1、毕业设计(论文)学生姓名学 号所在学院 自动化与电气工程学院专 业 自动化课 题 基于单片机控制的步进电机调速系统的设计指导老师I基于单片机控制的步进电机调速系统的设计摘 要步进电机是一种利用电脉冲进行控制且将电脉冲信号转换成相位移的电机。每次给步进电机一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的两个相邻脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，通过延时的长短来控制步进角从而改变电机的转速，这样就实现了步进电机的调速系统。论文主要研究内容如下：(1)本次研究的单片机型号是基于 STC89C52 的，认真的分析 STC89C52 的各个参数和引脚功能，在熟悉 STC89C52 单片机及其外围
2、电路的基础上，选择常见且价格合理的外围硬件，使用 protel99 se 绘制各模块电路图以及系统整体电路图，利用洞洞板焊接基于单片机的实物。(2)根据硬件电路绘制子模块的程序流程图，使用 Keil uVision4 编写程序实现各个软件模块，完成软件设计。软件设计的主要难点是步进电机的正反转和速度的调节，其中步进电机的速度以软件延时的时间长短来调节。程序编写完后使用 Keil uVision4 调试，直至没有错误，最后烧入单片机，检查其各个功能运行的实际效果，反复改写并调试程序直至满足既定的效果。本次论文研究的结果，完成了准确的硬件电路，利用独立键盘对步进电机调速系统进行控制，在此基础上还增
3、加了额外的功能，如通过 LCD12864 显示器显示作者的基本信息和步进电机的实时状态，还增加了蜂鸣器和 LED 来表示执行过程中的状态。关键词 ：步进电机 单片机 调速系统IIBased on single chip microcomputer control stepping motor speed control system designAbstractStepper motor is a pulse control, electric pulse signal phase shift motor. Stepper motor is a pulse of each to a fixed
4、 rotation angle, this can be achieved by controlling the stepper motor is a pulse to the next pulse time interval to change the frequency of the pulses, the delay to control the length of the stepping angle to vary the speed of the motor, thus realizing the stepper motor speed control. The main cont
5、ent as follows:(1) This research is based on STC89C52 SCM models, careful analysis of all parameters of the STC89C52 and pin function, according to online data to study the common construction of the hardware circuit. After familiar with STC89C52 single-chip microcomputer and peripheral circuit, the
6、 choice of common and reasonable price of peripheral hardware. All hardware after the selection, use protel99 se map module circuit diagram as well as the overall system circuit diagram, then check, finally using physical hole hole plate welding MCU, so far all hardware preparation work completed. (
7、2) Followed by the software design, program flow chart of the first picture, and then use th Key words： Step-by-step electric motor Monolithic machine Speed regulation system目录III目录摘要 .IAbstractII第一章 绪论 11.1 本课题研究背景、目的及意义 .11.2 本课题国内外研究现状和发展趋势 .11.3 本课题拟采用的研究手段 .2第二章 步进电机简介 32.1 步进电机概念 .32.2 步进电机分类
8、.32.3 步进电机特点 .32.4 步进电机工作原理 .42.5 步进电机的基本参数 .42.5.1 空载启动频率 42.5.2 电机固有 步距角 42.5.3 步进电机的相数 42.5.4 保持转矩 52.6 步进电机详细调速原理 .5第三章 硬件电路设计 63.1 基本的方案确定 .63.2 单片机的选择：STC89C52 .73.2.1 STC89C52 概述 73.2.2 STC89C52 特性 73.2.3 STC89C52 参数 83.2.4 STC89C52 引脚功能 83.3 液晶显示器的选择：LCD12864 .103.3.1 LCD12864 概述 103.3.2 LCD
9、12864 特性 10目录IV3.3.3 LCD12864 参数 103.3.4 LCD12864 引脚功能 113.4 步进电机驱动芯片选择：ULN2003 123.4.1 ULN2003 概述 .123.4.2 ULN2003 参数 .133.4.3 ULN2003 引脚功能 .143.5 步进电机选择：28BYJ48(四相八拍的步进电机) .153.5.1 28BYJ48 概述 .153.5.2 28BYJ48 特性 .153.5.3 28BYJ48 工作原理 .163.6 信号显示灯选择：L ED.183.6.1 LED 概述 183.6.2 LED 特点 183.6.3 LED 发光
