华北科技学院计算机学院综合性实验

实 验 报 告

课程名称        微 机 原 理 及 应 用           

实验学期   2015   至  2016    学年 第  1   学期

学生所在学院     机  电  学  院              

年级  13级   专业班级        机制B132          

学生姓名   韩 振 伟   学号  201302024220       

任课教师              王  德  志                

实验成绩                                       

计算机学院制

20##年12月26日

《微机原理及应用》课程综合性实验报告

开课实验室：接口实验室                                        2015年12月26日

第二篇：步进电机调速系统硬件

根据下述资料完成对硬件仿真的实现

要求1：必须用proteus和keil联机实现仿真

要求2：必须按照protel电路图 用proteus做出电路图 要求3：交给我的三样东西

a.系统原理电路图1份。b.电路仿真运行数据1份 C.汇编语言一份

步进电机调速系统硬件设计

4.1 四相步进电机工作原理

本设计所采用的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源，步距角为18度。电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，驱动方式为二相激磁方式，电机示意图和各线圈通电顺序如图4.1和表4.1所示：

图4.1 步进电机原理图

表4.1

相顺序

1

2

3

A 1 0 0 1 B 1 1 0 0 C 0 1 1 0 D 0 0 1 1

相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过18度，0?1?2?3?4则称为通电一周，转轴将转过72度，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如4?3?2?1将使电机同速反转。通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动。

4.2 硬件设计方案

本设计采用51单片机AT89C51（晶振频率为12MHZ）对该四相六线制步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过特定芯片驱动步进电机。本文选用ULN2003构成步进电机的驱动电路，下面但见介绍下ULN2003的结构和特点：

ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。 该电路的特点如下：

ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

ULN2003 采用DIP—16 或SOP—16 塑料封装。

ULN2003方框图如图4.2所示。

4.2 ULN2003内部方框图

利用ULN2003以及AT89C51设计的步进电机驱动电路如图4.3所示。

图4.3 ULN2003和AT89C51构成的驱动电路

51的25-28口接ULN2003的1-4输入端。另外，用键盘来对电机的状态进行控制。

在上述设计的基础上 ，可以用数码管显示电机的转速，采用AT89C51的P1口和P2口作为2位单个数码管的显示驱动。其电路图如图4.4所示。通过图

4.2所示的AT89C51的内部变成发送数据。

图4.4 显示电路图

其中两个数码管是共阴的。R3和R4是用来保护数码管，以免烧坏数码管。

将图4.3和图4.4连接起来，使之实现：按下启动键S1，电机旋转，按一下加1键S2，速度增加1转/分，按一下减1键S3，速度降低1转/分。本设计设置了速度范围，其速度最低和最高分别为：9转/分，75转/分，按下停止键S4，电机停转。速度值在数码管上显示出来。

综合以上设计的控制电路方案，总设计方案框图如4.5所示。

图4.5 步进电机控制电路设计框图

5 步进电机调速系统的软件设计

5.1 软件设计思路

控制系统分2个功能模块，分别是转速设置、数码管显示速度。

5.1.1 转速设置

根据赋给计数器的计数初值，我们可以计算出步进电机各相脉宽信号的频率和电机转速，也可以反过来根据对电机转速要求，计算并调整计算初值。

本设计中采用了12Mhz的晶振，一个机器周期是1us。其计算方法：

126?1?10s?1?s 612?10

（5.1）

上式计算出了一个机器周期。分子上的12是12个节拍，分母是晶振频率。所以单片机内部时钟频率为f=106hz，设计数初值为n，要求转速为15转/分（0.25转/秒），对四相步进电机而言即为5步/秒，则有：

f?5n

（5.2）

f106

n???2?105

55

（5.3）

反过来，当计数器初值确定时，决定了电机的转速，如计数初值为0时，有电机转速为3步每秒（本设计中最慢速度）；当计数初值为40000时，电机转速为1.25步每秒（本设计中最快速度）。具体设置初值及转速见表5.2。

表5.2 转速设置表

步速

3

5

15 转速（转/秒） 0.15 0.25 0.75 计数初值 333333 200000 66667

25 1.25 40000

5.1.2 数码管显示

因为本设计中采用的数码管是共阴的，所以当AT89C51的对应管脚发送的是高电平信号，数码管中对应的LED就亮起来。

本设计中的相应速度档次不涉及小数点，故数码管的dp位无论在何时均为低电平。数码管的各个数字显示二进制代码如表5.3所示：

表5.3 数码管的显示原理

数字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

要亮的LED abcdef bc abdeg abcdg bcfg acdfg acdefg abc abcdefg abcdfg

相应P0/P1输出的二进制及16进制 11111100、FCH 01100000、60H 11011010、DAH 11110010、F2H 01100110、66H 10110110、B6H 10111110、BEH 11100000、E0H 11111110、FEH 11110110、F6H

只要将当前的转速在对应的时刻送到P0及P1即可，其中P1存储的是个位的数字，而P0存储十位的数字。

5.2 程序流程图及其汇编程序

5.2.1 程序流程图

根据上述的设计思路，结合51单片机的设计原则，可以得出如图4.6所示的程序流程图。

图5.6 程序流程图

5.2.2 汇编程序及注释

START bit 01H ;起动及停止标志 MinSpd EQU 9 ;起始转动速度 MaxSpd EQU 75 ;最高转动速度 Speed DATA 23H ;流动速度计数

