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1、华 北 水 利 水 电 学 院 单片机课程设计 步进电机设计说明书 2012 2013 学年 第 2 学期 专 业班 级： 学号： 姓名： 指 导教 师：雷冀南 院、系 ：机械学院 教研室：机械制造教研室 课程设计任务书 课程设计名称单片机应用基础课程设计 专业班级 （学生人数） 机自 20100622010070 （96 人） 指导教师雷冀南 本学期承担 相应课程教 学任务情况 单片机应用基础 理论： 26 学时 实验： 6 学时 课程设计目的 及任务 单片机应用基础课程设计是学好本门课程的又一重要实践性教学环 节，课程设计的目的就是配合本课程的教学和平时实验，以达到巩固消化课 程的内容，进
2、一步加强综合应用能力及单片机应用系统开发和设计能力的训 练，是以培养学生综合运用所学知识的过程，是知识转化为能力和能力转化 为工程素质的重要阶段。 课程设计任务： 根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元器 件，进行系统硬件电路设计和软件编程，根据系统制作并调试系统电路板， 使之实现任务要求。有关参数选择要求符合国家标准。具体设计内容如下： 课程设计要求 要求： 1、利用 proteus 软件设计各模块工作原理图，并进行模拟仿真； 2、控制程序设计、调试及实现： （1）根据要求，写出完整的程序流程图； （2）将设计程序输入、汇编，排除语法错误，生成*.OBJ 文件； （3）利用 prot
3、eus 软件进行电路模拟仿真和调试 4、设计硬件电路并烧写程序，调试后系统能按照要求工作 5、写出课程设计说明书（统一格式） 课程设计目标 1课程设计说明书一份； 2系统工作原理图一张； 3汇编源程序（或者C语言源程序） 4硬件电路板调试通过 参考文献 及资料 1 李广第主编单片机基础第一版北京航空航天大学出版社 北京 1994 年 6 月 2 王修才主编单片机接口技术第一版复旦大学出版社上海1995 年 10 月 3 周志德主编单片机原理及应用第一版高等教育出版社 4 李运华主编机电控制第一版北京航空航天大学出版社 注：此套表填写一式三份，于课程设计前一周分别交至教学督导团、教务科、教研室
4、课程设计计划书 周次日期设计内容具体要求 设计教室 指导时间段 8 2013.04.15 准备阶段：复习相关知识，熟悉相 关软件 熟悉电路符号及原理，能用 PROTEUS 设计印刷电路板图， 熟悉各种电子元件 9：3011：30 8 2013.04.16 总体方案设计 明确设计任务和要求，设计思 路清晰；研究并制定出总体设 计方案，加以论证，并提交总 体设计方案报告 9：3011：30 8 2013.04.17 各部分电路设计和实现 绘 制 工 作 原 理 图 ， 利 用 PROTEUS 软件对各部分电路 进行模拟仿真 9：3011：30 8 2013.04.18 8 2013.04.19 汇
5、编或 C 语言源程序设计 绘制程序流程图，根据程序流 程图编写源程序 9：3011：30 9 2013.04.22 9 2013.04.23 程序调试 利用软件 WAVE6000 检查源程 序的语法错误，并进行软件仿 真，验证程序的正确性 9：3011：30 9 2013.04.24 系统调试 装入系统源程序，进行硬件仿 真和系统调试 9：3011：30 9 2013.04.25 9 2013.04.26 整理设计资料，提交设计成果 课程设计说明书一份； 工作原理图一张； 汇编源程序清单（或者C 语言 源程序）； 硬件调试成功 9：3011：30 注：指导教师在课程设计期间每天指导时间不少于2
6、 小时。 教学院长：教研室主任： 填表人：雷冀南填表时间：2013 年 04 月 13 日 步进电机课程设计说明书 目录 第一章课程设计整体认识及规划. 5 第二章电路所用主要元件认识. 6 第三章画电路原理图 . 11 第四章编写程序 . 12 第五章调试模拟达到效果. 13 第六章焊接电路板 . 13 第七章程序烧写 . 14 第八章总结 . 14 参考文献 . 14 附页附图 . 15 附录 1 程序流程图 附录 2 C51 程序 附录 3 电路原理图 摘要本课程设计的内容是利用51 单片机，达到控制步进 电机的启动、停止、正转、反转、速度和状态显示的目的，使步进电 机控制更加灵活。步进
7、电机驱动芯片采用ULN2003A ，ULN2003A 具有 大电流、高电压， 外电路简单等优点。利用数码管增设电机速度状态 显示功能，各项数据更直观。实测结果表明，该控制系统达到了设计 的要求。 关键字 ：步进电机、数码管、 51单片机、 ULN2003A 、设计过程 第一章课程设计整体认识及规划 1.1 课程设计目的 单片机应用基础课程设计是学好本门课程的又一重要实践性教学环节， 课程设计的目的就是配合本课程的教学和平时实验，以达到巩固消化课程的内 容，进一步加强综合应用科研的基本技能，是以培养学生综合运用所学知识的过 程，是知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要阶段。 1.2 课程设计任
