀態(tài)。關(guān)鍵詞：步進電機，

3、單片機 30目錄1.前言22. 整體設(shè)計32.1步進電機28byj-4832.1.1 28byj-48工作原理32.1.2 28byj-48參數(shù)32.2單片機42.2.1.概述42.2.2.單片機的選擇52.2.3.單片機的基本結(jié)構(gòu)53. 電路仿真設(shè)計73.1 仿真軟件proteus的使用73.2單片機最小系統(tǒng)93.3液晶顯示模塊103.4步進電機及其驅(qū)動模塊113.5鍵盤設(shè)計124. 軟件設(shè)計134.1 keil c51編程軟件的使用及調(diào)試方法134.2軟件設(shè)計要求144.3系統(tǒng)軟件設(shè)計流程144.3.1軟件總體設(shè)計框圖144.3.2鍵盤掃描流程圖154.3.3顯示模塊流程圖164.3.4步

4、進電機模塊174.4主程序184.4.1頭文件184.4.2主程序194.4.3液晶模塊214.4.4矩陣鍵盤模塊244.4.5電機模塊275. 調(diào)試與功能說明295.1硬件調(diào)試296. 結(jié)束語307.參考文獻311.前言步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。20世紀末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力

5、地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快，其中步進電機也廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機床、繪圖機、計算機外圍設(shè)備、自動記錄儀表、鐘表和數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置等。步進電機分三種：永磁式（pm），反應(yīng)式（vr）和混合式（hb），永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步

6、進電機的應(yīng)用最為廣泛?；诓竭M電機在社會實踐中的廣泛應(yīng)用，本設(shè)計主要運用28byj-18步進電機，此產(chǎn)品小體積、高轉(zhuǎn)速、底振動。具 有結(jié)構(gòu)緊湊、力矩大、輸入功率小、噪音小、 使用方便等特點。產(chǎn)品廣泛用于空調(diào)器、電動器械、冷暖通閥門、熱水器自動調(diào)溫系統(tǒng)、自動化儀器、舞臺燈光、安防視頻監(jiān)控、及單片機學(xué)習(xí)開發(fā)等領(lǐng)域。再用stc89c52單片機作為控制器來實現(xiàn)基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)。2. 整體設(shè)計2.1步進電機28byj-482.1.1 28byj-48工作原理本實驗選擇28byj-48步進電機作為設(shè)計對象，步進電機28byj48型四相八拍電機，電壓為dc5vdc12v。當(dāng)對步進電機施加一系列連

7、續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（a-b-c-d-a。），雙（雙相繞組通電）四拍（ab-bc-cd-da-ab-。），八拍（a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a。）2.1.2 28byj-48參數(shù)1.極限參數(shù)： 表2-1參數(shù)最小值最大值單位工作溫度1+60 儲存溫度-20+75 2.技術(shù)參數(shù)： 表2-2參數(shù)值參數(shù)值電壓vdc5空載牽入頻率hz500

8、直流電阻25°c ±7%32空載牽出頻率hz600步距角5.625°/64絕緣耐壓v 1s600減速比1/64溫升 k牽入轉(zhuǎn)矩（100hz時）gf.cm250噪音 db自定位轉(zhuǎn)矩gf.cm300驅(qū)動方式四相八拍連接線長：230mm，采用ul 26awg 1061的電源線 3.接線示意圖 圖2.1 接線示意圖 4.脈沖分配方式圖2.2 脈沖分配方式2.2單片機2.2.1.概述單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能

9、部件：中央處理器、存儲器和i/o接口電路等。因此，單片機只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。2.2.2.單片機的選擇目前，我國生產(chǎn)很多型號的單片機，在此，我們采用型號為stc89c52的單片機。因為： stc89c52是一個低電壓，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準mcs-52指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的at89c52提供了高性價比的解決

10、方案。    stc89c52是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，stc89c51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。2.2.3.單片機的基本結(jié)構(gòu)下圖是mcs-52系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：mcs-51系列單片機無論是片內(nèi)ram容量、i/o口功能、系統(tǒng)擴展能力、指令系統(tǒng)、引腳等都基本相同。在制造技術(shù)上，mcs-51系列單片機按兩種工藝生產(chǎn)。一

