1、编号： 单片机综合设计实训论文说明书题 目： 步进电机控制器 院 （系）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2012 年 06 月 18 日桂林电子科技大学实训说明书用纸1摘 要步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，用 C 语言编写出电机的正转、反转、加速、减速程序，通过单片机、电机的驱动芯片 ULN2003 以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用 LCD1602 显示出来。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电
2、路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。关键词：步进电机；驱动机构；单片机；转动桂林电子科技大学实训说明书用纸2AbstractThe open-loop system which is composed by step-motor is simple, cheap and very practical, so there are very wide range of applications in printers and other office automation e
3、quipment and various control devices, and many other fields. This article describes one design of step-motor system based on microcontroller.The program of the preparation of a motor , reverse, speed up, slow down, stop is written by compile language. The above functions are realized through the mic
4、rocontroller, motor driver chip ULN2003 and correspond key , and the work state of stepper motor is diaplayed through the light-emitting diode. This article introduces the principle of stepper motor and single-chip microcomputer, the system hardware circuit, the program components, while software an
5、d hardware for the debugging, at the same time introduces the problems which are appeared in the debugging process and the solutions of the problems . The design has the advantages of clear , high reliability, strong stability, etc.,and the above-mentioned functions are realized through the debuggin
6、g. Key Words: Stepper motor; Pulse-width modulated; driving mechanism; singlechip; rotation桂林电子科技大学实训说明书用纸3目 录1 绪论 .11.1 步进电机及其发展.11.2 步进电机的分类.11.3 课题研究的目的和意义.12 系统总体方案 .22.1 系统总体规划.22.2 器件介绍.32.2.1 单片机 AT89S52.32.2.2 LCD1602 介绍.42.2.3 UIN2003 驱动芯片 .43 硬件设计 .53.1 控制电路.53.2 最小系统.63.3 显示电路.73.4 总体电路.8
7、4 系统软件设计 .84.1 系统主程序.84.2 正反转部分.94.3 加速部分.94.4 减速部分.105 系统的仿真与调试 .105.1 硬件调试.116 心得体会 .11谢 辞 .13参考文献 .14仿真图 .15PCB 图 .15附 录一 .16桂林电子科技大学实训说明书用纸11 绪论1.1 步进电机及其发展步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子
8、技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。1.2 步进电机的分类步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。(1)反应式步进电机(Variable Reluctance，简称 VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型；(2)永磁式步进
9、电机(Permanent Magnet，简称 PM)永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电；(3)混合式步进电机(Hybrid，简称 HB)混合式步进电机综合了反应式和永 磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低1.3 课题研究的目的和意义步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步
10、进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。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，当有脉冲输入时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。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印桂林电子科技大学实训说明书用纸2使用 PROTEL 设计电路图根据电
11、路图编写程序流程图使用 KEIL 编写程序调试做 PROTEUS 仿真生成.HEX 文件购买元件焊制硬件实物完成设计不成功成功不成功成功确定设计方案机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。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 系统总体方案2.1 系统总体规划本次实训主系统确定设计要求如下：在速度模式下控制电机的启动/停止，正转/反转控制。电机速度可调并显示转速。实现步进电机的细分控制。控制
12、器满足步进电机的幅频特性。总体规划流程如下图 1 所示图 1 总体规划流程图桂林电子科技大学实训说明书用纸32.2 器件介绍2.2.1 单片机 AT89S52主要性能 标准 AT89S52 内核和指令系统 片内 8kROM（可扩充 64kB 外部存储器） 32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM（可扩充 64kB 外部存储器） 3 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 3.5-12/24/33MHz 向上或向下定时计数器 改进型快速编程脉冲算法 6 个中断源 5.0V 工作电压 全双工串行通信口 布尔处理器帧错误侦测 4 层优先级中断结构自动地址识别 兼容 TTL 和 CM
13、OS 逻辑电平 空闲和掉电节省模式 PDIP(40)和 PLCC(44)封装形式图 2 AT89S52 性能图图 3 AT89S52 引脚图2.2.2 LCD1602 介绍桂林电子科技大学实训说明书用纸41602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形 n1602LCD 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字） 。 目
14、前市面上字符液晶绝大多数是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。图 4 LCD1602 引脚图1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚：VSS 为电源地 第 2 脚：VDD 接 5V 电源正极 第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度） 。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 第 5 脚：RW 为读写
15、信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第 6 脚：E(或 EN)端为使能(enable)端。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据端。 第 1516 脚：空脚或背灯电源。15 脚背光正极，16 脚背光负极。 2.2.3 UIN2003 驱动芯片ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅 NPN 达林顿管组成的驱动芯片。 经常在以下电路中使用，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。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 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接
16、处理原先需桂林电子科技大学实训说明书用纸5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 的封装采用 DIP16 或 SOP16 。ULN2003 可以驱动 7 个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是 500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。显示电路主要包括大型 LED 数码管 BSI20-1(共阳极，数字净高 12 cm)和高电压大电流驱动器 ULN2003，大型 LED
17、 数码管的每段是由多个 LED 发光二极管串并联而成的，因此导通电流大、导通压降高。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，他具有 7 个独立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达 500 mA，导通时输出电压约 1 V，截止时输出电压可达 50 V。ULN2003 的 17 脚为信号输入脚，依次对应的输出端为 1610 脚，8 脚为接地端。当驱动电源电压为+12 V 时，若要求数码管每段导通电流为 40 mA，则每段的限流电阻为 50。则一块 ULN2003 恰好驱动一个 LED数码管的 7 段。大数码管采用共阳极接法，低电平有效。锁存器输出的电平经 NPN 三极管 9014 反
18、相后，再由 ULN2003 放大后推动大数码管显示.3 硬件设计本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。3.1 控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，控制电路如图 5 所示。当按键的状态变化时，内部程序检测 P3.2 和 P3.3的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。根据步进
19、电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过按键控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。桂林电子科技大学实训说明书用纸6图 5 控制电路原理图3.2 最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统，素质用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。复位电路：使用了独立式键盘，单
20、片机的 P1 口键盘的接口。该设计要求只需 4 个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了 6 路独立式键盘。复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开关，使单片机进入复位状态，晶振电路用 30PF 的电容和一 12M 晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。如图 3-2 示。晶振电路：8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图 5 示。其电容值一般在 530pf,晶振频率的典型值为 12MHz,采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。
