基于51单片机的步进电机的控制设计

单片机应用系统设计报告

设计题目： 步进电机控制器设计 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间： 2016年12月

一、 设计要求及方案 1、设计要求

可以实现步进电机正转和反转控制及速度的控制，同时实现步进电机步数的控制。

2、设计方案

本次设计采用ATC51单片机控制一个四相步进电机。单片机输出脉冲序列，驱动步进电机转动；并设置开关、按键电路，来控制步进电机的2挡转速，即加速、减速；以及步数的变化，即四拍驱动方式、八拍驱动方式，同时控制步进电机的转动方向，即正转、反转。

设计方案总体框图： 单片机最小系统 ATC51 开关、按键电路

单片机 单片机最小系统 步进电机 二、 步进电机简介 1、步进电机工作原理

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。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。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，在各个国民经济领域都有应用。

2、步进电机磁力方式选择

步进电机的励磁方式主要分为全步励磁和半步励磁两种，其中全步励磁又有一相励磁和二相励磁之分，半步励磁又称一-二相励磁。

一相励磁：在每一瞬间，步进电机只有一个线圈导通。每送出一个励磁信号，步进电机旋转1.8°，这是三种励磁方式中最简单的一种。其特点是：精确度好、消耗电力小，但输出转矩小，震动较大。

二相励磁：在每一瞬间，步进电机有两个线圈同时导通。每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8°。其特点是：输出转矩大，振动小。

一-二相励磁：为一相励磁与二相励磁交替导通的方式。每送一个励磁信号，步进电机旋转0.9°。其特点是：分辨率高，运转平滑。

本次设计，八拍驱动时采用一相励磁方式，四拍驱动时采用二相励磁方式。 八拍磁力顺序表： 时序 置1 置0 1 A - 2 - D 3 B - 4 - A 5 C - 6 - B 7 D - 8 - C

四拍磁力顺序表:

时序 置0 置1

1 D A,B 2 A B,C 3 B C,D 4 C D,A 三、硬件电路设计 1、晶振电路设计

ATC51单片机各功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊，一拍一拍地工作。本次设计时钟电路采用内部时钟方式。ATC51内部有一个用于构成震荡器的高增益方向放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端引脚为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。本次设计选择振荡频率为12MHZ的石英晶体。

图 晶振电路

2、复位电路设计

ATC51的复位是由外部的复位电路实现的。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复 位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，

施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电复位和按钮复位两种方式，本次设计采用上电复位方式。

图 复位电路

3、开关、按键电路

本次设计采用开关、按键电路来控制步进电机的正转、反转、加速、减速、步数。并且由单片机的P2口对其进行控制。

图 开关、按键电路

4、驱动电路设计

本设计采用ULN2003作为驱动器驱动步进电机运转，把单片机P1口输出的脉冲信号转化为 脉冲电流，驱动步进电机运转。

图 驱动电路

5、总电路图

图 总电路图

四、软件程序设计 1、程序设计思路

通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成2个部分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器中断器部分，控制按键标志位值的改变，从而可以控制主程序中步进电机转速、转向、步数。

2、程序框图 Flag 置0 开始 初始化 访问标志位 增加延时输出一拍脉冲 减少延时Flag 置1 延时 否 是 速度变快? 否 是 改变步数? 3、程序

#include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int

uint temp=4,flag=0; int k=100,m=0;

void delay(uint z) {

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--); }

sbit P2_5=P2^5; sbit P2_6=P2^6; sbit P2_7=P2^7;

uchar check_key1() {

uchar n;

P2=0xff; n=P2;

if(n!=0xdf)

return 1; else

return 0; }

uchar check_key2() {

uchar n;

P2=0xff; n=P2;

if(n!=0xbf)

return 1; else

return 0; }

uchar check_key() {

uchar n;

P2=0xff;

n=P2;

if(n!=0x7f)

return 1; else

return 0; }

void timer0() interrupt 1 {

switch(P2) {

case 0xde:

if(check_key1()==1) {

delay(5);

if(check_key1()==1) {temp=0; P1=0xf0;} }

break;

case 0xdd:

if(check_key1()==1) {

delay(5);

if(check_key1()==1) {temp=1; P1=0xf0;} }

break;

case 0xbb:

if(check_key2()==1) {

delay(5);

if(check_key2()==1) temp=2; }

while(check_key2()); break;

case 0xb7:

if(check_key2()==1) {

delay(5);

if(check_key2()==1) temp=3; }

while(check_key2()); break;

case 0x6f:

if(check_key()==1) {

delay(5);

