微控制器課程設計

課程設計報告

題目微控制器控制步進電機

課程名稱微控制器原理及接**術

院部名稱

專業自動化

班級 m10自動化

學生姓名

學號課程設計地點

課程設計學時

指導教師高峰

金陵科技學院教務處制

【注：根據課程設計大綱第四項具體要求撰寫課程設計報告】

目錄1設計任務和要求 3

2設計思路 4

3系統硬體設計 5

3.1 硬體電路的工作原理 5

3.2步進電機模組 5

3.3控制模組 6

3.4主要元件介紹： 6

4軟體程式設計 11

5 除錯過程與結果 20

5.1正轉結果顯示： 20

5.1.1正轉加速： 21

5.1.2正轉減速： 21

6 總結與體會 24

7 參考資料 26

8 附錄 26

1設計任務和要求

微控制器課程設計是考察學生利用所學過的專業知識，進行綜合的電機控制系統設計並最終完成實際系統連線，能夠使學生對電氣與自動化的專業知識進行綜合應用，培養學生的創新能力和團隊協作能力，提高學生的動手實踐能力。最終形成一篇符合規範的設計說明書，並參加綜合實踐答辯，為後期的畢業設計做好準備。

本次設計考核的能力主要有：

1) 專業知識應用能力，包括電路分析、電子技術、微控制器、檢測技術、電氣控制、電機與拖動、微特電機及其驅動、計算機高階語言、計算機輔助設計、計算機辦公軟體等課程，還包括本專業的拓展性課程如變頻器、組態技術、現場匯流排技術、伺服電機等課程。

2) 專案設計與運作能力，團隊協作能力，技術文件撰寫能力，ppt匯報與口頭表達能力。

3) 電氣與自動化系統的設計與實際應用能力。

要求完成的工作量包括：

1) 現場**演示效果。

2) 學生結合課題進行ppt演講與答辯。

3) 學生上交課題要求的各類設計技術文件。

2設計思路

電路基本理論:

步進電機是一種將電脈衝轉變為角位移的執行機構，通俗一點講：當步進驅動器接收到乙個脈衝訊號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動乙個固定的角度。可通過控制脈衝數來控制角位移量，從而達到準確的定位目的。

通過對步進電機的軟體設計和硬體設計包括步進電機的結構、原理及應用，根據原理和硬體的設計利用c語言編寫程式，經過反覆執行和除錯，實現微控制器對步進電機的控制。

步進電機是機電控制中一種常用的執行機構，它的用途是將電脈衝轉化為角位移，它的的驅動電路根據控制訊號工作，控制訊號由微控制器產生。當步進驅動器接收到乙個脈衝訊號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動乙個固定的角度，控制換相順序，即通電控制脈衝必須嚴格按照一定順序分別控制各相的通斷。通過控制脈衝個數即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的。

控制步進電機的轉向，即給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，若按反序通電換相，則電機就反轉。控制步進電機的速度，即給步進電機發乙個控制脈衝，它就轉一步，再發乙個脈衝，它會再轉一步，兩個脈衝的間隔越短，步進電機就轉得越快。同時通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

基於微控制器和proteus的步進電機控制電路的基本組成如圖所示：

根據設計要求，採用的方案如下。硬體部分實現電機轉動，包括控制開關模組；電機轉動模組。軟體部分實現對步進電機的控制功能，主要設計思想通過控制台控制程式的開關來控制電機的轉動。

電源驅動89c51微控制器，在89c51中裝載程式，通過開關按鍵來輸入訊號，89c51向驅動電路提供訊號使步進電機動作。

3系統硬體設計

3.1 硬體電路的工作原理

總電路圖

通過對開關k1 k2 k3的開關，來實現對步進電機的正反轉和停止，通過k4 k5來進行加減速，並且有相應的led燈的顯示。

3.2步進電機模組

功能：微控制器輸出的程式通過轉換器和電機驅動器給步進電機乙個脈衝訊號，使步進電機實現正轉與反轉。

3.3控制模組

功能：通過控制台實現對微控制器程式的開與關

3.4主要元件介紹：

3.4.1步進電機：

步進電機是數字控制電機，它將脈衝訊號轉變成角位移，即給乙個脈衝訊號，步進電機就轉動乙個角度，因此非常適合於微控制器控制。步進電機區別於其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈衝訊號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈衝數決定，而電機的轉速由脈衝訊號頻率決定。