11、種是hmos工藝，即高密度短溝道 mos工藝。另一種是chmos工藝，即互補金屬氧化物的hmos工藝生產(chǎn) 。在片內(nèi)程序存儲器的配置上，mcs-51系列單片機有三種形式，即片內(nèi)無程序存儲器、有掩膜程序存儲器rom、有可擦除程序存儲器eprom。單片機端口的既有一定的通用性，亦要有相當(dāng)?shù)撵`活性，端口的設(shè)置目的總是想盡量滿足各種設(shè)備連接的要求。當(dāng)然單一通用的單片機芯片，是無法實現(xiàn)與任意一種外設(shè)的直接連接的。單片機的引腳數(shù)有限，更不能同時與多個外設(shè)直接連接。目前解決的辦法是使用外接接口芯片來實現(xiàn)。此類芯片目前市面上有很多，有的接口芯片起傳輸過程中的緩沖作用以便滿足接口的驅(qū)動能力要求；有的可以進行對電信

12、號進行放大或衰減，以便適應(yīng)單片機電平的需求；有的可以進行模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換，支持單片機對模擬信號處理。在功能上，mcs-51系列單片機有基本型和增強型兩類，它們以芯片型號的末位數(shù)字來區(qū)分。即“1”為基本型，“2”為增強型。 在mcs-51系列單片機中，我們以8051為例，來介紹其結(jié)構(gòu)及功能。8051單片機的內(nèi)部功能框圖如圖2.3示：圖2.3 mcs-52系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3. 電路仿真設(shè)計 本系統(tǒng)主要由鍵盤模塊，顯示模塊，主控模塊，步進電機模塊組成，其系統(tǒng)圖如下：圖3.0 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3.1 仿真軟件proteus的使用proteus是一款專門的單片機系統(tǒng)仿真軟件，其所提供的單片機型號多，可

13、便于用戶進行各種單片機系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。另外，proteus提供了很多設(shè)計中常用的各種芯片如各種數(shù)字門電路、觸發(fā)器、移位寄存器和其他可編程邏輯芯片，方便用戶進行各種設(shè)計電路的仿真。值得一提的是proteus提供的示波器、信號發(fā)生器、測量探針等虛擬儀器為用戶分析測試設(shè)計電路提供了理論依據(jù)，方便了用戶設(shè)計。雙擊桌面快捷方式打開proteus原理圖設(shè)計軟件，界面如下所示：圖3.1 proteus的isis原理圖編輯界面單擊界面中的yes可以查看proteus軟件自帶的原理圖仿真實例，選擇no可以進行電路原理圖的設(shè)計。然后點擊軟件界面右面的 p可以放置所需要的元器件，界面如下圖所示：圖3.2 元器件放

14、置界面找到設(shè)計電路所需要的元器件然后雙擊所需的元器件，這時就會在軟件右側(cè)的元器件列表中看到所選擇的元器件了。在此單擊鼠標左鍵后就可將元件放到原理圖編輯界面中。放好元器件后用導(dǎo)線將元器件連接起來，最后的總體的系統(tǒng)設(shè)計圖如下：圖3.3系統(tǒng)總體設(shè)計3.2單片機最小系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)是由電源、復(fù)位、晶振組成，下面介紹一下每一個組成部分。其proteus仿真圖如下： 圖3.4 單片機最小系統(tǒng)3.3液晶顯示模塊為了更人性化，更直觀的了解到步進電機的運行狀況，所以在本設(shè)計中加入了液晶顯示模塊，以便及時的將步進電機的當(dāng)前運行狀態(tài)提供給用戶，由于本設(shè)計所顯示的內(nèi)容并不多所以選著較小容量的lcd1602即可。其

15、設(shè)計的電路圖如下：圖3.5液晶顯示電路3.4步進電機及其驅(qū)動模塊由于單片機驅(qū)動能力有限，不能直接用于步進電機的驅(qū)動本設(shè)計采用uln2003a芯片驅(qū)動步進電機。uln2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅npn達林頓管組成。 該電路的特點如下: uln2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7k的基極電阻,在5v的工作電壓下它能與ttl和cmos電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：圖3.6 uln2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖連接步進電機電路圖如下：圖3.7 步進電機及其驅(qū)動電路3.5鍵盤設(shè)計本次設(shè)計要求有八個按鍵，分別為啟動，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，一檔，二檔，三

