基于單片機步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計說明

1、 . . . 數(shù)理與信息工程學(xué)院單片機原理與應(yīng)用期末學(xué)期課程設(shè)計 題 目： 基于單片機的步進電機控制系統(tǒng) 專 業(yè)： 電子信息工程 18 / 18目 錄第1章 引 言.31.1 步進電機控制系統(tǒng)概述.31.2 本設(shè)計任務(wù)和主要容4第2章 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計.52.1 單片機控制系統(tǒng)原理.522 單片機主機系統(tǒng)電路52.2.1時鐘電路62.2.2復(fù)位電路62.3 步進電機驅(qū)動電路72.4 LED顯示電路.8第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計103.1 步進電機的位置控制103.2 顯示子程序13第四章 結(jié)束語17第5章 參考文獻18基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)數(shù)理與信息工程學(xué)院 電信041 林浩波指導(dǎo)教師：

2、余水寶第1章 引 言在當(dāng)今社會的各個領(lǐng)域步進電機無處不在，應(yīng)用領(lǐng)域涉與機器人、工業(yè)電子自動化設(shè)備、醫(yī)療器件、廣告器材、舞臺燈光設(shè)備、印刷設(shè)備、計算機外部應(yīng)用設(shè)備等等。因此，設(shè)計出高精確度、實時監(jiān)控、語音提示的步進電機具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。本設(shè)計是基于80C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)，能夠有效地對步進電機轉(zhuǎn)速、方向的控制。為了能夠更加人性化的控制系統(tǒng)，本設(shè)計還增加了語音提示部分，在實際應(yīng)用當(dāng)中由于緊急事件需要在短時間了解電機的工作情況，這時看數(shù)碼顯示就很不方便，而語音提示提供很大幫助，只要按下語音提示按鈕便能獲取相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。 本設(shè)計采用16 位單片機MCS80C51對步進電機進行控制

3、，通過I/O口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過驅(qū)動芯片驅(qū)動步進電機；同時，用 4X4的鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管顯示電機的轉(zhuǎn)速，采用74LS164作為4位單個數(shù)碼管的顯示驅(qū)動。1.1 步進電機控制系統(tǒng)概述 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵組件之一，是一種性能良好的數(shù)字執(zhí)行元件，隨著計算機應(yīng)用技術(shù)、電子技術(shù)和自動控制技術(shù)在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中的普與與深入，步進電機的需求量越練越大。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以與同類產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，步進電機面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。但近30年來，數(shù)字技術(shù)、計算機技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，推動步進電機的發(fā)展，為步進電機的應(yīng)用開辟了廣

4、闊的前景，近幾年來，步進電機 需求量一直呈現(xiàn)出較快的增長速度，其中掃描儀、打印機、 、DVD-ROM/CD-ROM驅(qū)動器、空調(diào)與多功能自動化辦公設(shè)備等應(yīng)用對步進電機的需求增長最強。此外由于USB2.0的日益流行促進了高分辨率掃描儀的銷售，步進電機向著小型、薄型和更小的步進角度發(fā)展。步進電機有著方方面面重要應(yīng)用，如何對其進行有效控制，使其能夠發(fā)揮最大的優(yōu)勢是各個行業(yè)技術(shù)開發(fā)人員所共同關(guān)注的，本文旨在設(shè)計一套較完整的通用控制系統(tǒng)，對步進電機的轉(zhuǎn)速、方向?qū)嵭兄悄芑刂?，并能通過LED顯示其轉(zhuǎn)速。1.2 本設(shè)計任務(wù)和主要容本論文主要研究單片機控制的步進電機系統(tǒng)，對步進電機的轉(zhuǎn)速、方向進行控制和顯示。主

5、要容如下： 通過鍵盤設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速與方向 LED顯示步進電機的轉(zhuǎn)速第2章 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計2.1 單片機控制系統(tǒng)原理AT89C51單片機LED數(shù)碼顯示步進電機轉(zhuǎn)速、方向控制鍵盤輸入圖2-1 單片機控制系統(tǒng)原理框圖22 單片機主機系統(tǒng)電路 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高

6、密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖2-2 單片機主機系統(tǒng)圖2.2.1時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機片各種微操作的時間基準(zhǔn)，時鐘信號通常用兩種電路形式得到:部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定

7、，實際使用中常采用這種方式，如圖2-2所示在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或瓷諧振器就構(gòu)成了部振蕩方式，片高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或瓷諧振器一起可構(gòu)成一個自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。圖2-2中外接晶體以與電容C2和C1構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30P左右，晶振頻率選12MHz 2.2.2復(fù)位電路為了初始化單片機部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使CPU與系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機的復(fù)位是靠外電路來實現(xiàn)的，在正常運行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個機器周期時間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)

