單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告--步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

1、.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)日期： 2012.6.18-6.21 目錄1、概要2、課程設(shè)計(jì)目的及要求3、整體系統(tǒng)分析4、硬件系統(tǒng)分析5、軟件系統(tǒng)分析6、調(diào)試結(jié)果7、結(jié)論附一：元器件清單附二：源程序1、概要步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，它的的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。本次課程設(shè)計(jì)主要采用AT89S52芯片，用匯編語言編寫出電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序，通過單片機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片ULN2004以及相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)以上功能，并且步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)要用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示出來?？刂葡到y(tǒng)主要由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其

2、中，硬件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、控制模塊、步進(jìn)電機(jī)ULN2003A驅(qū)動(dòng)模塊、彩燈顯示模塊5個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。并且通過仿真控制系統(tǒng)對(duì)硬件、軟件進(jìn)行了調(diào)試和改善，實(shí)現(xiàn)了上述功能。本系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用性及可靠性的特點(diǎn)。2. 課程設(shè)計(jì)目的及要求2.1 課程設(shè)計(jì)目的l 增進(jìn)對(duì)單片機(jī)的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)單片機(jī)理論方面的理解；l 掌握單片機(jī)的內(nèi)部功能模塊的應(yīng)用，如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷、存貯器、I/O口、A/D轉(zhuǎn)換等；l 了解和掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過程及實(shí)現(xiàn)方法。2.2 課程設(shè)計(jì)要求l 設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器，要求用多個(gè)按鍵控制電機(jī)的啟動(dòng)/停止、加速、減速、反轉(zhuǎn)等控制功能。l 用彩燈

3、顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，如加速就控制彩燈快速閃爍，減速則控制彩燈慢速閃爍等。3. 整體系統(tǒng)分析3.1步進(jìn)電機(jī)控制工作原理步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括啟?？刂?、轉(zhuǎn)向控制、速度控制、換向控制4 個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上看 ,步進(jìn)電機(jī)分為三相、四相、五相等類型 ,本次設(shè)計(jì)的是四相電機(jī)。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式有單四拍、雙四拍和單雙八拍3 種 。3.1.1步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)由于其電氣特性,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感 ,即振動(dòng)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑 ,減小振動(dòng) ,可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波 ,可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角 ,提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)

4、性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí) ,為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑 ,則需采用合適的鎖定波形 ,產(chǎn)生鎖定磁力矩 ,鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸 ,使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.1.2步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電 ,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為單四拍，即 A -B C - D。如果按反序通電換相 ,即則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。3.1.3步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖 ,它就轉(zhuǎn)一步 ,再發(fā)一個(gè)脈沖 ,它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。2 個(gè)脈沖的間隔越短 ,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率 ,就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。3.1.4步進(jìn)電機(jī)的換向控制步進(jìn)電機(jī)換向時(shí) ,一定要在電機(jī)減速停止或降

5、到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向 ,以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第1 個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求要有一定的脈沖寬度(一般不小于5s)、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了減速換向加速3 個(gè)過程。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 我們本次設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要有單片機(jī)89S52、ULN2003A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、四相永磁式步進(jìn)電機(jī)、LED顯示管及其其他相關(guān)元件組成?？梢酝ㄟ^開關(guān)來控制系統(tǒng)的啟/停工作，并通過LED顯示管的工作狀態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和前進(jìn)、后退的狀態(tài)。其總體設(shè)計(jì)框圖1所示：AT89S52單片

6、機(jī)控制模塊ULN2003A五線四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊LED發(fā)光二極管顯示五線四相步進(jìn)電機(jī)開關(guān)控制模塊圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖4. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1主要元件簡(jiǎn)介4.1.1 AT89S52單片機(jī)AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié)Fl

7、ash，256字節(jié)RAM,32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外,AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU在掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。圖2. AT89S52引腳圖4.1.2 ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它 能與TTL 和CMOS

