二相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(采用雙極性控制)_課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

1、二相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(采用雙極性控制)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 二相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（采用雙極性控制）初始條件：設(shè)計(jì)一個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，電機(jī)有兩組帶中心抽頭的線圈，要求系統(tǒng)具有如下功能：采用雙極性（H橋）控制（不使用線圈的中心抽頭），用K0-K1做為通電方式選擇鍵，K0為四拍，K1為八拍， K2為啟動(dòng)/停止控制、K3方向控制、K4加速、K5減速；用4位LED數(shù)碼管顯示工作步數(shù)。用3個(gè)發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉(zhuǎn)時(shí)紅燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)黃燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)綠燈亮；要求完成的主要任務(wù): 1 硬件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)總原理圖及各部分詳細(xì)原理圖2 軟件設(shè)計(jì)：系統(tǒng)總體

2、流程圖、步進(jìn)電機(jī)四拍，八拍各模塊流程圖、顯示模塊流程圖等3 編寫程序：能夠完成上述任務(wù)并用仿真軟件演示4 完成符合要求的設(shè)計(jì)說明書時(shí)間安排：2013年6月24日2013年7月4日指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘要11 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求的分析22 方案比較及認(rèn)證22.1 單片機(jī)選型22.2驅(qū)動(dòng)模塊選擇33 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理說明34 硬件設(shè)計(jì)說明54.1 單片機(jī)系統(tǒng)原理分析54.2 二相步進(jìn)電機(jī)工作原理分析74.3 L298驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)94.4 四位LED數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)115 軟件設(shè)計(jì)說明125.1總體流程分析與設(shè)計(jì)125.2 設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模式流程分析與設(shè)計(jì)13

3、5.3 顯示模塊流程分析與設(shè)計(jì)146 調(diào)試記錄及結(jié)果分析156.1 總體硬件仿真設(shè)計(jì)156.2調(diào)試與仿真結(jié)果分析16小結(jié)與心得體會(huì)18參考文獻(xiàn)19附錄1：20附錄2：20摘要步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于對精度要求比較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、機(jī)械閥門控制器等。目前，對步進(jìn)電機(jī)的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大，同時(shí)由于分散器件的延時(shí)，其可靠性大大降低;軟件環(huán)形分配器要占用主機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，降低了速度;專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但其適應(yīng)性受到限制，同時(shí)開發(fā)周期

4、長、需求費(fèi)用較高。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以單片機(jī)為核心，輔以驅(qū)動(dòng)電路，完成二相步進(jìn)電機(jī)的控制。本次設(shè)計(jì)的硬件部分主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、按鍵控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼顯示模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)，軟件部分由幾個(gè)模塊控制子程序分別控制硬件模塊的運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)模式（四拍，八拍）的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)數(shù)動(dòng)態(tài)顯示在LED數(shù)碼管上。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 控制 LED二相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求的分析設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)要求有以下功能：1. 二相步進(jìn)電機(jī)采用雙極性（H橋）控制；2用K1作為通電方式選擇鍵，可選擇四拍和八拍；3. 用K2作為啟動(dòng)/停止控制鍵，

5、閉合表示啟動(dòng)，斷開表示停止；4. 用K3作為正反轉(zhuǎn)控制鍵，開關(guān)閉和表示反轉(zhuǎn)，斷開表示正轉(zhuǎn)；5. 用K4作為加速控制鍵，閉合時(shí)電機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)；6. 用K5作為減速控制鍵，閉合時(shí)電機(jī)減速運(yùn)轉(zhuǎn)；7. 用4位LED數(shù)碼管顯示工作步數(shù)；8. 用3個(gè)發(fā)光二極管顯示狀態(tài)：正轉(zhuǎn)時(shí)紅燈亮，反轉(zhuǎn)時(shí)黃燈亮，不轉(zhuǎn)時(shí)綠燈亮。本次設(shè)計(jì)需要對二相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行雙極性控制，使其能在控制下進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，同時(shí)利用數(shù)碼管和二極管分別顯示其工作步數(shù)和工作狀態(tài)。由于控制功能較為復(fù)雜，所以本系統(tǒng)需要采用單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。2 方案比較及認(rèn)證2.1 單片機(jī)選型單片機(jī)以其體積小、功能齊全、價(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都獲