8、务 根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元器件，进行系统硬件电 路设计和软件编程， 根据系统制作并调试系统电路板，使之实现任务要求。 有关 参数选择要求符合国家标准。具体设计内容如下： 1.能控制电机正反转，有正转和反转按钮。 2.在一定范围内可控制转速，有加速和加速按钮,用七段码显示。 3.可在不断电源的情况下暂停，有一个暂停按钮。 4.电动机处于哪个速度状态观察七段码数值，也可直观的观察电动机的旋转 状态比较。 1.3 单片机应用系统的设计步骤 1. 分析设计任务，构思需要达到的效果，了解步进电机的一些知识。 2. 设计系统工作原理图，利用PROTEUS 软件绘制系统工作原理图；
9、3. 购买电路所需的电子元件。 4. 系统控制程序设计、调试及实现： （1）根据要求，写出完整的程序流程图； （2）了解 C51 编写语句，将设计程序输入、汇编，排除语法错误，生成*.OBJ 文件； （3）按所设计的原理图，焊接电路板，检查无误； （4）将目标文件传送到芯片上，执行并运行调试该程序，最终 实现控制要求 单片机的应用系统随着用途不同，它们的硬件和软件结构差别很大，但系 统设计的方法和步骤基本上是相同的。一般包括总体设计、 硬件设计、软件设计、 仿真调试、固化程序、应用系统独立运行等步骤。 第二章电路所用主要元件认识 2.1 AT98S51芯片认识 该芯片是我们上课时以此为例讲的，
10、所以也算很熟悉， 各个引脚功能课本 上一讲很清楚了，在这就不再多赘述。展示一下它的引脚，实物引脚就这样， 焊接电路时需注意！ 2.2 ULN2003A 芯片认识 ULN2003A 芯片是一个 7 路反相器，即第1 到 7 引脚输入端为低电平时， 对应输出端第 16 到 10 引脚输出为高电平，反之亦然。8 引脚接地，第 9 引脚 COM 提供工作电压，如proteus 中图（ 3） ，实物图中引脚编号是逆时针（8 号 在左下， 9 号在右下）。本设计中引脚1、2、3、4 分别与 AT89s51芯片的 P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口相连接，规定正转为逆时针方向的转 动引脚 16、15、
11、14、13 连接到 A、B、C、D 上所示，电动机中间引脚直接与 5V 电压相接，目的是驱动电动机，使其正常工作 2.3 七段码显示管认识 七段码是大家比较熟悉，实质上就是一些二极管组合，这里用的是共阳极 的七段码。课本上还有接法及码值表。本设计由P0口控制显示，用共阳极的。 从 P0.0-P0.7 连接 a-f 引脚，com接电源。 LED 是发光二极管的英文缩写，LED 显示器是由发光二极管构成的，它在单片还机中的应用非常普遍。通常所说的 LED 显示器由 7 个发光二极管组成，其排列状如图所示。此外，显示器中还有 一个圆点型发光二极管以dp 表示，用于小数点表示。通过七个发光二极管亮暗
12、的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。LED 显示中的发光二极 管共有两种连接方法 : 共阳极接法： 把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极 接+5V。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则 不亮。 共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地。 这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不亮。 十六进制码值表如下： 字型共阳极代码共阴极代码字型共阳极代码共阴极代码 0 C0H 3FH 9 90H 6FH 1 F9H 06H A 88H 77H 2 A4H 5BH B 83H 7CH 3 B0H 4
13、FH C C6H 39H 4 99H 66H D A1H 5EH 5 92H 6DH E 86H 79H 6 82H 7DH F 8EH 71H 7 F8H 07H 灭 FFH 00H 8 80H 7FH 2.4 步进电机 一、步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：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（及步进角）。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；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达 到调速的目的。 进电机工作原理 二、步进电机是工业过程控制及仪表中常用的控制元件之一，例如