10、原理 193.7 独立按键 .203.7.1 按键的概述 203.7.2 按键的特性 213.7.3 按键的工作方式 213.8 蜂鸣器选择：有源蜂鸣器 .223.8.1 蜂鸣器概述 223.8.2 有源蜂鸣器原理 223.8.3 有源蜂鸣器优点 233.9 晶振选择：12MHZ 243.9.1 晶振概述 243.9.2 晶振工作原理 243.9.3 晶振的基本分类 25第四章 软件设计 274.1 键盘子程序设计 .274.2 显示 子程序设计 .284.3 蜂鸣器子 程序设计 .29目录V4.4 步进电机正反转调速子程序设计 .304.5 单片机主程序设计 .31第五章 实验结果 与分析
11、325.1 步进电机电机参数简要分析 .325.2 实验结果图 .32第六章 结语 .36致谢 37参考文献 .38附录 A 39南京工业大学本科生毕业设计(论文)1第一章 绪论1.1 本课题研究背景、目的及意义我们对于步进电机的控制通过步进电机的驱动器来完成，因此步进电机的驱动器已经被广泛用于控制系统中。以前的步进电机控制系统采用分立元件或由集成电路组成的控制回路，这不仅调试复杂，要消耗大量器件，实现起来成本比较高，耗时多，而且一旦成型后，电路就难以改动，因此得重新设计控制器。步进电动机是利用电脉冲信号进行控制且将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，其优点是可以在宽广的频率范围内
12、通过改变脉冲频率来实现调速、起停、正反转控制等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价且可行性好，因此在众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。1.2 本课题国内外研究现状和发展趋势步进电机是由国外发明的，中国在文化大革命期间已经生产和使用，例如江苏、浙江、南京都生产，而且都在各个行业使用。驱动电路所有半导体器件都是国产化的，当时是由全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器触发器环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上，已基本不使用大扭矩步进电机，因为从驱动电路的成本、效率、噪音、加速度
13、绝对速度与最大扭矩比来比较，比较不划算，因此还是用直流电机。一些少数高级的应用，就使用空心转杯电机、交流电机。国外在小功率的场合上还是使用步进电机：例如一些工业生产装备、打印机、速印机、银行自动柜员机等。国外利用许多现代手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器、打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内以前是用大力矩的步进电动机来实现机床数控，有经济实力的公司也采用交流电动机来驱动数控机床。驱动装置的主要差距是国外对于交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力比较强，以先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总体来说，步进电机是一种简易的开环控制，
14、对运用者的要求比较低，不适合在卫星、雷达等应用场合。中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，这时还不能使用步进电机。步进电机的细分控制在改革开放初期，这个时期国内就已经基本掌握它，它与交流电动机的矢量控制相比，难目录V2度要低。1.3 本课题拟采用的研究手段(1)整理相关本毕业设计的资料，熟练掌握单片机以及本设计相关的各类芯片的引脚、电器元件的功能，做出设计方案，对各种方案进行比较，选出最优方案，做好设计准备。(2)使用 protel99 se 绘制各模块电路图以及系统整体电路图，理解电路原理，掌握工作过程，最后焊接基于单片机的实物作品。(3)使用 Keil uVision4 编写程序来实现各
15、个软件模块，完成软件设计。(4)程序编写完后使用 Keil uVision4 调试，直至没有错误，最后烧入单片机，检查其各个功能运行的实际效果，反复改写并调试程序直至满足既定的效果。南京工业大学本科生毕业设计(论文)3第二章 步进电机简介2.1 步进电机概念步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每次给它一个脉冲，它就转过一个固定的角度。步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组
16、通电的相序，就可获得所需要的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置，处于定位状态。2.2 步进电机分类步进电机分为三种：永磁式(PM)，反应式(VR)和混合式(HB) 。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积比较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它可分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最广泛。2.3 步进电机特点(1)步进电机容易控制，成本低，引起
17、的控制误差，转速有限。(2)步进电机外表耐高温，步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度取决于不同磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度是完全正常的。(3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率或速度的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。(4)步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个
18、技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲目录4频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。2.4 步进电机工作原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动
19、的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。2.5 步进电机的基本参数2.5.1 空载启动频率即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。2.5.2 电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，步进电机的步距角为两相整步是 1.
