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 步进电机控制系统设计 专业班级 电气工程0991 学生姓名 学 号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2011 年09 月 05 日 任务完成日期2011 年 09 月 16 日设计内容与设计要求设计内容：以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在4位LED显示器上显示步进电机转速或工作状态。设计要求：1确定系统设计方案； 2进行系统的硬件设计；3完成应用程序设计；4硬件电路及应用程序的调试。主 要 设 计 条 件本课题以单片机为核心，设计并制作出步进电机控制系统，设计要求：1. 按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转；2. 步进电机可实现正、反转，加速、减速、停止等工作状态；3. 通过LED数码管显示步进电机运行速度或工作状态；说 明 书 格 式1. 课程设计任务书2. 目录3. 总体方案确定4. 各单元硬件电路设计说明及计算方法5. 软件设计与说明包括流程图6. 调试结果与必要的调试说明7. 使用说明8、总结9、参考文献附录附录A 系统原理图附录B 程序清单进 度 安 排设计时间为两周第一周星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍 下午：借阅有关资料，总体方案讨论星期二、系统总体方案星期四、设计及调试星期五、设计及调试第二周星期一、设计及调试星期二、设计及调试星期三、设计及调试星期四、写说明书星期五、上午：写说明书，整理资料下午：交设计资料，辩论参 考 文 献1王迎旭.?单片机原理及及应用?.北京：机械工业出版社2张迎新.?单片微型计算机原理、应用及接口技术?.北京：国防工业出版社3郭天祥.?新概念51单片机C语言教程?.北京：电子工业出版社4王晓明.?电动机的单片机控制?.北京航空航天大学出版社 5蔡明文 冯先成编著.?单片机课程设计?.北京：华中科技大学出版社目录第1章 目的与要求6第2章 步进电机的原理介绍72.1 步进电机的工作原理72.2 步进电机24BYJ48的相关电气参数82.3 步进电机的根本术语92.3.1 相数92.3.2 拍数92.3.3 步距角92.3.4 信号分配9第3章 总体设计思路103.1 方案与设计思路103.2 总框图11第4章 程序设计114.1 主程序114.2 LCD及档位显示程序12正反转流程图13启动与停止流程图15第5章 硬件设计165.1 硬件的设计与选取165.1.1 步进电机的驱动165.1.2 单片机的选取185.1.3 液晶LCD1602显示模块19.4 按键电路设计195.1.5 时针产生电路205.2 硬件的总体电路连接21第6章 调试与故障分析226.1 软件编写及调试226.2 调试过程及相关显示结果236.3 故障分析及解决方法25第7章 心得体会26第8章 参考文献27附件28系统原理图28开发板实物图：29元器件清单29源程序清单30第1章 目的与要求 综合运用所学的?单片机原理与应用?理论知识，通过实践加强对所学知识的理解，具备设计单片机应用系统的能力，以单片机为核心设计一个步进电机控制系统，要求能够通过键盘设置步进电机的转向和转速，并在LED显示器或者液晶LCD1602上显示步进电机转速或工作状态。本课题以单片机为核心，设计并制作出步进电机控制系统，设计要求：1、按下不同的键，分别使步进电机实现顺时针和逆时针旋转。2、电机运转状态可以是正反转，加速减速，五种不同速度的各种组合。3、通过LED数码管或液晶1602显示电机运行状态。第2章 步进电机的原理介绍2.1 步进电机的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。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来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；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，从而到达调速的目的。本次设计是采用步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度一个步距角。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单单相绕组通电四拍A-B-C-D-A。，双双相绕组通电四拍AB-BC-CD-DA-AB-。，八拍A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。其相序分配表如下：2.2 步进电机24BYJ48的相关电气参数1.额定电压：12VDC(另有电压：5V、6V、24V)2.相数：43.减速比：1/64(另有减速比：1/16、1/32)/645.驱动方式：4相8拍6.直流电阻：2007%(25)(按客户要求而定：80、130欧姆)7.空载牵入频率：600Hz8.空载牵出频率：1000Hz9.牵入转矩：34.3mN.m(120Hz)10.