6、得了廣泛的應(yīng)用，在我國，近幾年單片機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用特別是在工業(yè)控制、智能儀表等方面。單片機(jī)種類繁多，目前市場上常用的單片機(jī)有51系列，AVR系列與PIC系列等。MCS-51系列運(yùn)算與尋址能力強(qiáng)、存儲空間大、片內(nèi)集成外設(shè)豐富、功耗低等。其中大部分兼容芯片有Flash,價(jià)格便宜，常用于儀器儀表、測控系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。ATMEL公司的AVR單片機(jī)是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī),芯片上的Flash存儲器附在用戶的產(chǎn)品中,可隨時(shí)編程,再編程,使用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)容易,更新?lián)Q代方便.AVR單片機(jī)采用增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu),使其具有高速處理能力,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令,每MHz可實(shí)現(xiàn)1MI

7、PS的處理能力.AVR單片機(jī)工作電壓為2.76.0V,可以實(shí)現(xiàn)耗電最優(yōu)化.AVR的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備,工業(yè)實(shí)時(shí)控制,儀器儀表,通訊設(shè)備,家用電器,宇航設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。PIC系列單片機(jī): PIC系列單片機(jī)的主要產(chǎn)品是PIC 16C系列和17C系列8位單片機(jī),CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別僅有33,35條指令,采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力，價(jià)格低，一次性編程，小體積。適用于用量大，檔次低，價(jià)格敏感的產(chǎn)品。在辦公自動(dòng)化設(shè)備，消費(fèi)電子產(chǎn)品，電訊通信，智能儀器儀表，汽車電子，金融電子，工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，PIC系列單片機(jī)在

8、世界單片機(jī)市場份額排名中逐年提高，發(fā)展非常迅速。比較這三種類型的單片機(jī)，MCS-51系列單片機(jī)以抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、靈活性強(qiáng)等別的系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。即使非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。由于本次設(shè)計(jì)的所要實(shí)現(xiàn)的功能并不復(fù)雜，鑒于成本考慮，選用便宜而常用的MCS-51系列較為合適。本次設(shè)計(jì)采用其中低功耗型80C51單片機(jī)。2.2驅(qū)動(dòng)模塊選擇驅(qū)動(dòng)模塊常用有uln2003a和L298，考慮到二相步進(jìn)電機(jī)需采用雙極性控制，故電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊使用芯片L298實(shí)現(xiàn)，接線簡潔，穩(wěn)定性好。3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理說明本次課程設(shè)

9、計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)80C51為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)與按鍵、數(shù)碼管、發(fā)光二極管、L298驅(qū)動(dòng)模塊相連接，人為操作按鍵，在程序控制下，單片機(jī)將通過驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并使數(shù)碼管和發(fā)光二極管分別顯示步進(jìn)電機(jī)的工作步數(shù)和狀態(tài)。系統(tǒng)的總體原理框圖如下所示：按鍵設(shè)置80c51單片機(jī)系統(tǒng)L298驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)光二極管顯示狀態(tài)二相步進(jìn)電機(jī)四位數(shù)碼管圖3-1系統(tǒng)總體原理框圖本系統(tǒng)以單片機(jī)80C51為核心的控制系統(tǒng)，由P1口進(jìn)行開關(guān)按鍵的設(shè)置，具體為：P1.2接K5減速開關(guān)，開關(guān)閉合時(shí)作用，低電平有效；P1.3接K4加速開關(guān)，開關(guān)閉合時(shí)作用，低電平有效；P1.4接K3正/反轉(zhuǎn)開關(guān)，高電平為正轉(zhuǎn)，低電平為反轉(zhuǎn)；P1.

