步进电机控制系统设计报告

课程设计报告单片机课程设计课程设计题目：步进电机无级调速系统设计姓名：学号：专业：班级：指导教师：10年4月29 日目录摘要随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。

研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。

采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。

软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。

本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制，通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机；同时，用 4个按键来对电机的状态进行控制，并用数码管动态显示电机的转速。

系统由硬件设计和软件设计两部分组成。

其中，硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动（集成达林顿ULN2003）模块、数码显示（SM420361K数码管）模块、测速模块（含霍尔片UGN3020）6个功能模块的设计，以及各模块在电路板上的有机结合而实现。

软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上，对速度进行实时监控显示。

软件采用在Keil软件环境下编辑的C语言。

本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

本控制系统的设计采用实验室中的试验箱单片机控制，通过人为按动各开关实现步进电机的开关，以及电机的加速及减速功能，另外还增加可设正反转的功能，具有灵活方便、适应范围广易懂的特点，能够满足实现自身实践动手能力提高的需求。

一、设计任务与要求本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。

本系统采用8279作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。

设计的步进电机控制系统应具有以下功能：1. 步进电机的启停控制；2．步进电机的正反转控制；3. 步进电机的加速控制；4. 步进电机的减速控制；5. 步进电机转速的动态显示。

二、硬件设计1、硬件电路框图图2.1 2、电路分析2.1单片机最小电路图2.1.1单片机最小电路由电源电路、复位电路、晶振电路组成：(1)电源电路（如图2.1.1）中C1（0.1uF的电容）、C2（47.uF的电容）起滤波作用，C1过滤高频信号，C2过滤低频信号。

图2.1.2(2)复位电路（如图2.1.2），当VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。

工作期间，K1闭合时，C放电；K1断开时，C又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。

图2.1.3(3)在晶振电路（如图3.1.3）中，晶振采用12M的晶振，实现1us的机器周期。

图2.1.42.2步进电机驱动电路图2.2ULN2003A资料：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，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

003 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。

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。

2.3键盘显示电路图2.38279特点：(1)可同时进行键盘扫描及文字显示；(2)键盘扫描模式；(3)传感器扫描模式；(4)激发输入模式；(5)8乘8键盘FIFO(先进先出)；(6)具有接点消除抖动，2键锁定及N键依此读出模式；(7)双排8位数或双排16位数的显示器；(8)右边进入或左边进入。

16位字节显示存储器。

8279引脚说明<1>DB0~DB7：双向数据总线。

在CPU与8279间做数据与命令传送。

<2>CLK：8279的系统时钟，100KHz为最佳选择。

<3>RESET：复位输入线。

输入HI时可复位8279。

<4>CS：芯片选择信号线。

当这个输入引脚为低电平时，可将命令写入8279或读取8279的数据。

<5>A0：缓冲器地址选择线。

A0=0时，读写一般数据；A0=1时，读取状态标志位或写入命令。

<6>RD：读取控制线。

RD=0时，8279输送数据到外部总线。

<7>WR：写入控制线。

WR=0时，8279从外部总线接收数据。

<8>IRQ：中断请求。

平常IRQ为LO，在键盘模式下，每次读取FIFO/SENSOR RAM的数据时，IRQ变为HI，读取后转为LO；在传感器模式下，只要传感器一有变化，就会使IRQ变为HI，读取后转为LO。

<9>SL0~SL3：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式(16对1)或解码模式(4对1)。

<10>RL0~RL7：键盘/传感器的返回线。

无按键被按时，返回线为HI；有按键被按时，该按键的返回线为LO。

在激发输入模式时，为8位的数据输入。

<11>SHIFT：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存(在BIT6)，内部有上拉电阻，未按时为HI，按时为LO。

<12>CNTL/STB：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与SHIFT以及其它按键的状态同一储存，内部有上拉电阻，未按时为HI，按时为LO。

