湖南工程学院
课 程 设 计
课程名称 单片机原理与应用
课题名称 步进电机的控制
专 业 测控技术与仪器
班 级 0801
学 号 200801200124
姓 名 徐文强
指导教师 赵葵银、汪超
20##年 5 月 27日
湖南工程学院
课 程 设 计 任 务 书
课程名称 单片机原理与应用
课 题 步进电机的控制
专业班级 测控技术与仪器
学生姓名 徐文强
学 号 200801200124
指导老师 赵葵银、汪超
审 批
任务书下达日期 20##年 5月 17日
任务完成日期 20##年5 月 27日
目录
第1章、概述. 6
1.1、单片机简介. 6
1.2 、关于步进电机. 6
1.3 、设计目的. 8
1. 4 、设计要求. 8
第2章 、系统总体方案设计. 9
2.1 、步进电机设计方框图. 9
2.2 、驱动控制系统组成. 9
2.3 、脉冲信号的产生. 9
2. 4、信号分配. 10
2. 5、功率放大. 10
2. 6、控制步进电机的速度. 11
第3章 、硬件设计. 12
3.1 、步进电机接线原理图. 12
第4章 、软件设计及调试. 13
4.1、系统工作流程. 13
4.2 、keil软件介绍. 13
第5章 、软件设计及调试. 14
5. 1、软件介绍. 14
5. 2、仿真与调试. 14
5. 3、硬件接线及调试. 15
第6章 、总结. 16
考文献参. 17
附录A 18
附录B程序清单. 19
第1章、概述
1.1、单片机简介
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。例如，80C51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的趋势，就充分证明了这一点。单片机以其一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器等。而美国ATMEL公司开发生产了新型的8位单片机——AT89系列单片机。他不但具有一般MCS-51单片机的所有特性，而且还拥有一些独特的优点，此次设计中所用到的AT89C51就是其中典型的代表。
单片机的应用正在不断深入和创新，作为一门我们专业相当重要的专业课程，同时带动着传统控制检测日新月异的更新。此次设计利用单片机芯片作为核心部件进行调试与创新，其中对步进电机背景于现状，系统硬件设计，软件设计及其仿真调试过程都做了介绍，是我对步进电机的院里有咯深入的了解，也对单片机的设计研发过程以及知识的学习都有咯很深的体会和提高。
本控制系统的设计采用单片机芯片控制，通过人为按动各开关实现步进电机的开关，另外还增加了正反转的功能，彩灯产生正反向循环运转。
1.2、关于步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。
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。
由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运动方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
注：2相励磁通过的电流是1相励磁时通过电流的2倍，转矩也是1相励磁的2倍。此时电机的振动较小且应答频率升高，目前仍广泛使用此种方式。四相拍如下（1相激磁）：
图1.1
四相拍如下（2相激磁）：
图1.2
四相八拍如下（1-2相激磁）：
图1.3
1.3、设计目的
1）了解单片机软件编程和调试能力，为以后的学习和开发工作打下强劲基础；
2）掌握步进电机的工作原理和工作方式；
3）在1）、2）基础上，使用按钮控制步进电机进行正转、反转。
1.4设计要求
1）在protues软件中实现用按钮控制步进电机进行正转、反转。
2）绘制完整的步进电机与单片机系统的硬件电路图。
3）撰写课程设计说明书。说明书中要求有主程序流程图、关键程序流程图。
第2章 系统总体方案设计
2.1、步进电机设计方框图
图2.1
本系统是用单片机软件程序来产生脉冲分配信号，即把数字控制计数的高精度等方面的优势有效地应用于步进电机控制系统，同时本系统设计的步进电机控制器硬件电路十分简单，成本低，使用方便。本电路包括开关控制电路，时钟电路，功率放大电路等的选择。
2.2、驱动控制系统组成
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图2.1如下：
图2.2 控制系统组成图
2.3、脉冲信号的产生。
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。
2.4、信号分配
四相电机工作方式有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度，这里我们用的正反转都是四相八拍的，即1-2激磁). 1-2激磁正反转如图1.3、2。3。
图2.3 步进电机1-2激磁反转步数
（1－8表示脉冲周期；ABCD表示电机的各相，1表示此时有一个脉冲，0表示没有脉冲）
2.5、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。
步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。
2.6、控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。具体实现用延时时间的长短来决定，程序如下。
DELAY: MOV R6,#125 ;延时50ms
L1: MOV R5,#200
L2: DJNZ R5,L2
DJNZ R6,L1
RET
第3章 硬件设计
步进电机接线原理图如下：
图2.4 步进电机与单片机连接原理图
第4章 软件设计及调试
4.1、系统工作流程
软件设计主要是程序的编写，包括主程序和延时程序。其中主程序的主要功能是负责读取并处理电机的正反转。
图如下所示：
4.2、keil软件介绍
Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近几年各仿真机厂商纷纷宣布全面支持keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开放方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。
第5章 系统联调及操作说明
5.1、软件介绍
Proteus软件介绍
Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试是，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。
5.2、仿真与调试
操作如下：
1）、在Proteus软件中绘制出硬件电路图。根据系统设计要求，选择元器件，设计出硬件电路图，如2.4所示。
2）、编写系统程序。根据系统要求，画流程图。在WAVE（或keil）中编程，过程中先将各模块搞好，分别调试各模块，调试好后，编写主程序，将各系统结合，使成为系统软件。各模块调试后，在调试主程序，看是否能实现系统功能。
3）、硬件和软件电路的联合模拟调试在Proteus软件中进行。先将编译好的HEX文件加载到80C51中，在运行硬件电路，如能运行，使用按键进行模拟和清零实验，若没达到要求，进行相应修改，直到符合要求。
通电后，对应的 “K1”键为电机正传按钮，每次按下“K1”键，电机正转，发光二极管左循环轮流亮；对应的 “K2”键为电机反转按钮，每次按下“K2”键，电机发转，发光二极管友循环轮流亮；对应的 “K3”键为电机停止按钮，每次按下“K3”键，电机停止转动，发光二极管熄灭。
5.3、硬件接线及调试
虽然软件模拟调试是非常重要的，但是还是纸上谈兵啊，真正要到了调试的时候，这又是一个比设计还头痛的事，我们说它令人头痛是有原因的，按理是通的，但调试不一定可以出来，甚至于设计是错误的，调试是设计的试金石啊！
单片机系统进行软件盒硬件调试成功后最后一步是进行硬件的连接和物制作，我们的硬件调试是在试验台上进行的，虽然与设计的电路不太相同，不过可以适当修改源程序，以适应实验台的要求。
5.3.1台情况和设计要求连接电路图。
5.3.2行模块测试，就是用简单的程序进行调试以确定电路连接正确。
5.3.3 将修改后的程序下载到单片机里，可以用伟福仿真系统，进行单步和断点调试。
5.3.4 将运行结果和实验现象与预定值进行比较，再适当修改程序以达到要求。
第6章 总结
总结
这次课程设计是我感觉比较有点接近现实中的一次，因为这次课程设计需要动脑动手，把自己课堂上学到的软件和硬件知识全部应用进来。要想完成好这次课程设计，首先要弄懂步进电机的工作原理，与外部电路的连接，单片机原理，汇编语言等。这其中有以前课堂上学过的也有需要我们自学研究的，这不仅考察了自己原来的知识程度还加强了我们独立获取知识并加以运用的能力。
我收获很多，因为我学到了很多的东西，还制作了自己的东西，使自己很有成就感。在这么多次课程设计中这次是我最难忘的一次，因为是自己一人完成。虽然电机部分我没有花太多的精力，但通过合理分配时间，按时完成了指定任务。
我想通过这次实验，我对电机的了解扩宽了，对单片机和外围电路的认识也更为清晰了，这为我以后工作提供了坚实的基础。
两个星期尽管过去了，看着自己的劳动成果，心里满是欣慰，尽管时间很短并不能很深入的去了解单片机和更多编程序的一些技巧，可我还是很感谢学校安排咯这样的课。这两周我最大的收获就是学会了keil和proteus两颗软件，以前就听老师说功能是多么多么的强大，这次用了才算真的领悟了，不过最后还是要感谢老师和同学们的悉心指导和帮助，才能取得课程设计的成功。
附录A:
80C51
ULN2003
附录B 程序清单
K1 EQU P3.2
K2 EQU P3.3
K3 EQU P3.4
STOP: MOV P1,0FFH
LOOP: JNB K1,Z
JNB K2,F
JNB K3,STOP1
JMP LOOP
STOP1: ACALL DELAY
JNB K3,$
MOV P0,0FFH
ACALL DELAY
JMP STOP
Z: ACALL DELAY
JNB K1,$
MOV A,#0FFH
CLR C
MOV R7,#8
LOOP1: RLC A
MOV P0,A
ACALL DEL
DJNZ R7,LOOP1
JNB K1,LOOP1
ACALL DELAY
JMP Z1
F: ACALL DELAY
JNB K2,$
MOV A,#0FFH
CLR C
MOV R7,#8
LOOP2: RRC A
MOV P0,A
ACALL DEL
DJNZ R7,LOOP2
JNB K2,LOOP2
ACALL DELAY
JMP F1
Z1: MOV P0,0FFH
MOV R0,#00H
Z2: MOV A,R0
MOV DPTR,#TAB
MOVC A,@A+DPTR
JZ Z1
MOV P1,A
JNB K3,STOP1
JNB K2,F
ACALL DELAY
INC R0
JMP Z2
RET
F1: MOV P0,0FFH
MOV R0,#09H
F2: MOV A,R0
MOV DPTR,#TAB
MOVC A,@A+DPTR
JZ F1
MOV P1,A
JNB K3,STOP1
JNB K1,Z
ACALL DELAY
INC R0
JMP F2
RET
DELAY: MOV R6,#125 ;延时50ms
L1: MOV R5,#200
L2: DJNZ R5,L2
DJNZ R6,L1
RET
DEL: MOV R2,#4 ;延时1s
L3: MOV R3,#251
L4: MOV R4,#248
L5: NOP
NOP
DJNZ R4,L5
DJNZ R3,L4
DJNZ R2,L3
RET
TAB: DB 0FEH,0FCH,0FDH,0F9H
DB 0FBH,0F3H,0F7H,0F6H
DB 00H
DB 0F7H,0F3H,0FBH,0F9H
DB 0FDH,0FCH,0FEH,0F6H
DB 00H
END
电气信息学院课程设计评分表
指导教师签名：________________
日 期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。