自定位转矩：11.绝缘电阻：10M(500V)12.绝缘介电强度：600VAC/1mA/1S13.绝缘等级：A14.温升：50K(120Hz)15.噪音：40dB(120Hz)16.重量：大约40g17.未注公差按：GB1804-m18.转向：CCW2.3 步进电机的根本术语 相数产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。 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，比方说本次设计中使用的24BYJ48有单单相绕组通电四拍A-B-C-D-A。，双双相绕组通电四拍AB-BC-CD-DA-AB-。，八拍A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 步距角对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度转子齿数J*运行拍数，以常规二相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/50*4=1.8度俗称整步，八拍运行时步距角为=360度/50*8=0.9度俗称半步。 信号分配四相步进电机按照其通电方式的不同，可以分为单四拍，双四拍和双八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，均为11.25度，而八拍的步距角那么是单四拍与双四拍的一半，5.625度。单单相绕组通电四拍A-B-C-D-A。，双双相绕组通电四拍AB-BC-CD-DA-AB-。，八拍 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。这里选取的是双相八拍的工作方式。 第3章 总体设计思路3.1 方案与设计思路因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。所以怎样产生这个脉冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。用单片机来产生这个脉冲信号，通过单片机的P1口输出脉冲信号，因为所选电机是四相的，所以只需要P1口的低四位P1.0P1.3分别接到电机的四根电线上。定时器定时来调整电机的转速，通过键盘的按钮，就可以改变定时初值从而改变了电机的转速，单片机上P3.2P3.5连的是按键，这里键盘上的K1键为启动与停止键，K2键为减速键，K3键为加速键，K4键为方向转换键。P0以及P2.0P2.2口接LCD1602，可以显示当前的电机转速、运行状态、运行方向和档位。具体结构见3-1框图。3.2 总框图图3-1 总体设计方框图第4章 程序设计4.1 主程序进入主程序，首先是对LCD进行初始化，然后依次进行键盘扫描，调用步进电机相关数据显示子函数，假设检测到有键按下，那么进去相应的处理。流程图如下列图4-1:4-1图 主程序流程图4.2 LCD及档位显示程序此次设计使用1602液晶显示步进电机运行状态，其效果比用数码管显示要更加明了，也更容易读取相关状态和数据。液晶上显示有电机运行的状态RUNNING或STOP、当前档位(DW)、运行方向()以及其运转速度(r/min)。其显示原理如下列图4-2：图4-2 液晶显示流程图步进电机的正反转用K4控制，初始化电机为顺时针转，即“?，每当按下K4键，电机转向改变，具体流程图如下列图4-3：启动与停止是用K1键来控制的，初始化标志位on_off=0,档按下K1，即将on_off置1，每当按下k1,都将在启动与停止间切换，具体流程图如下列图4-4：图4-4 启动与停止流程图第5章 硬件设计5.1 硬件的设计与选取 步进电机的驱动步进电机的驱动采用ULN2003，接到单片机的P1.0P1.3，具体如图5-1：图5-1 步进电机驱动及其接口图 单片机的选取目前市面上的通用型单片机种类很多，且适合不同应用场合的新产品不断出现，但目前的应用状况，以8位中档MCS-51系列单片机的应用最为普遍。基于这次课程设计的要求不高，我们可以选用51系列或52系列单片机，其有可靠性高，易于扩展以及实用性好等特点，完全可以满足我们的控制要求。其图如下5-2：图5-2 AT89C52单片机 液晶LCD1602显示模块P0接液晶的数据传送口，P2.0P2.2接液晶的控制端口。其接线图如下列图5-3：图5-3 液晶与单片机接口原理图 按键电路设计键盘接口按不同标准有不同分类方法，按键盘排布，可以分为独立方式一组相互独立的键盘和矩阵一行列组成矩阵方式。此次设计只用到了四个按键，故可采用独立按键，P3.2P3.5分别接到K1K4。其原理图如下列图5-4：图5-4 按键与单片机接口原理图 时针产生电路时针电路局部晶振为11.0592MHz，其原理图如下：图5-4 时针电路5.2 硬件的总体电路连接图 5-5 总体原理图第6章 调试与故障分析6.1 软件编写及调试此次编程及调试是用keil软件进行的，程序的编写及调试步骤如下：1. 根据步进电机24BYJ48的相序，编好正反转相序表，这个是关键，不能编错。2.定义各个变量及相关液晶显示符：uchar code cdis0 = WELCOME TO ;uchar code cdis1 = STEPPING MOTOR ;uc