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基于51单片机的步进电机控制摘要 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、两档速度和状态显示的目的，使步进电机控制更加灵活。步进电机驱动芯片采用ULN2803，ULN2803具有大电流、高电压，外电路简单等优点。利用四位数码管增设电机状态显示功能，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、ULN2803一 步进电机与驱动电路1.1 什么是步进电机 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。1.2 步进电机的种类步进电机分永磁式（PM）、反应式（VR）、和混合式（HB）三种。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。1.3 步进电机的特点1精度高 一般的步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反 转控制及制动等，这是步进电动机最突出的优点2过载性好 其转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合；3控制方便 步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比较明显，这样就给计算机控制带来了很大的方便，反过来，计算机的出现也为步进电机开辟了更为广阔的使用市场；4整机结构简单 传统的机械速度和位置控制结构比较复杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。1.4 步进电机的原理图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。图1 它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：ABCD或ADCB。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：L360 PN式中：L为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15，表示电机转一圈需要24步。1.5 步进电机的驱动 混和步进电机的工作原理 在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。步数Q1Q2Q3Q41101021001301014011051010表1二 方案设计与论证2.1键盘设计该系统中只运用到三个控制按钮，即 “正反”，“换挡”，“启停”，由于按钮较少，所以采用独立键电路，这种按键电路的按键结构相对行列式按键电路更简单，更使人易懂。2.2显示电路设计如图2.31，采用LED数码管动态显示数据与个项参数，方法简单，容易控制，成本低。设计如下图 P00P01P02P03P04P05P06P07P25P26P27AT89C51StcP24IN 1IN 2IN 3IN 4OUT 4OUT 3OUT 2OUT 1ULN2803abfcgdeLED1aabbcfdcegfdgeabfcgdeabfcgdehLED2LED3LED4hhhh 图2.31 2.4驱动电路设计驱动电路可分为：三极管直接驱动（图3），采用斩波恒流驱动方式（图2.41）和芯片驱动电路等。驱动电路的性能直接关系到步进电机走步的准确与稳定。本电路采用驱动芯片ULN2803。ULN2803是一种大电流高电压型器件，外电路简单（图2.42）。 图2.41图2.42三 电路设计3.1、设计要点和软硬环境1、步进电机的设计要点和软硬件环境步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。即步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。硬件方法是采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制；而软件方法是用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方法可简化电路，降低成本。在用软件控制时，主要设计要点如下：l 判断旋转方向；l 按相序确定控制字；l 按顺序输入控制字；l 确定控制步数和每一步的延时时间。由于单片机的驱动电流一般都比较小，不能直接驱动电机工作，所以单片机的I/O口输出必须接驱动电路，即功率驱动，才得以控制电机正常工作。控制框图如下图所示：控制按钮单片机AT89c51功率驱动步进电机数码管显示模块（2）、相关参数设定： 这里采用四相六线步进电机，这款步进电机的驱动电压12V，步进角为 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 个脉冲完成。其相序A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。所以其正转控制脉冲为：01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h；反转控制脉冲为：01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。单片机的晶振为12MHZ；（3）、系统电路图： 一、单片机最小系统的硬件原理接线图：1、 接电源：VCC（PIN40）、GND（PIN20）。加接退耦电容0.1uF2、 接晶体：X1（PIN18）、X2（PIN19）。注意标出晶体频率（选用12MHz），还有辅助电容20pF3、 接复位：RES（PIN9）。接上电复位电路，以及手动复位电路，分析复位工作原理4、 接配置：EA（PIN31）。说明原因。二、单片机内部I/O部件：(所为学习单片机，实际上就是编程控制以下I/O部件，完成指定任务)1、 四个8位通用I/O端口，对应引脚P0、P1、P2和P3； 2、 两个16位定时计数器；（TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1）3、 一个串行通信接口；（SCON，SBUF）4、 一个中断控制器；（IE，IP）根据以上的方案比较与论证确定总体方案，确定硬件原理图。