8、電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來 處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。圖 3. ULN2003A引腳圖4.2模塊分析4.2.1 時(shí)鐘晶振電路時(shí)鐘電路是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，控制著步進(jìn)電機(jī)工作節(jié)奏。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部振蕩和外部振蕩。89S52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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，由于采用內(nèi)部方式時(shí)，電路簡(jiǎn)單，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)

9、際使用中常采用這種方式. 圖4中的外接晶體以及電容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30PF左右，晶振頻率選12MHz。 圖4 時(shí)鐘電路4.2.2 復(fù)位電路為了初始化單片機(jī)內(nèi)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及系統(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(jī)的復(fù)位是靠外電路來實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位，但如果RST引腳上持續(xù)為高電平，單片機(jī)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內(nèi)置為

10、不定值，其余的寄存器全部清0，內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時(shí)RAM的內(nèi)容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(dòng)(開關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。圖5 復(fù)位電路4.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用ULN2003A芯片。ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來 處理的數(shù)據(jù)。ULN2003A 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸

11、出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。其中1B、2B、3B、4B分別與P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相接圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.2.4 顯示電路由于系統(tǒng)顯示的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，所以顯示選用發(fā)光二級(jí)管既方便又經(jīng)濟(jì)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)開始工作的時(shí)候，發(fā)光二極管發(fā)光；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)不工作時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)加速運(yùn)行時(shí)，發(fā)光二級(jí)管快速閃爍；當(dāng)步進(jìn)電減速運(yùn)行時(shí)，發(fā)光二極管減速閃爍。圖7 顯示電路4.2.5 系統(tǒng)總電路綜合以上各模塊，可得到總電路圖：圖8 電路總體仿真圖5軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)按硬件圖連接好電路以后，開始用匯編語言寫程序，并運(yùn)行程序，程序編寫程序流程圖：（源程序見附錄）開始分配地址空間 電機(jī)停轉(zhuǎn)狀態(tài)設(shè)置T

12、0，T1工作方式，T0,T1置初值開中斷啟動(dòng)T0調(diào)用鍵盤程序有鍵按下中斷等待否定時(shí)時(shí)間到鍵盤處理程序是 停止T1否T0中斷入口起、停標(biāo)志位0 是啟動(dòng)T1顯示程序定時(shí)時(shí)間到中斷返回T1中斷入口電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中斷返回主程序流程圖取鍵值 正轉(zhuǎn)按鍵按下否是起停標(biāo)志位置“1”正反標(biāo)志位置“0”開啟T0反轉(zhuǎn)按鍵按下是 否起停標(biāo)志位置“1”正反標(biāo)志位置“1”開啟T0返回停止鍵按下速度計(jì)數(shù)減1起停標(biāo)志位置“0”關(guān)閉T0、T1是 否速度計(jì)數(shù)加1否加速鍵按下最小速度是是否 是最大速度減速鍵按下 是 否速度計(jì)數(shù)減1否速度計(jì)數(shù)加1 鍵盤處理程序流程圖6.調(diào)試結(jié)果 完成焊接任務(wù)后，接著就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試了。 連接并檢查完

13、基本線路后，我們將程序燒寫到芯片上，但是開始我們?cè)O(shè)計(jì)的程序卻燒寫不上，我們以為是我們焊接的電路出現(xiàn)了問題，但檢查后電路沒問題，之后才知道我們用的芯片燒寫器不行，換了個(gè)燒寫器后程序便能夠正確燒寫進(jìn)去了。然后就按下各個(gè)開關(guān)按鍵進(jìn)行測(cè)試，最后電機(jī)和顯示器都基本上按照設(shè)計(jì)要求工作了。最后的調(diào)試之所以能夠如此順利，與我們之前遇到的一系列問題和我們組員的辛勤付出是密不可分，最終電機(jī)能按要求轉(zhuǎn)起來了就是對(duì)我們最好的鼓勵(lì)！7.總結(jié)本次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)可謂是困難重重，在設(shè)計(jì)制作的過程中確實(shí)遇到了很多問題，有的通過我們組員的努力最終解決了，有的最后沒有解決。其中最大的一個(gè)問題就是軟件程序的編寫，在我們確定設(shè)計(jì)方案后

