基于AT89C51控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

1、XXXX本科生課程設(shè)計(jì) 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：基于AT89C51控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí)： 2011級(jí)（1）班 學(xué)生姓名： XXXXX 學(xué) 號(hào)： XXXXX 指導(dǎo)教師： XXXXXXX 2013年12月基于AT89C51控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)XXXX（XXXXX電子信息工程學(xué)院，XXXXX XXXX）摘要：步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，它能按照控制脈沖的要求，迅速起動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。具有步距角精度高，停止時(shí)能自鎖等特點(diǎn)，因此步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，特別是在開環(huán)的控制系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)

2、計(jì)。本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)出步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，停止，以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式控制的切換等功能。系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)加減速的控制，使用查表法來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)方式的控制。系統(tǒng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2 003來驅(qū)動(dòng)小型步進(jìn)電機(jī)，并采用多級(jí)菜單對(duì)步進(jìn)電機(jī)信息進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)具有控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、界面友好、價(jià)格便宜和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)；調(diào)速；AT89C51 一、設(shè)計(jì)目的 步進(jìn)電機(jī)是現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)中最早出現(xiàn)的執(zhí)行部件，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電

3、機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。需要單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列和方向控制控制信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是可以將數(shù)字脈沖控制信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為一定數(shù)值的機(jī)械角位移并且能夠自動(dòng)產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)軸鎖定。對(duì)控制系統(tǒng)的研制中最基本的要求就是性能可靠和結(jié)構(gòu)簡單。利用AT89C51單片機(jī)來設(shè)計(jì)和開發(fā)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，可

4、以很好地滿足這一要求。驅(qū)動(dòng)程序?qū)懭階T89C51單片機(jī)中，通過程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。實(shí)現(xiàn)軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1、能用按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的正反裝運(yùn)行。 2、能在一定范圍內(nèi)控制電機(jī)的加速和減速。 3、在不斷電的情況下能通過一個(gè)按鈕能隨時(shí)控制電機(jī)的停止。 4、能顯示電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行情況。三、設(shè)計(jì)思路與方案 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，接口采用軟件方法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由ULN2003A芯片實(shí)現(xiàn)，并通過89C51芯片的P3.4P3.7端口引腳出發(fā)，然

5、后通過74LS14反相芯片，再到ULN2003A芯片再驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。操作部分共分為七個(gè)操作按鈕：選頻、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、啟動(dòng)、加速、減速。其中正反轉(zhuǎn)通過接入步進(jìn)電機(jī)繞組的不同相序來實(shí)現(xiàn)。加速、減速是通過延時(shí)時(shí)間的改變調(diào)整輸入電機(jī)繞組的頻率實(shí)現(xiàn)。停止按鈕則保證隨時(shí)可以在不斷電源情況下暫停。七個(gè)操作按鍵分別通過89C51芯片的P1.0P1.4口讀取選頻（K1）、正/反轉(zhuǎn)控制信號(hào)（K2）、啟/停(K5)以及加速/減速控制（K3、K4）的值。對(duì)步進(jìn)電機(jī)簡易控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其具體情況可以根據(jù)任務(wù)要求從以下幾個(gè)方面來考慮： 1、控制電機(jī)正/反向轉(zhuǎn) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)某一項(xiàng)繞組通電時(shí)，在其內(nèi)部形成

6、N-S極，產(chǎn)生磁場，在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)一步。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按順序給繞組通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按逆序給繞組通電，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。因而只要控制脈沖輸出的順序，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正/反轉(zhuǎn)的控制。 2、控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度  步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度是由輸入到電機(jī)繞組的頻率所決定的。頻率越高，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度越快，否則，速度就越慢。因而通過延時(shí)程序控制輸出脈沖的頻率，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。3、系統(tǒng)整體框圖整個(gè)系統(tǒng)包含5個(gè)模塊：單片機(jī)模塊、按鍵輸入模塊、電源模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、12864顯示模塊。相互協(xié)調(diào)關(guān)系如圖