原理图如下：图103.2主要器件资料AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定 1288位内部RAM32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路寿命：1000写/擦循环ULN2803步进电机控制器ULN2803是一种大电流型高电压器件 ,步进电机控制器。内部电路如图11图11四 系统软件设计4.1程序流程图4.1电机是否工作正反转显示正转显示反转是否停机是否停机处理电机速度处理电机速度停机返回开始显示清零NYN N反转正转YYY开始始程序初使化串口是否发送数据调用子程序结束 图4.14.2程序设计根据要求，可以将程序分为以下几个部份：（1） 键盘输入程序设计 本系统使用的键盘较少，因此采用独立式键盘接口设计。独立式键盘适用于按键数量较少的场合。独立键盘工作原理：通过上拉电阻接到+5V上。无按键，处于高电平状态，有键按下电平为低。在消除抖动影响上是可以采用了软件消抖方法：在第一次检测到有键按下时，执行一段延时子程序后（约5ms），再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。 （2） 步进电机运行步数控制程序 此方案采用单相和双相交差通电处理方式。此方法具有运行速度稳定，运行步数准确无误等优点。第五章 调试总结5.1操作控制：本电路经调试符合题目要求，各项技术指标均达到设计的目的。具体操作控制方法如下：1、当电机启停按钮时，步进电机根据制定默认状态开始转动；2、当电机再启停按钮时，步进电机停止转动；3、当电机换挡按钮时，步进电机速度快速转动；4、当电机再换挡按钮时，步进电机速度缓慢转动；5、当电机正反按钮时，步进电机反转；6、当电机再正反按钮时，步进电机正转；5.2 设计过程中遇到的主要问题以及解决办法1、仿真时数码管显示有闪烁，在程序中多加上几次display（）函数即可。2、步进电机在仿真调试的时候，出现往返转的情况，即不能正常转动，PROTEUS中的步进电机MOTOR -STEPPER，不知道具体型号，即不知道其内部接线结构，经过反复的调试，才得以解决问题。在仿真调试成功的前提下，进行硬件调试的时候，出现步进电机不转的情况，这是因为仿真的步进电机和硬件的步进电机是两个不同的型号，不同步进电机所允许的最快转动速率是不同的，在设置延时程序的时间参数时，一旦超过此值，电机就不能启动。所以硬件调试时，需要重新设置延时程序的时间参数，问题才得以解决。3、 第一次烧写程序时烧不进去，不知如何解决。驱动也装好了，各方面都没问题就是不知道问题出在哪里。5.3 心得体会步进电机的控制可以用硬件，也可以用软件通过单片机实现。本系统采用了软件方法，即用单片机产生控制脉冲来控制步进电机的运行状态，这种方比采用硬件方法，即采用脉冲分配器芯片进行通用换相控制，电路更加简单，成本更低。在做本次设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的。在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：C语言、模拟和数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。设计结束了，但是从中得到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。此次设计更锻炼了我的毅力，我觉得做任何事情要善始善终，不要中途放弃，只要自己认真的去对待，再难的问题也能找到办法解决。最后感谢张老师在我遇到困难时，给予我们的建议与鼓励。附录一:引用文献1 何丽民，单片机初级教程，北京航空航天大学出版社；2 沙占友，王彦朋，孟志永，单片机外围电路设计，电子工业出版社；3 童诗白，华成英，模拟电子技术基础，北京高等教育出版社；4 康华光，陈大钦，电子技术基础，北京高等教育出版社；5 黄继昌，张海贵，郭继忠，实用单元电路及其应用，人民邮电出社；6 谢宜仁，单片机实用技术问答，人民邮电出版社；7 张迎新 单片机初级教程单片机基础，北京航空航天大。附录二：单片机源程序/* /*/ /* All CopyAight 2012 黄继鹏 */ /* 南京林业大学 机械电子工程学院 */ /*/*我是分割线* P0口控制段选 p1步进电机 P2控制位选独立键盘 P3.0P3.2数码管的第一位为正反转标志位0：正转 1：反转数码管的第二位为速度标志位 0：单八拍 1：双四拍数码管的第三位为开关标志位0：关 1：开 *我还是分割线*#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint xms);/延时子函数void keyscan();/键盘检测子程序void display();sbit key1=P30;/正反转选择 sbit key2=P31;/速度选择sbit key3=P32;/执行键uchar zx,k,sudu,bu;int n=0,m=4;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,;/数码管显示编码/* 单双八拍工作方式： * A-AB-B-BC-C-CD-D-DA (即一个脉冲,转 3.75 度)*/ uchar code FFZ=0x11,0x33,0x22,0x66,0x44,0xcc,0x88,0x99; /反转uchar code FFW=0x99,0x88,0xcc,0x44,0x66,0x22,0x33,0x11; /正转/* 单四拍工作方式： * A-B-C-D (即一个脉冲,转 7.5 度)*/ uchar code shuangz=0x88,0x22,0x44,0x11;uchar code shuangw=0x11,0x44,0x22,0x88;/* 单四拍工作方式： * A-B-C-D (即一个脉冲,转 7.5 度)*/uchar code danz=0x88,0x22,0x44,0x11;/uchar code danw=0x11,0x44,0x22,0x88;void