步進電機分三種：永磁式（pm），反應式（vr）和混合式(hb)，步進電機又稱為脈衝電機，是工業過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉和制動的執行元件，其功用是將電脈衝轉換為相應的角位移或直線位移，由於開環下就能實現精確定位的特點，使其在工業控制領域獲得了廣泛應用。步進電機的運轉是由電脈衝訊號控制的，其角位移量或線位移量與脈衝數成正比，每個乙個脈衝，步進電機就轉動乙個角度（不距角）或前進、倒退一步。

步進電機旋轉的角度由輸入的電脈衝數確定，所以，也有人稱步進電機為數字/角度轉換器。

步進電機28byj48：

步進電機28byj48型四相八拍電機，電壓為dc5v—dc12v。當對步進電機施加一系列連續不斷的控制脈衝時，它可以連續不斷地轉動。每乙個脈衝訊號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態改變一次，也就對應轉子轉過一定的角度（乙個步距角）。

當通電狀態的改變完成乙個迴圈時，轉子轉過乙個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下執行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（a-b-c-d-a。。。），雙（雙相繞組通電）四拍（ab-bc- cd-da-ab-。。。

），八拍（a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a。。。）

四相步進電機有兩種執行方式，一、四相四拍；二、四相八拍。

要想搞清楚四相八拍執行方式下步進電機的轉速如果計算，需要先清楚兩個基本概念。

1、拍數：完成乙個磁場週期性變化所需脈衝數或導電狀態用n表示，或指電機轉過乙個齒距角所需脈衝數，以四相電機為例，有四相四拍執行方式即ab-bc-cd-da-ab，四相八拍執行方式即 a-ab-b-bc-c-cd-d-da-a.

2、步距角：對應乙個脈衝訊號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度**子齒數j*執行拍數），以常規

二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍執行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍執行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

這兩個概念清楚後，我們再來計算轉速，以基本步距角1.8°的步進電機為例（現在市場上常規的

二、四相混合式步進電機基本步距角都是1.8°），四相八拍執行方式下，每接收乙個脈衝訊號，轉過0.9°，如果每秒鐘接收400個脈衝，那麼轉速為每秒400x0.

9°=360°，相當與每秒鐘轉一圈，每分鐘60轉。

由於微控制器介面訊號不夠大需要通過uln2003放大再連線到相應的電機介面，如下：

所以可以定義正轉勵磁序列為a->ab->b->bc->c->cd->d->da

uchar code ffw=;

//反轉勵磁序列為ad->d->cd->c->bc->b->ba->a

uchar code rev=;

步進電機28byj48的主要技術引數：

3、四相步進電機的脈衝分配規律

目前，對步進電機的控制主要有分散器件組成的環形脈衝分配器、軟體環形脈衝分配器、專用整合晶元環形脈衝分配器等。本設計利用微控制器進行控制，主要是利用軟體進行環形脈衝分配。四相步進電機的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。

各種工作方式在電源通電時的時序與波形分別如圖1 a、b、c所示。本設計的電機工作方式為四相單四拍，根據步進電機的工作的時序和波形圖，總結出其工作方式為四相單四拍時的脈衝分配規律，四相雙四拍的脈衝分配規律，在每一種工作方式中，脈衝的頻率越高，其轉速就越快，但脈衝頻率高到一定程度，步進電機跟不上頻率的變化後電機會出現失步現象，所以脈衝頻率一定要控制在步進電機允許的範圍內。

3.4.2 89c51微控制器

atmel公司生產的89c51微控制器是一種低功耗/低電壓『高效能的8位微控制器，它採用cmos和高密度非易失性儲存技術，而且其輸出引腳和指令系統都與mcs-51相容；片內的flash rom允許在系統內改編程式或用常規的非易失性程式設計器來程式設計，內部除cpu外，還包括節ram，4個8位並行i/o口，5個中斷源，2個中斷優先順序，2個16位可程式設計定時計數器，89c51微控制器是一種功能強、靈活性高且**合理的微控制器，完全滿足本系統設計需要。

89c51微控制器部分引腳功能介紹：

xtal2（18腳）：接外部晶體和微調電容的一端；在89c51 片內它是振盪電路反向放大器的輸出端，振盪電路的頻率就是晶體固有頻率。若需採用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈衝。

89c51/8031正常工作時，該引腳應有脈衝訊號輸出。

xtal1（19腳）：接外部晶體和微調電容的另一端；在片內它是振盪電路反向放大器的輸入端，在採用外部時鐘時，該引腳輸入外部時鐘脈衝。

rst/vpd（9腳）：

rst：復位訊號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持兩個機器週期的高電平時，就可以完成復位操作。

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