单片机课程设计之异步电机

摘要

单片机体积小，功能强，成本低，因此在控制系统中得到了广泛的应用。本文采用单片机控制步进电动机的方案，基于8031小系统控制步进电动机，可以从键盘输入步进电动机的相关数据，步进电动机根据这些数据来进行工作，并可以控制3相或4相步进电动机实现电机的启动，停止，正转，反转，及以不同的速度运行。整个系统中有键盘输入电机的启动、停止、正反转及速度。设计中软件部分采用汇编语言编程，形成的可执行文件运行速度快，占用系统资源少，并可以直接控制硬件。硬件部分用Protel 画出了硬件电路原理图。整个系统装置简单，运行稳定，成本低，具有实时性和交互性的特点。

关键词：单片机，步进电动机，系统，硬件

摘要 (1)

第一章设计目标 (3)

1.1 设计目标前瞻 (3)

1.2 设计目标框架 (4)

第二章设计过程 (5)

2.1单片机选用 (5)

2.2 8031引脚介绍 (5)

2.3 8031单片机小系统构成 (8)

2.3.1 单片机时钟电路 (8)

2.3.2 复位电路 (10)

2.2.3掉电保护电路 (11)

第三章设计结果 (12)

3.1 控制方式控制模型 (12)

3.2步进电机与单片机的接口电路 (12)

3.3主程序流程图 (14)

3.4 源程序 (15)

结论 (16)

参考文献 (17)

第一章设计目标

1.1 设计目标前瞻

通过所学知识与课本上讲述的步进电机的内容，设计出基于单片机控制的步进电动机控制系统，通过步进电机与单片机的接口电路实现电动机的三相六拍步进，有内部时钟和上电复位保护，最后通过编程实现软件的控制。

通过本课程设计，希望我能初步了解到一个课题设计的诞生，到这个课题的完成，其中要经历些什么，也为不久后的毕业设计做好准备，打好基础，希望能让同学们通过自己在大学四年学到的知识来解决设计当中所遇到的问题，能充分利用好自己手里所拥有的条件。培养正确的设计思想，并通过运用设计标准、规范、图册、和查阅有关技术资料去进行理论计算、结构思考、写相关说明性材料，培养我们电路设计的基本技能和工程设计工作者的基本素质锻炼自己独立动手的能力，开阔了自己的见识。通过本课题设计对单片机，微型计算机控制课程有了更深刻的了解，也更加熟悉了Protel、单片机KEIL等软件。

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。

1.2 设计目标框架

典型步进电机控制系统如图所示：

图1 步进电机控制系统框图

变频信号源是一个脉冲频率由几赫兹到几十千赫兹可连续变化的信号发生器，它为脉冲分配器提供脉冲序列。脉冲分配器则根据方向控制信号把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上进行放大，以驱动步进电机的转动。在这种控制方式中，控制步进电机运转的时序脉冲完全由硬件产生，对于不同相数的步进电机及同一型号电机的不同控制方式需要不同的逻辑部件。所以其通用性差，成本高。

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图2 单片机控制步进电机原理图

如果用单片机来控制步进电机，则可以很方便的使不同相数的步进电机按任意一种可行的通电方式进行控制。典型的单片机控制步进电机的系统原理框图如上图所示：

在该控制系统中，单片机的主要作用是提供步进电机的时序脉冲串，每当步进电机从脉冲输入线上得到一个脉冲，便沿时序脉冲所确定的方向进一步。

第二章设计过程

2.1单片机选用

设计中的系统对控制精度要求较高，控制较复杂，因此采用单片机控制。单片机将微处理器、存储器和输入输出接口电路集中在一块集成电路芯片上，它具有以下特点：

（1）片内存储容量小。受集成度限制，片内存储器容量较小，但可在芯片外部扩展；

（2）可靠性好。芯片通常是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰的能力优于一般的CPU；

（3）易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件，片内有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统；

（4）控制功能强。为了满足工业控制要求，单片机的指令系统中均有极丰富的条件分支转移指令、较强的I/O逻辑操作以及位处理功能；

（5）系统内无监控或系统管理程序。

2.2 8031引脚介绍

8031为HMOS工艺制造的双列直插DIP封装，共40个引脚，分为四类：电源，时钟，控制，I/O引脚。

图3 8031各引脚

电源：VCC（40）芯片电源，（20）VSS：接地端

时钟：XTAL1（19），XTAL2（18），晶体震荡电路反向输入端和输出端；

控制线：共四根，其中三根为复用线。

RST/VPD（9脚）：单片机复位信号输入端。振荡器正常运行期间，

两个机器周期的高电平将会使单片机复位，典型的复位电路是在RST引脚与VCC引脚间接一个约10μf的电容，在RST引脚与VSS 引脚间接一个约8.2kΩ的电阻，当VCC掉电时，VPD则在可规定电压范围内向内部RAM提供备用电源，以保存内部RSM的信息。ALE/PROG（30脚）：允许地址锁存信号输出。访问外部存储器期间，ALE信号的负跳变，将P0口上的低8位地址送入锁存器。即使不访问外部存储器，ALE仍以1/6振荡器频率的频率输出，因而可用来作为外部时钟或定时之用（但访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲）。PROG为编程脉冲输入端，对EPROM型单片机编程时，此引脚输入编程脉冲。

PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信号。在外部程序存储器读指令期间，每个机器周期PSEN两次有效，但在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部存储器时，也不产生PSEN 信号。

EA/VPP（31脚）：内外部程序存储器选择信号。当EA接高电平时，访问内部存储器，但是程序计数器（PC）值超过片内程序存储器地址时，将自动转向执行外部程序存储器中的程序。若EA保持低电平，就只访问外部程序存储器。

I/O口引脚：

P0.0~P0.7（39~32脚）：P0口是一个8位漏极开路双向并行I/O 端口，访问外部存储器时它是分时复用的数据和地址总线，不扩展外部存储器时它用作双向I/O口，在EPROM编程时它接受指令字节，而在验证程序时则输出指令字节，它能驱动8个LS TTL 负载。

P1.0~P1.7（1~8脚）：P 1口是一个8位准双向并行I/O端口，在