10、5接K2啟動(dòng)/停止開關(guān)，高電平為停止?fàn)顟B(tài)，低電平為啟動(dòng)狀態(tài)； P1.6和P1.7接K0單刀雙擲開關(guān)，用于控制工作模式的選擇，P1.6接八拍，P1.7接四拍。P3口與P0口外接4位LED數(shù)碼管，顯示步進(jìn)步數(shù)，通過控制P3口的電平信號，達(dá)到片選的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)4位數(shù)值的顯示。P0口作為輸出口外接LED的AG以及DP。另外P2.4接綠色發(fā)光二極管，使其在電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)亮；P2.5接紅色放光二極管，使其在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)亮；P2.6接黃色發(fā)光二極管，使其在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)亮。P2外接驅(qū)動(dòng)電路L298的4個(gè)輸入端，具體為P2.0接IN1，P2.1接IN2，P2.2接IN3，P2.3接IN4。這樣即可通過控制單片機(jī)的P2

11、口輸出電平來實(shí)現(xiàn)二相步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)，停止，正反轉(zhuǎn)以及四拍，八拍運(yùn)轉(zhuǎn)。具體工作過程需通過對單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)。電路圖如下所示圖 3-2 系統(tǒng)電路原理圖4 硬件設(shè)計(jì)說明4.1 單片機(jī)系統(tǒng)原理分析80C51是MCS-51系列單片機(jī)中CHMOS工藝的一個(gè)典型品種。其它廠商以8051為基核開發(fā)出的CMOS工藝單片機(jī)產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51系列。該系列單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài)80C51設(shè)計(jì)，由先進(jìn)CMOS 工藝制造，并帶有非易失性Flash 程序存儲器 ，全部支持12 時(shí)鐘和6 時(shí)鐘操作，P89C51X2 和P89C52X2/54X2/58X2 分別包含128 字節(jié)和256 字節(jié)RAM、32 條I/O 口線、3

12、 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6 輸入4 優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1 個(gè)串行I/O 口、可用于多機(jī)通信 I/O 擴(kuò)展或全雙工UART以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。其主要結(jié)構(gòu)組成如下：1中央處理器（CPU）2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM）3內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部ROM）4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5并行I/O口6串行口7時(shí)鐘電路8中斷系統(tǒng)9外接晶體引腳圖4-1 80C51單片機(jī)管腳圖單片機(jī)管腳如圖4-1所示，下面對其各個(gè)管腳進(jìn)行必要的說明。P0、P1、P2、P3口的電平與CMOS和TTL電平兼容。P0口的每一位口線可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。在作為通用I/O口時(shí)，由于輸出驅(qū)動(dòng)電路是開漏方式，由集電極開路（OC門）電路或漏極

13、開路電路驅(qū)動(dòng)時(shí)需外接上拉電阻；當(dāng)作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，口線輸出不是開漏的，無須外接上拉電阻。 P1、P2、P3口的每一位能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。它們的輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)有內(nèi)部上拉電阻，所以可以方便地由集電極開路（OC門）電路或漏極開路電路所驅(qū)動(dòng)，而無須外接上拉電阻。 當(dāng)CPU不對P3口進(jìn)行字節(jié)或位尋址時(shí)，內(nèi)部硬件自動(dòng)將口鎖存器的Q端置1。這時(shí)，P3口作為第二功能使用。 P3.0 ：RXD（串行口輸入）； P3.1 ：TXD（串行口輸出）； P3.2 ：外部中斷0輸入； P3.3 ：外部中斷1輸入； P3.4 ：T0（定時(shí)器0的外部輸入）； P3.5 ：T1（定時(shí)器1的外部輸出）； P3.6

14、：（片外數(shù)據(jù)存儲器“寫”選通控制輸出）； P3.7 ：（片外數(shù)據(jù)存儲器“讀”選通控制輸出）。 EA/VPP: 訪問程序存儲器控制信號，當(dāng)其為低電平時(shí)，對ROM的讀操作限定在外部的程序存儲器，當(dāng)其為高電平時(shí)，對ROM的讀操作是從內(nèi)部存儲器開始的，并可延至外部程序存儲器。 ALE/PROG: 編程脈沖 PSEN: 外部程序存儲器讀選通信號，在讀外部ROM時(shí)PSEN是低電平有效，以實(shí)現(xiàn)對ROM 的讀操作。 RST/VPD: 復(fù)位信號，當(dāng)輸入信號延續(xù)2個(gè)周期以上的高電平有效，用以完成單片機(jī)復(fù)位初始化操作。 XTAL: 時(shí)鐘晶振輸入端。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用P1P3全部當(dāng)做IO口用。4.2 二相步進(jìn)電機(jī)工作