20、8 度三相是 0.6 度现在的步进电机都有细分的驱动器，细分数又决定的步距角例如两相的步进电机驱动器为 5 细分步距角为 1.8/5=0.36。2.5.3 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数将变得没有意义，用南京工业大学本科生毕业设计(论文)5户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。2.5.4 保持转矩是指步进电机
21、通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 5N.M 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 5N.M 的步进电机。2.6 步进电机详细调速原理一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的
22、数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。通过延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调速。具体的延时时间可以通过软件来实现。这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种，软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率，其中延时的长短是动态的，软件法在电机控制中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的 CPU 时间，使单片机无法同时进行其他工作;硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的
23、，在每次进入定时中断后，改变定时常数，从而升速时使脉冲频率逐渐增大，减速时使脉冲频率逐渐减小，这种方法占用 CPU 时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用的调速方法。第三章 硬件电路设计6第三章 硬件电路设计3.1 基本的方案确定根据本次设计的要求，选用四相步进电机 28BYJ48，选用单片机 STC89C52 作为控制器，选用 LCD12864 用于显示基本信息，选用 ULN2003 作为步进电机的驱动芯片，还有若干小键盘和 LED 灯。系统原理框图如 3-1 所示：图 3-1 系统原理框图图 3-2 Protel 99 SE 原理图南京工业大学本科生毕业设计(论文)7具体的接线连
24、接：(1)LCD12864 数据端接单片机 P1 口其 RS 端接单片机 P35 口， E 端接单片机 P34 口， R/W 端接单片机 P36 口(2)五个独立按键接单片机 P03P07 口(3)三个 LED 接单片机 P00P02 口(4)ULN2003 接单片机 P20P23(5)步进电机接 ULN2003 的 2、4、6、8 引脚(6)蜂鸣器接单片机 P323.2 单片机的选择：STC89C523.2.1 STC89C52 概述STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的
25、MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k 字节 Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7向量 4 级中断结构(兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构)，全双工串行口。另外 STC89C52可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模
26、式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、 定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T 可选。3.2.2 STC89C52 特性(1)STC89C52 单片机(2)8K 字节程序 存储空间(3)512 字节数据存储空间(4)内带 2K 字节 EEPROM 存储空间(5)可直接使用串口下载第三章 硬件电路设计8(6)AT89S52 单片机(7)8K 字节程序存储空间(8)256 字节数据存储空间(9)没有内带 EEPROM 存储空间3.2.3 STC89C52
27、 参数(1)增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统 8051(2)工作电压：5.5V3.3V(5V 单片机)/3.8V2.0V(3V 单片机)(3)工作频率范围： 040MHz ，相当于普通 8051 的 080MHz ，实际工作频率可达48MHz(4)用户应用程序空间为 8K 字节(5)片上集成 512 字节 RAM(6)通用 I/O 口(32 个)，复位后为： P0/P1/P2/P3 是准双向口/ 弱上拉，P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻(7)ISP(在系统可编程)/
28、IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口(RxD/P3.0 ，TxD/P3.1) 直接下载用户程序，数秒即可完成一片(8)具有 EEPROM 功能(9)共 3 个 16 位定时器/计数器。即 定时器 T0、T1、T2(10)外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒(11)通用异步 串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个 UART(12)工作温度范围： -40+85 (工业级)/075(商业级)(13)PDIP 封装3.2.4 STC89C52 引脚功能(1)VCC(40)：电源 +5V(2)VSS
29、(20)：接地，也就是 GND(3)XTL1(19)和 XTL2(18)：振荡电路(4)PSEN(29)：片外 ROM 选通信号，低电平有效南京工业大学本科生毕业设计(论文)9(5)ALE/PROG(30)：地址锁存信号输出端 /EPROM 编程脉冲输入端(6)RST/VPD(9)：复位信号输入端/备用电源输入端。(7)EA/VPP(31)：内/外部 ROM 选择端 (8)P0 口(39-32)：双向 I/O 口(9)P1 口(1-8)：准双向通用 I/0 口(10)P2 口(21-28)：准双向 I/0 口图 3-3 STC89C52 实物图图 3-4 STC89C52 接线原理图第三章 硬
30、件电路设计103.3 液晶显示器的选择：LCD128643.3.1 LCD12864 概述带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864， 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84行 1616 点 阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电
31、路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。3.3.2 LCD12864 特性表 3-1 LCD12864 特性表项目 符号 最小 典型 最大 单位电源电压 VDD-VSS 4.75 5.0 5.25TA=0 -11.0 -11.5 -12.0TA=25 -10.5 -11.0 -11.5液晶驱动电压 VDD-VADJTA=50 -10.0 -10.5 -11.0VIH 0.8 VDD - VDD+0.3输入信号电压VIL 0 - 0.2VDDVLCM 工作电流 IDD - 3 8背光驱动电流 ILED - 60 80液晶驱动电流 IEE - 1.0 -MA3.