main() TMOD=0x01; EA=1; ET0=1; TH0=-1000/256; TL0=-1000%256; TR0=1;while(1)keyscan();display();/if(zx=1) qudong();/if(x=0) zx=0;void keyscan()if(key1=0)/正反转选择delay(5);if(key1=0)k+;if(k=2) k=0;while(!key1) display();if(key2=0)/速度选择delay(5);if(key2=0)sudu+;if(sudu=2) sudu=0;while(!key2) display();if(key3=0)/执行键delay(5);if(key3=0)zx+;if(zx=2) zx=0;while(!key3) display();void time0() interrupt 1TH0=-1000/256;TL0=-1000%256; if (zx=1) if (n=m) if(k=0)/步进电机正转if(sudu=0)/八拍for(bu=4;bu0;bu-)P1=FFZbu;delay(2);n=0;display();if(sudu=1)/双四拍for(bu=4;bu0;bu-)P1=shuangzbu;/delay(2);n=0;display();if(k=1)/步进电机反转if(sudu=0)/八拍for(bu=8;bu0;bu-)P1=FFWbu;delay(2);n=0;display(); if(sudu=1)/双四拍for(bu=4;bu0;bu-)P1=shuangwbu;/delay(2);n=0;display(); n+;else n=0;void delay(uint xms)uint i,j;for(i=110;i0;i-)for(j=xms;j0;j-);void display() /显示子函数P0=tablek;/正反转标志位P2=0x01;/选通第一位 0000 0001delay(3);P0=tablesudu;/速度标志位P2=0x02;/选通第二位 0000 0010delay(3);P0=tablezx;/开关标志位P2=0x04;/选通第二位 0000 0100delay(3);P2=0x00;其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。二培训的及要求培训目的安全生产目标责任书为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：一、目标值：1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。2、现金安全保管，不发生盗窃事故。3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。4、安全培训合格率为100%。二、本单位安全工作上必须做到以下内容： 1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。 2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。 3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。 4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。 5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。 6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。 7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。 8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。 10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。 三、 安全奖惩： 1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。 2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。二培训的及要求培训目的安全生产目标责任书为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：一、目标值：1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。2、现金安全保管，不发生盗窃事故。3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。4、安全培训合格率为100%。二、本单位安全工作上必须做到以下内容： 1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。 2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。 3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。 4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。 5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。 6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。 7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。 8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。 10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。 三、 安全奖惩： 1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。 2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落16