15、原理分析步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)一般分為永磁式(PM)、反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)3種類型。目前，二相混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。圖4-3為二相六線式步進(jìn)電機(jī)的工作原示意圖。由圖可知，它有2個(gè)繞組，且每個(gè)繞組都有一個(gè)中間抽頭。因此，二相步進(jìn)電機(jī)也就有了6根引線。當(dāng)電機(jī)中的繞組通電后，其定子磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到相應(yīng)的磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方向使定子在順時(shí)針方向輪流產(chǎn)生磁場，則電機(jī)可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；通電方向使定子在逆時(shí)針方向輪流產(chǎn)生磁場，則電機(jī)可逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂泼}沖每作用一

16、次，通電方向就變化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即一個(gè)步距角。脈沖頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)也就越快。本次課設(shè)所使用的二相步進(jìn)電機(jī)需要采用雙極性的接法。雙極性則是指步進(jìn)電機(jī)線圈中電流的流動(dòng)方向不是單向的,即繞組線圈中的電流有時(shí)沿某一方向流動(dòng),有時(shí)按相反方向流動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的雙極性驅(qū)動(dòng)電路如圖4-4所示它使用8個(gè)晶體管來驅(qū)動(dòng)2組相位。雙極性驅(qū)動(dòng)電路可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)四線式或六線式的二相步進(jìn)電機(jī)。對于二相六線式步進(jìn)電機(jī)而言, 2個(gè)繞組的中間抽頭Vdd1和Vdd2都懸空。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理,當(dāng)控制器給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號時(shí),驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后,電機(jī)繞組通電的順序?yàn)?其4個(gè)狀態(tài)按順序周而復(fù)始進(jìn)行變化,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

17、; 若通電時(shí)序就變?yōu)闀r(shí),電機(jī)就逆向轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)達(dá)林頓管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí),線圈中電流方向?yàn)锳;當(dāng)達(dá)林頓管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí),線圈中電流方向?yàn)锳?？梢?步進(jìn)電機(jī)線圈中的電流方向在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中是不斷改變的。圖4-3 二相步進(jìn)電機(jī)原理圖圖4-4 雙極性驅(qū)動(dòng)電路 任務(wù)要求需要對二相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行四拍，八拍的控制。其兩者的區(qū)別在于通電時(shí)序的不一樣，四拍的通電方式為：，而八拍需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)分，其通電方式為： 。由對應(yīng)的通電方式，在結(jié)合圖4-4，便可以得到對應(yīng)的單片機(jī)管腳P2.0，P2.1，P2.2，P2.3的電平變化情況，繪制出步進(jìn)電機(jī)的四拍，八拍控制方式表格。如下表4-1和表4-2所示：表4-

18、1 步進(jìn)電機(jī)四拍控制通電方式時(shí)序單片機(jī)管腳位通電的線圈對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換16進(jìn)制數(shù)P2.3P2.2P2.1P2.010010001002H21000100008H30001000101H40100010004H表4-2 步進(jìn)電機(jī)八拍控制通電方式時(shí)序單片機(jī)管腳位通電的線圈對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換16進(jìn)制數(shù)P2.3P2.2P2.1P2.010010001002H2101010100AH31000100008H41001100109H50001000101H60101010105H70100010004H80110011006H由上述所得表格，便可以通過控制單片機(jī)I/O口輸出高低電平變化來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的四拍，

19、八拍運(yùn)轉(zhuǎn)。在編寫程序時(shí)，設(shè)置好控制字，在I/O口做循環(huán)輸出，便實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。由于單片機(jī)單獨(dú)帶負(fù)載能力較差，步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)之間需要接入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路L298。4.3 L298驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由課題任務(wù)要求可知，二相步進(jìn)電機(jī)需采用雙極性（H橋）控制，故考慮使用芯片L298來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。L298N為雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；