8、位，但如果RST引腳上持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入/輸出(1/0)端口寄存器置為FFH，堆棧指針SP置為07H, SBUF置為不定值，其余的寄存器全部清0，部RAM的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時RAM的容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(開關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。 圖2-2中R9和Cl組成上電復(fù)位電路，其值R取為1K, C取為1pF.2.3 步進電機驅(qū)動電路 驅(qū)動電路集成化成為一種趨勢。目前，已有多種步進電機驅(qū)動集成電路芯片，它們大多集驅(qū)動和保護于一體，作為小功率步進電機的專用驅(qū)動芯片，廣泛用于小型儀表、計算機外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來非常方便

9、。本設(shè)計采用UCN5804B芯片。UCN5804B芯片適用于四相步進電機的單極性驅(qū)動。它最大能輸出1.5A電流、3.5V電壓。部集成有驅(qū)動電路，上電自行復(fù)位，可以控制轉(zhuǎn)向和輸出使能。 1421071615111211393468U1UCN5804BR15R6R25R6L1B82412A3220J000L2B82412A3220J000L3B82412A3220J000L4B82412A3220J000D18EWS12SD28EWS12SD38EWS12SD48EWS12S+28v圖2-3 步進電機驅(qū)動電路圖2-3為步進電機驅(qū)動電路，其中4、5、12、13腳為接地引腳，1、3、6、8腳為輸出引腳

10、，電動機各相的的接線如圖，14腳是控制電機的轉(zhuǎn)向，其中低電平為正轉(zhuǎn)，高電平為反轉(zhuǎn)；11腳是步進脈沖的輸入端，9、10腳決定工作方式，其真值表如表2-1所示：表2-1 9、10腳真值表工作方式9腳10腳雙四拍00八拍01單四拍10 禁止 1 12.4 LED顯示電路由于系統(tǒng)顯示的容比較簡單，顯示量不多，所以顯示選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。LED有共陰極和共陽極兩種。如圖2-4所示。 符號和引腳 共陰極 共陽極圖2-4 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理圖二極管的陰極連接在一起，通常此共陰極接地，而共陽極則將二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二

11、極管施加一定的正向電壓時，該段筆畫即亮；不加電壓即暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)掃描顯示方式。為節(jié)省端口與降低功耗，本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示方式。本電路的“段控”和“位控”分別由P1口和P3口控制，P3選中哪個數(shù)碼管，哪個數(shù)碼管就亮，P1口控制顯示數(shù)字。因AT89C51單片機I/O口資源有限，必須對其Il0口進行擴展才能滿足實現(xiàn)系統(tǒng)功能，如圖2-7所示為用8155擴展1/0口的4個8位LED動態(tài)顯示器，顯示掃描由程控實現(xiàn)，其中PA口輸出字型碼，PC口輸出位選信號即掃描信號，圖中片選線CE和AT89C51的P2.7口相連，IO/ M

12、選通輸入線與P2.4口相連，該系統(tǒng)中當(dāng)P2.7=0且P2.4 =1時，選中8155芯片三個I/O口。相應(yīng)的端口地址分配如表2-1:表2-2 8155端口地址分配A15RSTRSTPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7A8A9A10A11A12A13A14PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7ABCDEFGdpABCDEFGdpABCDEFGdpABCDEFGdpABCDEFGdpD0D1D2D3D2D1D0ABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMA02A14A26A38OE1Y018Y116Y214Y312U1:A74LS24

13、0NET=PA2A011A113A215A317OE19Y09Y17Y25Y33U1:B74LS240XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A82

14、1P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U2AT89C51NET=A11D034D133D232D331D430D529D628D727RD5WR36A09A18RESET35CE6PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710U38155R15R6R25R6R35R6R45R6R55R6R65R6R75R6R85R612U4:A7

15、40734U4:B740756U4:C740798U4:D7407圖 2-5 顯示電路第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1 步進電機的位置控制步進電機的運行控制涉與到位置控制和加、減速控制。步進電機的位置控制，指的是控制步進電機執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確地運行到另一個位置。步進電機的位置控制是步進電機的一大特點，它可以不用借助位置傳感器而只需要的開環(huán)控制就能達到足夠的位置精度。步進電機的位置控制需要兩個參數(shù)。第一個是絕對位置，即步進電機控制的執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，絕對位置是有極限的，其極限是執(zhí)行機構(gòu)運動的圍，超越了這個極限就應(yīng)報警。第二個是從當(dāng)前位置移動到目標(biāo)位置的距離，我們可以用折算的方式將這個距離折

16、算成步進電機的步數(shù)。這個參數(shù)是外界通過鍵盤或可調(diào)電位器旋鈕輸入的，所以折算的工作應(yīng)該在鍵盤程序或A/D轉(zhuǎn)換程序中完成。下面是本程序使用的資源：30H、31H-存放定時器的常熟，低位在前32H34H-存放絕對位置參數(shù)，低位在前35H、36H-存放步進數(shù)，低位在前中斷服務(wù)子程序框圖如圖2-6所示。圖2-6 步進電機位置控制子程序框圖程序如下：POS: CPL P1.0 ；改變P1.0電平狀態(tài) PUSH ACC ；累加器A進棧 PUSH PSW PUSH R0 ；R0進棧 JNB P1.0,POS4 ；P1.0=0時，半個脈沖，轉(zhuǎn)到POS4 CLR EA ；關(guān)中斷 JNB P1.1,POS1 ；反轉(zhuǎn)