7、1所示：AT89C51按鍵輸入電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、LCD顯示電路ULN2003驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)電路圖1 系統(tǒng)框圖四、各模塊分析與設(shè)計(jì)1、單片機(jī)電源電路設(shè)計(jì)電源是單片機(jī)正常工作不可缺少的一部分，所以必須保證其工作電壓穩(wěn)定。單片機(jī)采用5V供電，所以系統(tǒng)采用LM7805三端穩(wěn)壓管保證其電壓穩(wěn)定。外部輸入電壓VCC （624V）經(jīng)由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓為+5V。5V電壓網(wǎng)絡(luò)將供給各個(gè)芯片、模塊以及步進(jìn)電機(jī)工作，電路原理圖如圖2所示：圖2 電源穩(wěn)壓電路電容C1，C3為輸入濾波電容，C2，C4為輸出濾波電容。C3，C4為高頻濾波，C1，C2為低頻濾波。2、單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)復(fù)位就是在滿足單片機(jī)最小系

8、統(tǒng)其他工作條件下，讓RST管腳保持高電平（通常0.7Vcc以上電壓）維持至少兩個(gè)機(jī)器時(shí)鐘，以引導(dǎo)單片機(jī)復(fù)位，之后RST管腳恢復(fù)為低電平。手動(dòng)復(fù)位：按鍵短接RST和電源。通過對(duì)復(fù)位要求的分析，對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖3所示：圖3 復(fù)位電路3、單片機(jī)晶振電路設(shè)計(jì)8051單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖4所示。其電容值一般在530pf,晶振頻率的典型值為1

9、2MHz,采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。本系統(tǒng)采用的是內(nèi)部震蕩式，晶振采用12MHz。若系統(tǒng)要求串口通信之類的功能，則晶振選取應(yīng)根據(jù)通信的波特率選取，以使得波特率正常。圖4 晶振電路4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由于單片機(jī)各個(gè)IO電流驅(qū)動(dòng)能力有限（20MA左右），而步進(jìn)電機(jī)消耗的電流較大，因此必須設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路使得其正常工作。本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用ULN2003達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)。ULN2003A電路是美國Texas Instruments公司和Sprague公司開發(fā)的高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路。ULN2003結(jié)構(gòu)圖如圖6 電壓為反向輸出。驅(qū)動(dòng)電流達(dá)500

10、MA，可承受電壓50V。 ULN2003達(dá)林頓管陣列與三極管類似，基極高電平導(dǎo)通，而單片機(jī)開機(jī)后就輸出高電平，容易誤動(dòng)作，因此習(xí)慣上設(shè)定為低電平有效，所以在單片機(jī)與ULN2003之間加了一級(jí)反相器（74LS14，如圖5所示）。單片機(jī)P3.4，P3.5，P3.6，P3.7輸出脈沖經(jīng)74LS14后通過ULN2003反向后輸出到步進(jìn)電機(jī)A.B.C.D相。圖5 反相電路圖6 步進(jìn)電機(jī)電路5、按鍵電路設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，采用了液晶顯示加菜單的控制方法，需要操作人員通過按鍵操作系統(tǒng)菜單實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的控制，因?yàn)榘存I數(shù)量不多故系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的獨(dú)立基于單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)式按鍵，共五個(gè)按鍵，分別實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)、

11、正/反轉(zhuǎn)、加、減、啟動(dòng)、停止操作。配合液晶顯示器實(shí)現(xiàn)，從而有較好的人機(jī)交互界面。按鍵電路圖如圖7、8所示：圖7 與門電路圖8 按鍵電路6、LCD12864顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)擬采用青云公司生產(chǎn)的LCM128645ZK系列液晶模組中文液晶顯示模塊LCMxxZK的字型ROM內(nèi)含8192個(gè)16*16點(diǎn)中文字型和128個(gè)16*8半寬的字母符號(hào)字型；另外繪圖顯示畫面提供一個(gè)64*256點(diǎn)的繪圖區(qū)域GDRAM)；而且內(nèi)含CGRAM提供4組軟件可編程的16*16點(diǎn)陣造字功能。電源操作范圍寬(2.7V to 5.5V);低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求。同時(shí)，與單片機(jī)等微控器的接口界面靈活(三種模式：并行8位/4