20、此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時(shí)序信號。在接入步進(jìn)電機(jī)時(shí)，OUTl，OUT2 ，OUT3，OUT4接二相步進(jìn)電機(jī)的,，二相步進(jìn)電機(jī)的對應(yīng)管腳以圖4-5為準(zhǔn)，IN1IN4接單片機(jī)的I/O口，用來控制單片機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及四拍，八拍通電方式。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4-5所示：圖4-5 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖4-5可以看出，L298內(nèi)部集成有2個(gè)H橋路，對應(yīng)的輸入接口為：IN1位P2.0，IN2為P2.1，IN3為P2.2，IN4為P2.3。對應(yīng)的輸出接口為：OUT1接，OUT2接，OUT3接，OUT4接。PROTUS仿真圖為：圖4-6 驅(qū)動(dòng)電路PROTUS仿真圖4.4 四位LED數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)

21、 任務(wù)要求需采用4位LED數(shù)碼管顯示工作步數(shù)，通過查閱相關(guān)資料，在仿真時(shí)采用型號7SEG-MPX4-CC共陰極數(shù)碼管顯示。其PROTUS仿真圖如下所示：圖4-7 數(shù)碼管顯示仿真圖單片機(jī)的P0口接數(shù)碼管輸入管腳ABCDEFG以及DP（可以不用），P3口接4位數(shù)碼管的片選端口1234，7段數(shù)碼管對應(yīng)的顯示數(shù)值與輸入信號的關(guān)系可以由下表得到。表4-3 七段數(shù)碼管顯示功能表單片機(jī)管腳輸入顯示十六進(jìn)制P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6ABCDEFG1111110O3FH0110000106H110110125BH111100134FH0110011466H101101156DH00

22、1111167DH1110000707H111111187FH111101196FH由上表可以得到顯示數(shù)字與單片機(jī)管腳輸入信號的對應(yīng)關(guān)系。只需要控制單片機(jī)的P0口輸出信號即可顯示數(shù)字，在程序設(shè)計(jì)中，定義7段顯示數(shù)組為uchar seg=0x3f，0x06，0x5b，0x4f，0x66，0x6d，0x7d，0x07，0x7f，0x6f；即可使數(shù)碼管顯示數(shù)字。5 軟件設(shè)計(jì)說明5.1總體流程分析與設(shè)計(jì)軟件模塊的分析需要根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)來進(jìn)行，基于上述硬件電路的分析設(shè)計(jì)，對整個(gè)程序流程需要有個(gè)整體的思考與判斷。由硬件電路的設(shè)計(jì)可以看出，程序需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟用與停止，正轉(zhuǎn)與反

23、轉(zhuǎn)，加減速，以及四拍、八拍的運(yùn)行方式；由4位LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)步進(jìn)步數(shù)的顯示；3個(gè)發(fā)光二極管顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。程序設(shè)計(jì)的總體思想是單片機(jī)通過判斷按鍵輸入電平變化從而選擇正反轉(zhuǎn)，加減速，以及四八拍的工作方式。主程序流程圖如圖5-1所示。圖 5-1 主程序流程圖5.2 設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模式流程分析與設(shè)計(jì)由硬件電路可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由開關(guān)K1K5來控制，K1為單刀雙擲開關(guān)，用于工作模式四八拍的選擇，低電平有效；K2為單刀單擲開關(guān)，用于啟動(dòng)和停止的選擇，開關(guān)閉合表示啟動(dòng)，此時(shí)為低電平，相反開關(guān)斷開表示停止，此時(shí)為高電平；K3為單刀單擲開關(guān)，用于電機(jī)正反轉(zhuǎn)的選擇，開關(guān)閉合時(shí)表示電機(jī)正傳，此時(shí)為低電平，相反開關(guān)