14、，就開始用匯編語言編寫程序了，在我們開始自己編寫之前，通過網(wǎng)絡(luò)查閱了一些相關(guān)的資料，也參考了一些其他成功的程序。但在我們編好之后，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真測(cè)試的時(shí)候，總是不成功，不是電源通不上電，就是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)不受控制，不能實(shí)現(xiàn)加速、減速、正反轉(zhuǎn)等問題，最后，我們只好尋找指導(dǎo)老師尋求指導(dǎo)幫助。在這一點(diǎn)上我們沒有做成功，心中難免有些許遺憾。其中遇到的另一個(gè)問題就是我們?cè)谶M(jìn)行調(diào)試時(shí)，程序不能燒寫到芯片上，不過通過我們用排除法一步步排查后發(fā)現(xiàn)是由于燒寫器功能的缺失，并不是硬件和軟件問題，換了個(gè)燒寫器后問題也就迎刃而解了。通過本次課程設(shè)計(jì)，我們深深體會(huì)到了理論知識(shí)學(xué)習(xí)的重要性，如果沒有扎實(shí)的理論知識(shí)作為奠

15、基，那么在今后的實(shí)踐運(yùn)用中就像是無頭之蠅，沒有一點(diǎn)頭緒，不知從何入手，最終只能求助于他人，被動(dòng)地進(jìn)行工作。不管對(duì)以后的工作還是學(xué)習(xí)都起不到積極的促進(jìn)作用。在本次課程設(shè)計(jì)活動(dòng)中，我們團(tuán)隊(duì)也體會(huì)到了分工協(xié)作的重要性，主要負(fù)責(zé)寫程序，焊接電路，負(fù)責(zé)撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，每個(gè)組員分工明確，遇到個(gè)人難以解決的問題就一起商量討論，組員之間既獨(dú)立又不失聯(lián)系協(xié)作，極大的提高了工作效率。這點(diǎn)是值得我們?cè)诮窈蟮墓ぷ骱蛯W(xué)習(xí)中好好運(yùn)用的。 附一： 元器件清單元器種類規(guī)格型號(hào)數(shù)量單片機(jī)ST89S521步進(jìn)電機(jī)28BYJ-481驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A芯片189S52配插座1開關(guān)5LED管2電阻10k47k35電容10uf30p

16、f12振蕩器12MHz1 附二：源程序ORG 00HSTART: MOV DPTR , #TAB1 MOV R0, #03H MOV R1 , #4H MOV R4, #00H MOV P1, #03HWAIT: MOV P1 , R0 MOV P0, #0FFH JNB P0.4,TIZ JNB P0.0,POS JNB P0.1,NEG SJMP WAITPOS : MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR ACALL DELAY INC R4 AJMP KEYNEG: MOV R4,#6 MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DELAY AJMP

17、 KEYKEY: MOV P0,#0FFH JB P0.4,ZZ1 AJMP TIZTIZ: MOV P1,#00H SETB P0.5 SETB P0.6 AJMP KEYZZ1: JB P0.0,FZ1 CJNE R4,#8,LOOPZ MOV R4,#0LOOPZ: MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A SETB P2.1 CPL P2.0 JNB P0.2,JIASUZ JNB P0.3,JIANSUZ ACALL DELAY INC R4 AJMP KEYFZ1: JB P0.1,KEY CJNE R4,#255,LOOPF MOV R4,#8LOOPF:

18、DEC R4 MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A SETB P2.0 CPL P2.1 JNB P0.2,JIASUF JNB P0.3,JIANSUF ACALL DELAY AJMP KEYDELAY:MOV A,R1 MOV R6,ADD1: MOV R5,#6HDD2:MOV R7,#0DD3:DJNZ R7,DD3DJNZ R5,DD2 DJNZ R6,DD1RET JIASUZ:ACALL DELAY1CJNE R1,#02,L1JMP L2L1: DEC R1L2: JMP LOOPZJIANSUZ:ACALL DELAY1 CJNE R1,#08H,L3 JMP L4L3: INC R1L