16、檔，四檔。由于鍵盤數(shù)量較多，用獨立按鍵將浪費大量io口，所以本地合計采用矩陣鍵盤，其中k1k8分別對應(yīng)啟動，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，一檔，二檔，三檔，四檔，其電路圖如下：圖3.8 鍵盤電路鍵按下前沿抖動后沿抖動閉合穩(wěn)定當(dāng)用手按下一個鍵時，如圖3-8所示，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個鍵時，也回會出現(xiàn)類似的情況。這就是抖動。抖動的持續(xù)時間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通常總是不大于10ms。很容易想到，抖動問題不解決就會引起對閉合鍵的識別。用軟件方法可以很容易地解決抖動問題，這就是通過延遲3-10ms來等待抖動消失，這之后，在讀入鍵盤碼圖3.9 按鍵抖動信號波形

17、4. 軟件設(shè)計4.1 keil c51編程軟件的使用及調(diào)試方法本設(shè)計的軟件設(shè)計采用keil c51來編寫，該軟件的使用方法介紹如下。雙擊桌面上的keil軟件的快捷啟動方式 打開軟件，打開后的軟件界面如下圖所示：圖4.1 keil 軟件界面然后點擊project>new project選擇新建工程，并保存到合適的位置，然后在芯片列表中選擇相應(yīng)的芯片，界面如下圖所示，然后點擊完成即可。圖4.2 芯片選擇界面完成后點擊file>new新建一個程序編輯文件，然后保存即可在其中編輯所需要的程序了，然后點擊軟件上方的調(diào)試按鈕進行糾錯調(diào)試直至沒有錯誤。4.2軟件設(shè)計要求 本設(shè)計要求實現(xiàn)用stc8

18、9c52單片機實現(xiàn)對步進電機的控制，并能實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)及四檔不同的速度調(diào)節(jié)，同時能及時的用液晶顯示屏顯示步進電機的當(dāng)前狀態(tài)4.3系統(tǒng)軟件設(shè)計流程4.3.1軟件總體設(shè)計框圖圖4.1主程序流程圖4.3.2鍵盤掃描流程圖用戶根據(jù)自身的需要可隨時選擇一檔，二檔，三檔，四檔及正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，啟動，停止，鍵盤掃描程序應(yīng)該時刻監(jiān)測，以便能夠，及時響應(yīng)用戶的需求，所以本設(shè)計將鍵盤檢測子程序放在各個主，次程序中，以做到時刻監(jiān)測，其流程圖如下：圖4.2 鍵盤掃描流程圖4.3.3顯示模塊流程圖本設(shè)計為使系統(tǒng)更顯人性化，添加了一個1602液晶顯示屏，以便能夠?qū)崟r將步進電機的當(dāng)前狀態(tài)反饋給用戶，其反饋方式就是檢測

19、標志位，然后將其用人性化的文字發(fā)送到液晶屏上，其流程圖如下：圖4.3 液晶顯示流程圖4.3.4步進電機模塊步進電機的啟動，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)是通過對forrev及startend標志位的檢測而定的，其正反轉(zhuǎn)的流程圖如下圖3.2.4.1 步進電機的正轉(zhuǎn)流程圖和圖3.2.4.2 步進電機的反轉(zhuǎn)流程圖1. 正轉(zhuǎn)流程圖圖4.4 步進電機的正轉(zhuǎn)流程圖2. 反轉(zhuǎn)流程圖4.5 步進電機的反轉(zhuǎn)流程圖4.4主程序本設(shè)計為使程序可讀性好將分模塊進行說明。4.4.1頭文件#ifndef _kye_h_#define _kye_h_/*常用數(shù)據(jù)類型簡化定義*/typedef unsigned char uint8;ty

20、pedef unsigned int uint16;typedef char int8;typedef int int16;/*矩陣鍵盤位定義*/sbit keyin1 = p24;sbit keyin2 = p25;sbit keyin3 = p26;sbit keyin4 = p27;sbit keyout1 = p23;sbit keyout2 = p22;sbit keyout3 = p21;sbit keyout4 = p20;/*液晶控制位定義*/sbit rs = p10 ;sbit rw = p11 ;sbit en = p15 ;sbit busy = p07;/*電機轉(zhuǎn)速檔

21、位定義*/#define one 50#define two 30#define three16 #define four 8/*子程序聲明*/void dis(void);void wait(void);void w_cmd(uint8 cmd);void w_dat(uint8 dat);void w_string(uint8 addr_start, uint8 *p);void init_lcd1602(void);void delay(uint8 t);void keyscan(void);void mofor(void);void morev(void);void dis(void)