24、斷開表示電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)為高電平；K4為單刀單擲開關(guān)，用于電機(jī)加速的選擇，開關(guān)閉合表示電機(jī)加速，此時(shí)為低電平；K5為單刀單擲開關(guān)，用于電機(jī)減速的選擇，開關(guān)閉合表示電機(jī)減速，此時(shí)為低電平。我們通過80C51讀入這六位控制字，存放在變量temp中。對應(yīng)temp值如下表所示。表5-1 控制字及與轉(zhuǎn)動(dòng)方式對應(yīng)表K1K2K3K4K5temp轉(zhuǎn)動(dòng)方式 0 1010154H正向四拍加速 1 0010194H正向八拍加速 0 1000144H反向四拍加速 1 0000184H反向八拍加速 0 1011058H正向四拍減速 1 0011098H正向八拍減速 0 1001048H反向四拍減速 1 0001088H反

25、向八拍減速 0 101115CH正向四拍常速 1 001119CH正向八拍常速 0 100114CH反向四拍常速 1 000118CH反向八拍常速對應(yīng)程序段如下void keyscan()uchar temp;while(k2) mode=0;step=0;P2=0xef; /停止，綠燈亮；led_green=1; /啟動(dòng)，綠燈滅；temp=P1&0xfc; /P1口取高六位有效；switch(temp)case 0x54:mode=1;break;/正向四拍加速運(yùn)行；case 0x94:mode=2;break;/正向八拍加速運(yùn)行；case 0x44:mode=3;break;/反向四拍加速

26、運(yùn)行；case 0x84:mode=4;break;/反向八拍加速運(yùn)行；case 0x58:mode=5;break;/正向四拍減速運(yùn)行；case 0x98:mode=6;break;/正向八拍減速運(yùn)行；case 0x48:mode=7;break;/反向四拍減速運(yùn)行；case 0x88:mode=8;break;/反向八拍減速運(yùn)行；case 0x5c:mode=9;break;/正向四拍常速運(yùn)行；case 0x9c:mode=10;break;/正向八拍常速運(yùn)行；case 0x4c:mode=11;break;/反向四拍常速運(yùn)行；case 0x8c:mode=12;break;/反向八拍常速

27、運(yùn)行；5.3 顯示模塊流程分析與設(shè)計(jì)由硬件部分分析可知，Led數(shù)碼管有4個(gè)管腳讀入片選信號，8個(gè)管腳讀入控制信號。本部分程序首先要對當(dāng)前的步數(shù)值進(jìn)行位數(shù)分離，將個(gè)、十、百、千位分別提取出來，然后通過片選信號選擇位數(shù)讀入控制字，依次進(jìn)行顯示。由于單片機(jī)的計(jì)算過程非常快，我們還設(shè)置了延時(shí)程序，并且與步進(jìn)電機(jī)同步，顯示一步的時(shí)間與步進(jìn)電機(jī)走一步的時(shí)間相同，所以看起來各位是同時(shí)顯示的。對應(yīng)程序段如下void display(uint num)uchar qian,bai,shi,ge,t;qian=num/1000;bai=(num/100)%10;shi=(num/10)%10;ge=num%10;

28、/分離出每一位;for(t=num_speed;t0;t-) P0=segqian; /千位;wela1=0;delayms(5);wela1=1;P0=segbai;/百位;wela2=0;delayms(5);wela2=1;P0=segshi;/十位;wela3=0;delayms(5);wela3=1;P0=segge;/個(gè)位;wela4=0;delayms(5);wela4=1;6 調(diào)試記錄及結(jié)果分析6.1 總體硬件仿真設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)模塊完成了對系統(tǒng)電路圖的設(shè)計(jì)，軟件模塊由程序?qū)崿F(xiàn)了各項(xiàng)功能；接下來需要將軟件與硬件結(jié)合起來才能真正完成整個(gè)設(shè)計(jì)工作。我們采用的是PROTEUS仿真軟件得到