if(check_key()==1) {

flag++; if(flag>=2) flag=0; } }

while(check_key()); break; } }

void sudu0() {

if(temp==2) {

k+=200;

if(k>=1000) k=1000; temp=0; }

if(temp==3) {

k-=200; if(k<=0) k=100; temp=0; } }

void sudu1() { if(temp==2) {

k+=200; if(k>=1000) k=1000; temp=1; }

if(temp==3) {

k-=200; if(k<=0) k=100; temp=1; } }

sbit P1_0=P1^0; sbit P1_1=P1^1; sbit P1_2=P1^2; sbit P1_3=P1^3;

void main(void) {

TMOD=0x01; EA=1; ET0=1; TR0=1; P1_0=0; P1_1=0; P1_2=0; P1_3=0; while(1) {

for(m=1;m<=8;m++) {

if(flag==0) {

if(temp==0) {

switch(m) {

case 1: P1_0=1; delay(k);

break;

case 2: P1_3=0; delay(k); break;

case 3: P1_1=1; delay(k); break;

case 4: P1_0=0; delay(k); break;

case 5: P1_2=1; delay(k); break;

case 6: P1_1=0; delay(k); break;

case 7: P1_3=1; delay(k); break;

case 8: P1_2=0; delay(k); break; }

sudu0(); if(flag==1) P1=0xe0; }

if(P1==0xe0) break;

if(temp==1) {

switch(m) {

case 1: P1_3=1; delay(k); break;

case 2: P1_0=0; delay(k); break;

case 3: P1_2=1; delay(k); break;

case 4: P1_3=0; delay(k); break;

case 5: P1_1=1; delay(k); break;

case 6: P1_2=0; delay(k); break;

case 7: P1_0=1; delay(k); break;

case 8: P1_1=0; delay(k); break;

}

sudu1(); if(flag==1) P1=0xe0; }

if(P1==0xe0) break; }

if(flag==0) P1=0xd0; }

if(P1==0xd0) break;

if(temp==1) {

if(flag==1) {

if(temp==0) {

switch(m) {

case 1: P1_3=0;

P1_0=1; P1_1=1; delay(k); break;

case 2: P1_0=0; P1_1=1; P1_2=1; delay(k); break; case 3: P1_1=0; P1_2=1; P1_3=1; delay(k);

break;

case 4: P1_2=0; P1_3=1; P1_0=1; delay(k); break; }

sudu0();

switch(m) {

case 1: P1_0=0; P1_3=1; P1_2=1; delay(k); break; case 2: P1_3=0; P1_2=1; P1_1=1; delay(k); break; case 3: P1_2=0; P1_1=1; P1_0=1; delay(k);

break;

case 4: P1_1=0; P1_0=1; P1_3=1; delay(k); break; }

sudu1(); if(flag==0) P1=0xd0; }

if(P1==0xd0)

break; } } } }

五、新的体会

因为微机课和单片机课没怎么学好，故感觉在做这个设计时有点困难，比如汇编程序。后来决定用c来编写程序，这样稍微轻松点，在设计程序中涉及到了中断程序的编写，发现已学的理论知识完全用不上来，也许这就是理论脱离时间的结果，在期间恶补了单片机的中断知识及其相应的程序编写。

通过这次课程设计实验,我对步进电机调速控制系统有了实际的了解和认识,提高了动手能力。本次实验把书本上、课堂上学到的知识灵活地运用到实际的实物上,感觉是对学以致用的一种锻炼和考验

提高了用所学知识解决实际问题的

能力,加深和巩固的对知识的理解和掌握。控制电路、驱动电路、测速反馈电路、步进电机几个模块的整合,也实际中提高了自己对系统的认识,有了些整体的概念和思维观。实验是团队合作完成的,从设计电路到设计软件,然后仿真到做硬件做出符合要求的控制系统,不仅从实际中锻炼了动手能力而且学会了团队合作,互相学习,提高自己。

这次的课程设计总的感觉就是很累，但在不断的学习机实践当中学到了很多东西，知识的提高那是最基础的，中断，电路工作及相关的知识都是得到了提升；然后就是个人处理问题能力的提高，虽然说这次的设计不算一个大的项目，但也算是小的雏形，课题的选择，前期的准备，理论的实践，知识的提高，处理实际问题及后期的总结归纳。 付出去收获往往是成正比的，这次的课程设计中得到了充分的体现。

总的来说，这次设计的步进电机控制电路还是比较成功的

在设计中遇到了

很多问题，最后在自己的思考下，宿舍大家一起经过激烈的探讨下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的。不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识。同时，对未来有了更多的信心。最后，对文老师表示忠心的感谢，老师，你辛苦了。