22、;#endif4.4.2主程序#include <reg52.h>#include <intrins.h>#include "motorz.h"bit forrev = 1;/正反轉(zhuǎn)標志位 ，默認正轉(zhuǎn)bit startend = 0;/啟動停止標志位， 默認停止uint8gra = one;/檔位變量 ,默認一檔 uint8 code ffw/正轉(zhuǎn)碼表=0x09,0x01,0x03,0x02, 0x06,0x04,0x0c,0x08;uint8code fw/反轉(zhuǎn)碼表=0x08,0x0c,0x04,0x06, 0x02,0x03,0x01,0x09;

23、void main(void)while(1) keyscan();/鍵盤掃描dis();/液晶顯示初始化if(startend =1)if(forrev = 1)mofor();/if(startend = 0) p3 = 0;if(forrev = 0)morev();else p3 = 0;4.4.3液晶模塊/* 等待繁忙標志*/void wait(void)p0 = 0xff;dors = 0;rw = 1;en = 0;en = 1;while (busy = 1);en = 0;/* * 寫數(shù)據(jù)*/void w_dat(uint8 dat)wait();en = 0;p0 = da

24、t;rs = 1;rw = 0;en = 1;en = 0;/* * 寫命令*/void w_cmd(uint8 cmd)wait();en = 0;p0 = cmd;rs = 0;rw = 0;en = 1;en = 0;/* * 發(fā)送字符串到lcd*/void w_string(uint8 addr_start, uint8 *p)w_cmd(addr_start);while (*p != '0')w_dat(*p+);/* * 初始化1602*/void init_lcd1602(void)w_cmd(0x38); / 16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口w_cmd(

25、0x0c); / 顯示器開、光標開、光標允許閃爍w_cmd(0x06); / 文字不動，光標自動右移w_cmd(0x01); / 清屏/*液晶顯示子程序*/void dis(void)init_lcd1602();if(startend)w_string(0x80,"start");if(forrev)w_string(0x87,"ffw");elsew_string(0x87,"fw");if(gra=one)w_string(0xc0,"grade:one");else if(gra=two)w_string(

26、0xc0,"grade:two");else if(gra=three)w_string(0xc0,"grade:three");elsew_string(0xc0,"grade:four");4.4.4矩陣鍵盤模塊/*鍵盤掃描子程序*/void keyscan(void)keyout1 = 0;keyout2 = 1;keyout3 = 1;keyout4 = 1;if(!keyin1) delay(5);if(!keyin1)startend=1;while(!keyin1);if(!keyin2) delay(5);if(!ke

27、yin2)startend=0;while(!keyin2);if(!keyin3) delay(5);if(!keyin3)forrev =1;while(!keyin3);if(!keyin4)delay(5);if(!keyin4)forrev = 0;while(!keyin4);keyout1 = 1;keyout2 = 0;keyout3 = 1;keyout4 = 1;if(!keyin1) delay(5);if(!keyin1) gra= one;while(!keyin1);if(!keyin2) delay(5);if(!keyin2)gra= two;while(!ke

28、yin2);if(!keyin3) delay(5);if(!keyin3)gra= three;while(!keyin3);if(!keyin4)delay(5);if(!keyin4)gra= four;while(!keyin4);4.4.5電機模塊/*電機正轉(zhuǎn)子程序*/void mofor(void)char i;while (forrev)&(startend)keyscan();dis();for (i=7; i>=0; i-)p3 = ffwi;delay(gra);/*電機反轉(zhuǎn)子程序*/void morev(void)char i;while (!forrev)

29、&(startend)keyscan();dis();for (i=7; i>=0; i-)p3 = fwi;delay(gra);/*tms延時*/void delay(uint8 t)uint8 j;for(;t>0;t-)for(j=110;j>0;j-);5. 調(diào)試與功能說明5.1硬件調(diào)試本次設(shè)計采用學(xué)習(xí)開發(fā)板作為調(diào)試平臺。將軟件下載到stc89c52單片機中，未按鍵式，電機不工作和液晶顯示也不工作；當(dāng)按下啟動鍵，步進電機轉(zhuǎn)動一檔轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，液晶屏上顯示 start ffw grade：one；當(dāng)按下停止鍵，電機和液晶同時停止工作，再按啟動鍵，步進電機轉(zhuǎn)動一檔轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動