29、了系統(tǒng)的硬件圖，參見附錄1；使用Keil軟件的集成環(huán)境調(diào)試程序，程序代碼清單參見附錄。在系統(tǒng)完成后測試系統(tǒng)，檢查硬件和軟件是否能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，并對系統(tǒng)出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析，看是否能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初所設(shè)想的效果，如達(dá)不到則重新修改系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)或者修改軟件的程序部分，直到達(dá)到設(shè)計(jì)需要為止。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為：首先從整體上劃分出各功能模塊，然后硬件和軟件同時(shí)進(jìn)行依次完成各個(gè)功能模塊，最后將各個(gè)模塊聯(lián)系起來完成整個(gè)系統(tǒng)。6.2調(diào)試與仿真結(jié)果分析在硬件調(diào)試的過程中，遇到了很多問題。主要有：鍵盤部分設(shè)計(jì)時(shí)，開始統(tǒng)一用了單刀雙擲開關(guān)K1K6來控制，在多次運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)存在一定問題，比如四八拍模式的選

30、擇，若是在運(yùn)行電路前同時(shí)閉合了這兩個(gè)開關(guān)，就會(huì)造成系統(tǒng)紊亂，故將其改換為一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，這樣的話一次就只能選擇一種模式運(yùn)行。在步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路的連接中，需要準(zhǔn)確的接好各個(gè)管腳，因?yàn)槌绦蚶锏目刂谱謱?yīng)著這些管腳電平的變化，不能隨便接，單片機(jī)的輸出口與驅(qū)動(dòng)電路的輸出口也需要一一對應(yīng)，否則電機(jī)無法按正常的設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過調(diào)試以及對仿真電路圖及程序的改正，系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的要求，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，仿真成功。在此截取若干仿真圖進(jìn)行說明。圖6-1為電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的仿真圖，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，紅燈亮。圖6-2為電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的仿真圖，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，黃燈亮。圖6-3為電機(jī)停止時(shí)仿真圖，綠燈亮。圖6-1 步進(jìn)電機(jī)正向

31、常速運(yùn)行仿真圖圖6-2 步進(jìn)電機(jī)反向常速運(yùn)行仿真圖圖6-3 步進(jìn)電機(jī)反向加速運(yùn)行仿真圖由仿真圖可見，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停止的控制，能夠利用數(shù)碼管顯示步數(shù)，通過發(fā)光二級管顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)要求。小結(jié)與心得體會(huì)本次計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)，和以往的課程設(shè)計(jì)一樣，讓我感到收獲良多。首先，拿到題目之后我很快就確定了利用單片機(jī)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮了AVR和80c51等單片機(jī)，由于此系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能簡單，不需要過大的內(nèi)存，所以由于成本原因選擇了80c51進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是在protus仿真調(diào)試時(shí)還是出現(xiàn)了許多問題，程序調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)了許多語法錯(cuò)誤，例如缺少函數(shù)聲明就直接調(diào)用，

32、變量形式設(shè)錯(cuò)等。語法沒有錯(cuò)誤之后編譯成單片機(jī)能識別的.hex文件，運(yùn)行仿真卻出現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)正常但顯示管記錄步數(shù)不正常的情況。經(jīng)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)是方式字的設(shè)置也出現(xiàn)了錯(cuò)誤而導(dǎo)致數(shù)碼管不能正常顯示步數(shù)。仿真中也出現(xiàn)發(fā)光二極管亮度過低的情況，后將電阻調(diào)低后正常。本次課設(shè)經(jīng)過多次調(diào)試改正錯(cuò)誤，才得以仿真成功。單片機(jī)是此次設(shè)計(jì)中非常重要的元器件，在做完成課程設(shè)計(jì)的過程中，我查閱了一些資料對其進(jìn)行學(xué)習(xí)，了解了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存儲容量以及管腳功能等知識，感到受益匪淺。調(diào)試程序是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過程，很多錯(cuò)誤都十分細(xì)小，在意想不到的地方，我和同學(xué)互相檢查對方的程序，才發(fā)現(xiàn)了彼此的問題。通過本次課程設(shè)計(jì)，我不僅加