14、在机械装 置中可以用丝杠把角度变为直线位移，也可以用步进电机带螺旋电位器，调节电 压或电流， 从而实现对执行机构的控制。步进电机可以直接接收数字信号，不必 进行数模转换， 用起来非常方便。 步进电机还具有快速启停、 精确步进和定位等 特点，因而在数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。 三、步进电机实际上是一个数字/ 角度转换器，三相步进电机的结构原理如 图所示。从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A、A、B、B、C、 C ， 相邻的两个磁极之间夹角为60， 相对的两个磁极组成一相 （A-A， B-B， C-C ） ，当某一绕组有电流通过时， 该绕组相应的两个磁极形成N极
15、和 S极，每 个磁极上各有五个均匀分布矩形小齿，电机的转子上有40 个矩形小齿均匀地分 布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为9。 当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，如果 这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下， 转子将转动一定的 角度，使转子和定子的齿相互对齐。 由此可见，错齿是促使步进电机旋转的原因。 四 、 步 进 电 机 以 三 相 六 拍 （ 三 相 双 拍 ） 方 式 工 作 ， 若 按 AAB BBC C CA A次序通电为正转， 则当按 AAC C CB BBA A次 序通电为反转。三相三拍（三相单拍）有两种ABC A，AB BC CA AB正
16、 转，反转则反序。 五、速度计算 1.输出代码的变化周期T 控制了电机的运转速度： n=60/（T.N） 式中： n 步进电机的转速（转 / 分） ； N 步进电机旋转一周需输出的字节数； T 代码字节的输出变化周期。 2.步角 =360o/(MZC) M 步进电机的相数； Z 步进电机转子齿数； C 单双拍 3.转数 n=60f/(MZC) f通电脉冲频率 注意：步进电机转数受相数、起转频率、载荷影响等只能在一定范围内。 第三章画电路原理图 3.1 电路图雏形图 从最简单的电路画，只用开关闭合，来控制电机转动。 编写修改的程序调试，简单模拟。 3.2 电路发展图 加上发光二极管，画电路图如下
17、 3.3 电路完善图 改用数码管显示速度， 因为开关按开与闭合， 直接由手控制， 眼观察， 不需再灯显示。 原理图设计完成进行程序编写。 第四章编写程序 老师建议 C语言编写，用单片机汇编语言编习惯了且C语言编汇编语言的程 序还没学过。必须得看一下课本，了解到C51 （C语言编写程序用来编写单片机 汇编语言的调用函数） 的语句及用法。 我个人觉得编简单的程序用单片机汇编语 言，编复杂的用 C51语言，单片机语言执行占cpu 少，C51占的多。 先编一个简单使电机转的程序， 我刚开始想让电机高速运转， 结果电机却几 乎不转、一直抖。用软件仿真可见到P2口变化不均，好像芯片达不到那种变化 似的。只
18、有加上延时程序，降低变化速度。为此我几乎试了一天，变换不同的延 时，从 10ms左右才达到好的效果。 最终使程序实现正、反转，加减速，急停，显示的功能。 4.1 旋转程序 其实挺简单的就是让接电机驱动的P2.0P2.3只有一个不同电平在这四相来 回安循环即可，也可双相。 例如： for(i=0,P2=0x01;i #define uint unsigned int void stop(); void fun(); fast(int n); slow(int n); void delay(uint m); sbit k1=P10; sbit k2=P11; sbit k3=P12; sbit k
19、4=P13; sbit k5=P14; uint seg=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; uint spb=240,100,60,50,30,20,15,12,10,9; int n=0,m; 电机是否停止 正反转 加减速显示速度 加减速显示速 是否停机 处理电机速度处理电机速度 停机返回 开始 N N 正转 Y Y Y 开始 程序循环 是 否 有 键 按下 调用子程序 结束 void main() ；主程序 while(1) P0=segn; stop(); fun(); void stop() ；紧急制动子程序 if(k
20、1=0) delay(10); if(k1=0) while(!k1) P2=0xff;P0=0x8c; P0=segn; void fun() ；正反转子程序 int i; if(!k2) delay(10); while(!k2) stop(); if(!k4) n=fast( n); if(!k5) n=slow(n); for(i=0,P2=0x01;i1; if(!k4) n=fast( n); if(!k5) n=slow(n); fast(n) ；加速子程序 delay(10); while(!k4 P0=segn; delay(150); return(n); void delay(m) ；延时子程序 int i,j; for(i=0;im;i+) for(j=0;j1000;j+); 电路原理图