ORG 0000H

LJMP DJSD

ORG 0010H

LJMP MAIN

ORG 0030H

MAIN:

MOV SPEED,#MinSpd ;起始转动速度送入计数器 CLR StartEnd ;停转状态

MOV TMOD,#00000001B

SETB EA

SETB ET1

LOOP:

ACALL KEY

JNB P0,m_NEXT1

ACALL KEYPROC

m_NEXT1:

MOV A,Speed

MOV B,#10

DIV AB

CMP A,#0

FCH

JE DISPS0

CMP A,#1

JE DISPS1

CMP A,#2

JE DISPS2

CMP A,#3

JE DISPS3

CMP A,#4

JE DISPS4

CMP A,#5

JE DISPS5

CMP A,#6

JE DISPS6

CMP A,#7

JE DISPS7 ;键盘程序 ;无键继续 ;否则调用键盘处理程序;若寄存器A中存储的是0，跳转至DISPS0,P0置

CMP A,#8

JE DISPS8

CMP A,#9

JE DISPS9

DISPS0: ;DISPS0~DISP9，让数码管显示0~9的特定数

MOV P0,#0FCH

JMP Next

DISPS1:

MOV P0,#060H

JMP Next

DISPS2:

MOV P0,#0DAH

JMP Next

DISPS3:

MOV P0,#0F2H

JMP Next

DISPS4:

MOV P0,#066H

JMP Next

DISPS5:

MOV P0,#0B6H

JMP Next

DISPS6:

MOV P0,#0BEH

JMP Next

DISPS7:

MOV P0,#0E0H

JMP Next

DISPS8:

MOV P0,#0FEH

JMP Next

DISPS9:

MOV P0,#0F6H

JMP Next

CMP B,#0 ;若寄存器B中存储的是0，跳转至DISPS0,P1置FCH

JE DISPG0

CMP B,#1

JE DISPG1

CMP B,#2

JE DISPG2

CMP B,#3

JE DISPG3

CMP B,#4

JE DISPG4

CMP B,#5

JE DISPG5

CMP B,#6

JE DISPG6

CMP B,#7

JE DISPG7

CMP B,#8

JE DISPG8

CMP B,#9

JE DISPG9

DISPG0:

数

MOV P1,#0FCH

JMP Next

DISPG1:

MOV P1,#060H

JMP Next

DISPG2:

MOV P1,#0DAH

JMP Next ;DISPS0~DISP9，让数码管显示0~9的特定

DISPG3:

MOV P1,#0F2H JMP Next

DISPG4:

MOV P1,#066H JMP Next

DISPG5:

MOV P1,#0B6H JMP Next

DISPG6:

MOV P1,#0BEH JMP Next

DISPG7:

MOV P1,#0E0H JMP Next

DISPG8:

MOV P1,#0FEH JMP Next

DISPG9:

MOV P1,#0F6H JMP Next

Next:

MOV A,Speed

JB START,m_Next2

CLR TR1 JMP LOOP

ORL P2,#11110000B m_Next2:

SETB TR1 AJMP LOOP KEYPROC:

MOV A,B ;获取键值;关闭电机 ;启动电机 ;主程序结束

JB ACC.0,StartStop ;分析键的代码,某位被按下,则该位为1 JB ACC.3,KeySty

JB ACC.1,UpSpd

JB ACC.2,DowSpd

AJMP KEY_RET

StartStop:

SETB StartEnd ;启动

AJMP KEY_RET

KeySty:

CLR StartEnd

AJMP KEY_RET

UpSpd:

INC SPEED

MOV A,SPEED

CJNE A,#MaxSpd,K1

DEC SPEED

K1:

AJMP KEY_RET

DowSpd:

DEC SPEED

MOV A,SPEED

CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET

MOV SPEED,#MinSpd;

KEY_RET:

RET

KEY:

MOV A, P2

MOV B, A

RET

DjZS:

PUSH ACC

PUSH PSW

MOV A,Speed ;停止 ;到了最多的次数？ ;是则减去1，保证下次仍为该值 ;不等（未到最大值），返回 ;定时器T1用于电机转速控制

SUBB A,#MinSpd ;减基准数 MOV DPTR,#DjH

MOVC A,@A+DPTR

MOV TH1,A

MOV A,Speed

SUBB A,#MinSpd

MOV DPTR,#DjL

MOVC A,@A+DPTR

MOV TL1,A

MOV A,DjCount

CPL A

ORL P2,A

MOV A,DjCount

JNB ACC.7,d_Next1

JMP d_Next2

d_Next1:

MOV DjCount,#11110111B

d_Next2:

MOV A,DjCount

RL A

MOV DjCount,A

ANL P2,A

POP PSW

POP ACC

RETI

DjH:

DB D8, DA,DB,DD,DE,DF, E0,…

DjL:

DB F0,71,D5,1F,54,73,80,…

;回存