33、深了對課堂知識的理解，拓展了單片機(jī)方面的知識，掌握了protus軟件的應(yīng)用，更培養(yǎng)了科學(xué)的思維方式和動(dòng)手能力，與同學(xué)的交流也多出了一份學(xué)術(shù)探討的氛圍，也鍛煉了我的耐心和堅(jiān)持，令我受益匪淺。參考文獻(xiàn)1 于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007年2 陳冬云.ATmega128 單片機(jī)原理與開發(fā)指導(dǎo)M,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005年3 王彥平.RPOTEL 99 電路設(shè)計(jì)指南M,北京：清華大學(xué)出版社，2000年4 沈美明.IBM-PC匯編語言程序設(shè)計(jì)M, 北京：清華大學(xué)出版社，2001年5 沈精虎.Protel99 入門與提高M(jìn), 北京：人民郵電出版社，2007年附錄1：附圖1 系

34、統(tǒng)電路proteus仿真圖附錄2：/*步進(jìn)電機(jī)測試程序*/#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit k2=P15;/啟動(dòng)/停止開關(guān)，為0時(shí)啟動(dòng)，為1時(shí)停止；sbit k3=P14;/正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)，為1時(shí)正傳，為0時(shí)反轉(zhuǎn)；sbit wela1=P30;/數(shù)碼管位選1；sbit wela2=P31;/數(shù)碼管位選2；sbit wela3=P32;/數(shù)碼管位選3；sbit wela4=P33;/數(shù)碼管位選4；sbit led_green=P24; /控制綠燈，顯示停止；sbit led_red=P25; /控制紅

35、燈，顯示反轉(zhuǎn)；sbit led_yellow=P26;/控制黃燈，顯示正傳；unsigned char pfour=0xd1,0xd4,0xd2,0xd8;/步進(jìn)電機(jī)正傳四拍數(shù)表;unsigned char peight=0xd1,0xd5,0xd4,0xd6,0xd2,0xda,0xd8,0xd9;/步進(jìn)電機(jī)正傳八拍數(shù)表;unsigned char nfour=0xb1,0xb8,0xb2,0xb4;/步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)四拍數(shù)表;unsigned char neight=0xb1,0xb9,0xb8,0xba,0xb2,0xb6,0xb4,0xb5;/步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)八拍數(shù)表;uchar seg=0x

36、3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/共陰極數(shù)碼管顯示數(shù)碼；uchar flag=0;/用來控制拍數(shù)循環(huán)；uchar mode=0;/用來標(biāo)志工作模式；uchar num_speed;/用來表示速度；uint step;/用來計(jì)算步數(shù)；/*函數(shù)聲明部分*/void delayms(uint);/延時(shí)函數(shù)；void display(uint);/數(shù)碼管顯示函數(shù)；void keyscan();/按鍵檢測函數(shù)；void motor();/電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)函數(shù)；/*主函數(shù)*/void main()while(1)keyscan();/按鍵讀入設(shè)置的工

37、作模式；motor();/電機(jī)啟動(dòng)；display(step);/顯示步數(shù)；/*數(shù)碼管顯示函數(shù)*/void display(uint num)uchar qian,bai,shi,ge,t;qian=num/1000;bai=(num/100)%10;shi=(num/10)%10;ge=num%10;/分離出每一位;for(t=num_speed;t0;t-) P0=segqian; /千位;wela1=0;delayms(5);wela1=1;P0=segbai;/百位;wela2=0;delayms(5);wela2=1;P0=segshi;/十位;wela3=0;delayms(5);

38、wela3=1;P0=segge;/個(gè)位;wela4=0;delayms(5);wela4=1;/*電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)函數(shù)*/void motor()switch(mode)case 1:P2=pfourflag+;if(flag=4) flag=0;step+;num_speed=10;break;case 2:P2=peightflag+;if(flag=8) flag=0;step+;num_speed=10;break;case 3:P2=nfourflag+;if(flag=4) flag=0;step+;num_speed=10;break;case 4:P2=neightflag+;if(flag=8) flag=0;step+;num_speed=10;break;case 5:P2=pfourflag+;if(flag=4) flag=0;step+;num_speed=65;break;case 6:P2=peigh