12、 位，串行3線/2線)。液晶模塊與單片機(jī)的接口電路如圖9所示，出于控制功耗考慮，因此，在背光控制端加三極管作為開關(guān)控制，在系統(tǒng)待機(jī)時(shí)背光關(guān)閉，可以減小功耗。圖9 LCD顯示電路五、軟件設(shè)計(jì)主程序的源程序見附錄二源程序清單表，主程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖10所示：圖10 主程序流程圖六、系統(tǒng)仿真與調(diào)試1、KEIL調(diào)試控制程序 調(diào)試程序具體步驟如下： （1）打開Keil編譯軟件。 （2）新建一個(gè)項(xiàng)目，在項(xiàng)目里進(jìn)行設(shè)置，轉(zhuǎn)換成HEX文件。（3）將剛寫好的C語言程序添加進(jìn)去。 （4）點(diǎn)擊編譯生成后綴名為“. HEX”的文件。2、Proteus仿真 

13、打開 Proteus 上的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)電路圖，點(diǎn)擊 AT89C51單片機(jī)，調(diào)用后綴名為.”HEX”的文件。點(diǎn)擊運(yùn)行，觀察現(xiàn)象。 當(dāng)按下Proteus軟件上的開始按鈕時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。其顯示如圖11所示，3秒后就跳至主菜單界面，如圖12所示：圖11 Proteus啟動(dòng)時(shí)界面1圖12 Proteus啟動(dòng)時(shí)界面2當(dāng)按下啟動(dòng)/停止按鈕時(shí)，電機(jī)則默認(rèn)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后的顯示圖如圖13所示：圖13 啟動(dòng)默認(rèn)轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)按下選項(xiàng)、正/反、加、減速按鈕時(shí)，電機(jī)則出現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后的顯示圖如圖14所示：圖14 各按鍵的調(diào)試七、電路的焊接與調(diào)試在焊接

14、電路圖的過程中應(yīng)當(dāng)注意依照電路圖一一連接，我們遇到的最大的難點(diǎn)就是對(duì)照原理圖對(duì)實(shí)物圖線路的布置，為了使線路交叉更少，不斷的用鉛筆在面包板上勾畫.我們每連接好一條電路都有用萬用表測電路是否連接好，有沒有導(dǎo)通，有沒有短路。當(dāng)按下電源開關(guān)時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。其顯示如圖15所示，3秒后就跳至主菜單界面，如圖16所示：圖15 個(gè)人信息界面圖16 啟動(dòng)界面當(dāng)按下啟動(dòng)/停止按鈕并調(diào)節(jié)各設(shè)備時(shí)，電機(jī)則轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后的顯示圖如圖17所示：圖17 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)物八、設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)通過分析步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理，查閱步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)科技文獻(xiàn)，遵循實(shí)用、簡單、可靠和低成本的原則，設(shè)計(jì)了一種基于人機(jī)顯示界面的

15、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。（1）采用單片機(jī)為控制核心，利用其強(qiáng)大的功能，把鍵盤和顯示電路有機(jī)的結(jié)合起來，組成一個(gè)操作方便、交互性強(qiáng)的控制系統(tǒng)。而且整個(gè)系統(tǒng)所包含的技術(shù)幾乎包括了現(xiàn)本科學(xué)?？刂茖I(yè)所要求的知識(shí)，有利于實(shí)踐教學(xué)取得最大效果。（2）按鍵電路和紅外接口為用戶提供多種控制方式方便使用。（3）系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，具有易維護(hù)性，根據(jù)用戶新的要求，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行少量的修改，使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的控制應(yīng)用前景將越來越寬闊，而其控制系統(tǒng)也將向著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本論文的研究和探討還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們要在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上，不斷吸取新的技術(shù)和方法，并將它們應(yīng)用于本課題的研究上來，進(jìn)一步深化我們的研究深度，爭取有更多的收獲。參考文獻(xiàn)：1 實(shí)用電子電路手冊(cè)M 北京：高等教育出版社 19922 王鴻鈺.步進(jìn)電機(jī)控制入門M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1990.3 李夙.異步電動(dòng)機(jī)直