在激发输入模式时，作为返回线8位数据的使能引脚。

<13>OUTA0~OUTA3：动态扫描显示的输出口(高4位)。

<14>OUTB0~OUTB3：动态扫描显示的输出口(低4位)。

<15>BD：消隐输出线。

一、电路原理图与说明图3.1四、软件设计流程图与源程序清单及注解4.1 软件设计流程图图4.1图4.2图4.34.2程序清单Z8279 EQU 8701H ;8279状态口地址D8279 EQU 8700H ;8279数据口地址PI EQU 8300HDIRE EQU 30H ;转的形式STAS EQU 31H ;相位SPED EQU 32H ;速度指针0~3SPEDED_VAL EQU 33HKEY_VAL EQU 34HDISPED_SBUF0 EQU 35HDISPED_SBUF1 EQU 36HDISPED_SBUF2 EQU 37HORG 0000HLJMP STARTORG 000BHLJMP INT0_PORG 001BHLJMP INT1_PORG 0100HSTART: MOV SP,#60HLCALL INTI8279LCALL INT_T0LCALL INT_T1MOV DIRE,#02HMOV SPED,#04HMOV STAS,#077HSETB EAINTI8279: MOV DPTR,#Z8279 ;MOV A,#0D3HMOVX @DPTR,AMOV DPTR,#Z8279;MOV A,#000H;MOVX @DPTR,AMOV DPTR,#Z8279;MOV A,#038;MOVX @DPTR,ANOPRETINT_T0: MOV TMOD,#011HMOV TH0,#0FFH;MOV TL0,#0FEHCLR PT0SETB ET0SETB TR0RETINT_T1: MOV TMOD,#011HMOV TH1,#04CH ;定时时间为50mSMOV TL1,#000HSETB PT1SETB ET1SETB TR1RETINT0_P: PUSH ACC ;堆栈LCALL LP0 ;步进电机控制程序EXIT0: MOV TH0,#0FFH ;重装定时初值MOV TL0,#0FEHPOP ACCRETILP0: MOV R7,SPEDED_VALLP1: LCALL DELAY ;延时决定速度DJNZ R7,LP1 ;相位转动MOV A,DIRECJNE A,#00H,LP2 ;顺时针转MOV A,STASRL AMOV STAS,AANL A,#0FHMOV P1,A ;相位输出LJMP LP5LP2: CJNE A,#01H,LP3 ;逆时针转MOV A,STASRR AMOV STAS,AANL A,#0FHMOV P1,A ;相位输出LJMP LP5LP3: CJNE A,#02H,LP5 ;停转LJMP LP5LP5: NOPRETDELAY: MOV R3,#20H ;延时子程序DELAY1: MOV R4,#04FHDJNZ R4,$DJNZ R3,DELAY1RETINT1_P: PUSH ACC ;堆栈LCALL KD_KB ;键盘扫描处理LCALL SBUF_DISPED0 ;LED灯显示LCALL LEDD_PROC0EXIT1: MOV TH1,#04CH ;重装定时初值MOV TL1,#000HPOP ACCRETIKD_KB: MOV DPTR,#Z8279 ;读状态字MOVX A,@DPTRANL A,#0FHJZ KD_KB1 ;表示有键按下MOV A,#40H ;读FIFO/传感器RAM命令MOVX @DPTR,AMOV DPTR,#D8279MOVX A,@DPTRANL A,#3FH ;键值最大为64,屏蔽不用位MOV KEY_VAL,ALCALL JP0KD_KB1: NOPRETKEY0: MOV A,KEY_VALUCJNE A,#0AH,KEY1LCALL KA0LJMP KEY8KEY1: CJNE A,#0BH,KEY2LCALL KEY0LJMP KEY8KEY2: CJNE A,#0CH,KEY8LCALL KEY0LJMP KEY8KEY8: NOPRETKA0: MOV A,DIRECJNE A,#00H,KA2 ;级数循环增加INC SPEDMOV A,SPEDCJNE A,#04H,KA1MOV SPED,#00HKA1: LCALL SPEDED_LOAD0LJMP KA5 ;切换转向KA2: MOV SPED,#00HMOV DIRE,#00HMOV SPEDED_VAL,#61HLJMP KA5KA5: NOPRETSPEDED_LOAD0: MOV A,SPEDCJNE A,#00H,SPEDED_LOAD1MOV SPEDED_VAL,#050HLJMP SPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD1: CJNE A,#01H,SPEDED_LOAD2MOV SPEDED_VAL,#020HLJMP SPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD2: CJNE A,#02H,SPEDED_LOAD3MOV SPEDED_VAL,#00AHLJMP SPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD3: CJNE A,#03H,SPEDED_LOAD8MOV SPEDED_VAL,#005HLJMP SPEDED_LOAD8SPEDED_LOAD8: NOPRETKB0: MOV A,DIRECJNE A,#01H,KB2 ;级数循环增加INC SPEDMOV A,SPEDCJNE A,#04H,KB1MOV SPED,#00HKB1: LCALL SPEDED_LOAD0LJMP KB5 ;切换转向KB2: MOV SPED,#00HMOV DIRE,#01HMOV SPEDED_VAL,#61HLJMP KB5KB5: NOPRETKC0: MOV A,DIRECJNE A,#02H,KC1 ;重复LJMP KC5KC1: MOV DIRE,#02H ;切换转向MOV SPED,#04HLJMP KC5KC5: NOPRETSBUF_DISPED0: MOV A,SPEDMOV DPTR,#SPEDED_TABMOVC A,@A+DPTRMOV B,#100DIV ABMOV DISPED_SBUF0,AMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV DISPED_SBUF1,AMOV DISPED_SBUF2,BMOV DPTR,#Z8279 ;写显示命令:且数码管地址自动加1MOV A,#090HMOVX @DPTR,AMOV R0,#DISPED_SBUF2MOV R6,#03HSBUF_DISPED1: MOV DPTR,#LEDSEG_TABMOV A,@R0MOVC A,@A+DPTRMOV DPTR,#D8279MOVX @DPTR,ADEC R0DJNZ R6,SBUF_DISPED1SBUF_DISPED2: NOPRETLEDSEG_TAB: DB03FH,006H,05BH,04FH,066H,06DH,07DH,007H,07FH,06FH ;'0,1,2,3,4,5,6,7,8,9'DB 0BFH,086H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,087H,0FFH,0EFH ; 加点的数值DB 000H;灭码SPEDED_TAB: DB 010H,050H,090H,0F0H,#000HEND五、心得体会经过这么长时间的努力终于将课程设计完成了，在这次设计中，我们的电路知识得到了很好的补充和巩固，还使我提高了将理论知识运用到实际中的能力。