32、3.3 LCD12864 参数南京工业大学本科生毕业设计(论文)11表 3-2 LCD12864 参数表项目 符号 最小 最大 单位 备注电源电压 VDD-VSS -0.3 7.0液晶驱动电压 VDD-VADJ - 15V工作温度范围 TOP -20 +70存储温度范围 TST -30 +80C3.3.4 LCD12864 引脚功能(1)低电源电压(VDD ：+3.0-+5.5V)(2)显示分辨率：12864 点(3)内置汉字字库，提供 8192 个 1616 点阵汉字(简繁体可选)(4)内置 128 个 168 点阵字符(5)2MHZ 时钟频率(6)显示方式：STN 、半透、正显(7)驱动方
33、式： 1/32DUTY，1/5BIAS(8)视角方向：6 点(9)背光方式：侧部高亮白色 LED，功耗仅为普通 LED 的 1/51/10(10)通讯方式：串行、并口可选(11)内置 DC-DC 转换电路，无需外加负压(12)无需片选信号，简化软件设计(13)工作温度： 0- +55，存储温度：-20- +60第三章 硬件电路设计12图 3-5 LCD12864 实物图图 3-6 LCD12864 接线原理图3.4 步进电机驱动芯片选择：ULN20033.4.1 ULN2003 概述ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻，在 5V 的工作电压下它能与南京工业大学本科生毕
34、业设计(论文)13TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列 16 脚封装，NPN 晶体管矩阵，最大驱动电压=50V，电流=500mA，输入电压=5V，适用于 TTL COMS，由达林顿管组成驱动电路。ULN 是集成达林顿管 IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它的输出端允许通过电流为 200mA，饱和压降 VCE 约 1V左右，耐
35、压 BVCEO 约为 36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大。故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动 ULN2003 时，上拉 2K 的电阻较为合适，同时，COM 引脚应该悬空或接电源。3.4.2 ULN2003 参数表 3-3 ULN2003 参数表参数名称 符号 测试条件 最小 典型 最大 单位Vce=50V，Tamb=25 50输出漏电流 IcexVce=50V，Tamb=70 100uAIc=100mA， Is=250uA 0.9 1.1Ic=200mA， Is=350uA 1.1 1.3饱和压降 Vce(sat)I
36、c=350mA， Is=500uA 1.3 1.6VIin(on) Vin=3.85V 0.93 1.35 mA输入电流Ic=500uA，Tamb=70 50 65 uAVce=2.0V，Ic=200mA 2.4Vce=2.0V，Ic=250mA 2.7输入电压 Vin(on)Vce=2.0V，Ic=300mA 3.0V输入电容 Cin 15 25 pF上升时间 Tplh 0.5 Ein to 0.5 Eout 0.25 1.0 uS下降时间 Tphl 0.5 Ein to 0.5 Eout 0.25 1.0 uSVr=50V，Tamb=25 50钳位二极管漏电流IrVr=50V，Tamb=7
37、0 100uA14南京工业大学本科生毕业设计(论文)153.4.3 ULN2003 引脚功能(1)引脚 1-7：CPU 脉冲输入端(2)引脚 8：接地(3)引脚 9：该脚是内部 7 个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通(4)引脚 10：脉冲信号输出端，对应 7 脚信号输入端(5)引脚 11：脉冲信号输出端，对应 6 脚信号输入端(6)引脚 12：脉冲信号输出端，对应 5 脚信号输入端(7)引脚 13：脉冲信号输出端，对应 4 脚信号输入端(8)引脚 14：脉冲信号输出
38、端，对应 3 脚信号输入端(9)引脚 15：脉冲信号输出端，对应 2 脚信号输入端(10)引脚 16：脉冲信号输出端，对应 1 脚信号输入端图 3-7 ULN2003 实物图16图 3-8 ULN2003 接线原理图3.5 步进电机选择：28BYJ48(四相八拍的步进电机)3.5.1 28BYJ48 概述步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度(一个步距角)。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四
39、相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单(单相绕组通电)四拍(A-B-C-D-A)，双(双相绕组通电)四拍(AB-BC-CD-DA-AB)，八拍 (A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)。3.5.2 28BYJ48 特性 (1)额定电压：12VDC(另有电压：5V、6V、24V) (2)相数：4 (3)减速比：1/64(另有减速比： 1/16、1/32) (4)步距角：5.625 /64 (5)驱动方式：4 相 8 拍 (6)直流电阻：2007%(25)(按客户要求而定：80、130 欧姆) (7)空载牵入频率：600Hz (8)空载牵出频率：1000Hz 南京工业大学本
40、科生毕业设计(论文)17(9)牵入转矩：34.3mN.m(120Hz) (10)自定位转矩： 34.3mN.m (11)绝缘电阻： 10M(500V) (12)绝缘介电强度： 600VAC/1mA/1S (13)绝缘等级： A (14)温升： 50K(120Hz) (15)噪音： 40dB(120Hz) (16)重量：大约 40g S(17)未注公差按： GB1804-m (18)转向：CCW3.5.3 28BYJ48 工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电，只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。下图是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图 3-