17、，轉(zhuǎn)到POS1 MOV R0,32H ；正轉(zhuǎn) INC R0 CJNE R0,#00H,POSE ；無進位則轉(zhuǎn)向POS2 INC R0 INC R0 CJNE R0,#00H,POS2 INC R0 INC R0 CJNE R0,#00H,POS2 ；無越界，則轉(zhuǎn)POS2 CLR TR0 ；發(fā)生越界，停定時器（停電動機） LCALL BAOJING ；調(diào)報警子POS1: MOV R0,#32H ；反轉(zhuǎn) DEC R0 CJNE R0,#0FFH,POS2 ；無借位則轉(zhuǎn)向POS2 INC R0 DEC R0 CJNE R0,#0FFH,POS2 INC R0 DEC R0 CJNE R0,0FFH,

18、POS2 CLR TR0 LCALL BAOJINGPOS2: MOV R0,#35H ；指向步數(shù)低位35H DEC R0 CJNE R0,#0FFH,POS3IU9 INC R0 DEC R0POS3: SETB EA MOV A,35H ORL C JNZ POS4 CLR TR0 SJMP POS5POS4: CLR C CLR TR0 MOV A,TL0 ADD A,#08H ADD A,30H MOV TL0,A MOV A,TH0 ADDC A,31H MOV TH0,A SETB TR0POS5: POP R0 POP PSW POP ACC RETI3.2 顯示子程序硬件電路如

19、圖2-4所示，通過8155芯片來擴展I/O口，其端口地址分別是：命令/狀態(tài)寄存器：7FF8H ，PA口：7FF9H，PB口：7FFAH，PC口：7FFBH。通過P1口控制數(shù)字顯示，即“段選”，P3口控制“位選”。ORG 0000H    初始化 START:JMP MAIN  ORG 30H MAIN:MOV SP,#5FHB_BIT EQU 34H    個位顯示數(shù)據(jù)存儲器 A_BIT EQU 35H     ;十位顯示數(shù)據(jù)存儲器 C_BIT  EQU 22H     ;百位顯示數(shù)據(jù)存儲器D_

20、BIT  EQU 23H     ;十位顯示數(shù)據(jù)存儲器E_BIT  EQU 34H      ;萬位顯示數(shù)據(jù)存儲器Count  EQU r4      ;計數(shù)器數(shù)據(jù)存儲器                ACALL INIT_RS232;調(diào)用INIT_232子程序 CPL P0.0         ; P0.0亮表示正在設(shè)定串口 MOV R

21、5,#25 ACALL DELAY CPL P0.0          P0.0暗表示設(shè)定完成 MOV P1,#0FFHMOV P2,#0FFH     WAIT:acall DIAPY;調(diào)用顯示程序JNB RI,WAIT;接收電腦發(fā)過來的數(shù)據(jù)  ClR RI    清RI，繼續(xù)下次接收LJMP WAITDIAPY :MOVR1,SBUF把接收到的數(shù)據(jù)放到A里 MOV A,R1  MOV B,#100DIV ABMVO 33H,AMOV A ,BMOV B

22、,#10  DIV ABMOV B_BIT,B      ;提取百位MOV A_BIT,AMOV DPTR,#TABMOV R0,#5DP11:MOVR1,#250DPLOP:個位顯示MOV,A,B_BITMOVC A,A+DPTR ;提取字模 MOV P1,ACLR P2.2  開個位 ACALL DELAY1;調(diào)用掃描子程序 SETB P2.2     十位顯示    MOV A,A_BITMOVC A,A+DPTR ;提取字模 MOV P1,ACLR P2.3 

23、;開十位ACALL DELAY1SET P2.3     百位顯示MOV A,A_BITMOVC A,A+DPTR;提取字模 MOV P1,Amov p1,a CLR P2.4 開百位 ACALL DELAY1SETB P2.4DJNZ R1,DPLOPDJNZ R0,DP11 RETINIT_RS232:                        ;rs232初始化設(shè)定

24、MOV TMOD,#20H           ;1200bs           MOV TH1,#0E8H                        SETB TR1           MOV SCON,#01010000B    

25、60;     RET DELAY1:                           MOV  R7,#2     D3:  MOV  R6,#25     D4:  DJNZ R6,D4    DJNZ R7,D3     RET  delay:  MOV R5,#20  D2:MOV R6,#50  D1:MOV R7,#250      DJNZ R7,$    DJNZ R6,D1     DJNZ R5,D2      RET TAB:    DB  0C0H,0f9H,0a4H,0b0h,99h ;"0","1","2","3","4