4乘4矩阵键盘输入数码管显示四位数要点

综合课程设计三相步进电机控制器电路的设计

班级

学号

学生姓名

指导教师

课程设计任务书

一、设计说明

步进电机是工业过程控制及仪表控制中的主控元件之一，作为执行元件其特点为能够快速起启停、精度高且能直接接收数字量，由于这些特点使其在定位场合得到了广泛的应用。

设计一个三相步进电机控制器，使其能够控制步进电机的工作状态，如步进电机正、反转，步进电机的工作方式等。

用键盘设定步进电机的工作频率，工作方式，并用数码管显示设定值，可以通过按键来更换显示内容。用示波器观测三相的输出波形，并用数码管显示电路的工作状态。

二、技术指标

步进电机的工作频率为：<10kHz

三、设计要求

1．进行方案论证，提出一个合理的设计方案并进行理论设计；

2．对所设计的方案部分进行调试；

3．在选择器件时，应考虑成本。

4．设计测量调试电路。

四、实验要求

1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。

2．进行实验数据处理和分析。

五、推荐参考资料

1.谢自美. 电子线路设计·实验·测试. [M]武汉：华中理工大学出版社，2000年

2.阎石. 数字电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

3.童诗白、华成英.模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

4..付家才. 电子实验与实践. [M]北京：高等教育出版社，2004年

5．沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术. [M]北京：人民邮电出版社，1993年

六、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表

一、概述

本次毕设的题目是：三相步进电机控制电路的设计。本次毕设使用80C51单片机作为主控芯片，利用ULN2003A集成电路作为三相步进电机的驱动电路，采用单极性驱动方式，使三相步进电机能在（1）三相单三拍，（2）三相双三拍,（3）三相六拍三种工作方式下正常工作；能实现的功能有:启动/停止控制、方向控制；速度控制；用LED数码管显示工作方式。键盘输入工作频率。本次课程设计采用80C51单片机作为主控芯片，程序采用C语言来编写，驱动电路采用ULN2003A集成电路，显示采用7SEG-MPX4-CC,即四位共阴数码管，P0接段码，并用8 只1K欧左右电阻上拉。P2的4 位IO口接位选码。正转，数码管显示1。反转，数码管显示2.不转，数码管显示0.采用Proteus软件进行仿真。在Keil uVsuon3编程环境下编程和编译生成HEX文件，导入到80C51单片机，实现对各个模块的控制，实现我们所需要的功能。

本次课程是对毕业设计的基础设计，即实现4x4键盘输入，数码管显示输入数字的设计。

二、方案论证

1 步进电机驱动方案选择

方案1：使用功率三极管等电子器件搭建成功率驱动电路来驱动电机的运行。这种方案的驱动电路的优点是使用电子器件联接，电路比较简单，但容易受干扰，信号不够稳定，缺点是器件较大而不便电路的集成，使用时很不方便，联接时容易出错误。

方案2：使用专门的电机驱动芯片ULN2003A来驱动电机运行。驱动芯片的优点是便于电路的集成，且驱动电路简单，驱动信号很稳定，不易受外界环境的干扰，因而设计的三相步进电机控制系统性能更好。

通过对两种方案的比较，我选择方案2使用ULN2003A电机驱动芯片来作为驱动。

2 数码管显示方案选择

方案1：把所需要显示的数据通过专用的七段显示译码器（例如7448）的转换输出给LED显示屏。优点是输出比较简单，可以简化程序，但增加了芯片的费用，电路也比较复杂。

方案2：通过程序把所要的数据转化为七段显示的数据，直接通过单片机接口来显示，其优点是简化了电路，但增加了软件编写的负担。

通过对两种方案进行比较，我选择通过软件编写来输出显示信号，即单片机直接和显示器相连。

3 控制状态的读取

方案1：把按键接到单片机的中断口，若有按键按下，单片机接收到中断信

号，再通过软件编写的中断程序来执行中断，优点是接线简单，简化了电路，但软件编写较为复杂，不易掌握。

方案2：不使用中断，直接把开关分别接在单片机的接口上，通过查询端口信号来动作。

通过对方案的比较，我选择通过中断来读取端口信号。

三、控制系统的工作原理

1 三相步进电机控制工作原理

(1)步进电机的工作原理

图1 步进电机三相接线图

如图1所示，U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。

如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。

(2) 步进电机的工作方式

三相步进电机可以在三相单拍，三相双拍和三相六拍三种工作过方式下工作。在三相单三拍工作方式运行时，通电顺序为：A-B-C-A;三相双三拍工作方式运行时，通电顺序为：AB-BC-CA-AB;三相六拍工作方式运行时，通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A,因此要输出相应的控制字进行控制。

(3)步进电机的转向控制

如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。

(4)步进电机的启停控制

步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。

(5)步进电机的速度控制

脉冲的频率越高，电动机运转的速度越快，否则，速度就越慢。因而通过延时程序控制输出脉冲的频率，就可以实现对步进电机速度的控制。

2 控制系统的设计思路

此次我所设计的是一个三相步进电机控制系统，主要由单片机80C51，3相步进电机，7段数码管，及一些其他相关元件设计而成。可以通过开关来控制系统的启/停工作，当系统运转时，用开关来控制方向，并使相应的指示灯亮起，同样由开关来选择工作模式。运转时，用7段数码管来显示工作状态。最后根据思路所设计出来的硬件图设计相适应的软件。

3 控制系统的整体框图

图2为系统总体设计整体框图，单片机80C51，ULN2003A驱动芯片，三相步进电机，7段LED数码管等一些电路模块组成。

三相步进电

机驱动电路

80C51

单片机

LED显示电路

键盘输入电机

工作模式及频

率

图2 系统的整体框图