41、9 步进电机工作原理示意图开始时，开关 SB 接通电源， SA、SC、SD 断开，B 相磁极和转子 0、3 号齿对齐，同时，转子的 1、4 号齿就和 C、D 相绕组磁极产生错齿， 2、5 号齿就和 D、A 相绕组磁极产生错齿。18当开关 SC 接通电源，SB、SA、SD 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 1、4 号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 0、3 号齿和 A、B相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B 、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单
42、四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2.a、b、c 所示：a b c图 3-10 步进电机工作时序波形图八拍得工作方式 单双八拍工作方式：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA (即一个脉冲，转 3.75 度)八拍运行时步距角为 =360 度/(50*8)=0.9 度(俗称半步)南京工业大学本科生毕业设计(论文)19第三章 硬件电路设计20图 3-11 28BYJ48 步进电机图 3-1
43、2 28BYJ48 接线原理图3.6 信号显示灯选择：LED3.6.1 LED 概述LED(light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的 晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N 结” 。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以
44、光子的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成 P-N 结的材料决定的。3.6.2 LED 特点LED 的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。(1)体积小：LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。(2)耗电量低：LED 耗电非常低，一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电不超过 0.1W。南京工业大学本科生毕业设计(论文)21(3)使用寿命长：在恰当的电流和电压下，LED 的使用寿命可达 10 万小时。(4)高亮度、低热量：比 HID
45、 或白炽灯更少的热辐射。(5)环保：LED 是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时 LED 也可以回收再利用。(6)坚固耐用：LED 是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得 LED 可以说是不易损坏的。(7)可控性强：可以实现各种颜色的变化。3.6.3 LED 发光原理它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片，在 P 型半导体和N 型半导体之间有一个过渡层，称为 P
46、N 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压) ，电流从 LED 阳极 流向阴极时，半导体晶体 就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。图 3-13 LED 构造图第三章 硬件电路设计22图 3-14 LED 实物图图 3-15 LED 接线原理图3.7 独立按键3.7.1 按键的概述键盘在单片机应用系统中，实现输入数据，传送命令的功能
47、，是人工干预的主要手段。键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘。编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采南京工业大学本科生毕业设计(论文)23用 8279 可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。24非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用 CPU 较多时间。有独立式按键结构，矩阵式按键结构。单片机系统中多采用非编码键盘。3.7
48、.2 按键的特性作为机械按钮，键按下或者放开时，都存在着接通或断开的不稳定现象，从而使信号电平具有抖动现象，这种现象称为抖动。由于按键的抖动，使按键对应的输出电平出现若干个干扰脉冲，如图所示。为了保证每按下一次按键，单片机程序只动作一次，就需要消除因按键的抖动现象而引起的错误动作，具体的处理方式分为硬件消除抖动和软件消除抖动，简称消抖。图 3-16 按键消抖3.7.3 按键的工作方式单片机及应用系统中，键盘扫描只是 CPU 的工作内容之一。CPU 忙于各项任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中的 CPU 任务的分量，来确定键盘的工作方式。键盘的工作方式选取的原则是：既要保证能及时响应按键的操作，又不过多占用CPU 的时间。键盘的工作方式有：查询方式(编程扫描，定时扫描方式)，中断扫描方式。
