华北水利水电学院单片机课程设计步进电机设计说明书2012——2013学年第2学期专业班级：学号：姓名：指导教师：雷冀南院、系：机械学院教研室：机械制造教研室注：指导教师在课程设计期间每天指导时间不少于2小时。

教学院长：教研室主任：填表人：雷冀南填表时间：2013年04月13日步进电机课程设计说明书目录第一章课程设计整体认识及规划 (5)第二章电路所用主要元件认识 (6)第三章画电路原理图 (11)第四章编写程序 (12)第五章调试模拟达到效果 (13)第六章焊接电路板 (13)第七章程序烧写 (14)第八章总结 (14)参考文献 (14)附页附图 (15)附录1 程序流程图附录2 C51程序附录3 电路原理图［摘要］本课程设计的内容是利用51单片机，达到控制步进电机的启动、停止、正转、反转、速度和状态显示的目的，使步进电机控制更加灵活。

步进电机驱动芯片采用ULN2003A，ULN2003A具有大电流、高电压，外电路简单等优点。

利用数码管增设电机速度状态显示功能，各项数据更直观。

实测结果表明，该控制系统达到了设计的要求。

关键字：步进电机、数码管、51单片机、ULN2003A、设计过程第一章课程设计整体认识及规划1.1课程设计目的《单片机应用基础》课程设计是学好本门课程的又一重要实践性教学环节，课程设计的目的就是配合本课程的教学和平时实验，以达到巩固消化课程的内容，进一步加强综合应用科研的基本技能，是以培养学生综合运用所学知识的过程，是知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要阶段。

1.2课程设计任务根据给定的任务要求选择合适的单片机和其他电子元器件，进行系统硬件电路设计和软件编程，根据系统制作并调试系统电路板，使之实现任务要求。

有关参数选择要求符合国家标准。

具体设计内容如下：1.能控制电机正反转，有正转和反转按钮。

2.在一定范围内可控制转速，有加速和加速按钮,用七段码显示。

3.可在不断电源的情况下暂停，有一个暂停按钮。

4.电动机处于哪个速度状态观察七段码数值，也可直观的观察电动机的旋转状态比较。

1.3单片机应用系统的设计步骤1.分析设计任务，构思需要达到的效果，了解步进电机的一些知识。

2.设计系统工作原理图，利用PROTEUS软件绘制系统工作原理图；3.购买电路所需的电子元件。

4.系统控制程序设计、调试及实现：（1）根据要求，写出完整的程序流程图；（2）了解C51编写语句，将设计程序输入、汇编，排除语法错误，生成*.OBJ 文件；（3）按所设计的原理图，焊接电路板，检查无误；（4）将目标文件传送到ＡＴ８９Ｓ５１芯片上，执行并运行调试该程序，最终实现控制要求单片机的应用系统随着用途不同，它们的硬件和软件结构差别很大，但系统设计的方法和步骤基本上是相同的。

一般包括总体设计、硬件设计、软件设计、仿真调试、固化程序、应用系统独立运行等步骤。

第二章电路所用主要元件认识2.1 AT98S51芯片认识该芯片是我们上课时以此为例讲的，所以也算很熟悉，各个引脚功能课本上一讲很清楚了，在这就不再多赘述。

展示一下它的引脚，实物引脚就这样，焊接电路时需注意！2.2 ULN2003A芯片认识ULN2003A芯片是一个7路反相器，即第1到7引脚输入端为低电平时，对应输出端第16到10引脚输出为高电平，反之亦然。

8引脚接地，第9引脚COM提供工作电压，如proteus中图（3），实物图中引脚编号是逆时针（8号在左下，9号在右下）。

本设计中引脚1、2、3、4分别与AT89s51芯片的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口相连接，规定正转为逆时针方向的转动引脚16、15、14、13连接到A、B、C、D上所示，电动机中间引脚直接与5V电压相接，目的是驱动电动机，使其正常工作2.3七段码显示管认识七段码是大家比较熟悉，实质上就是一些二极管组合，这里用的是共阳极的七段码。

课本上还有接法及码值表。

本设计由P0口控制显示，用共阳极的。

从P0.0-P0.7连接a-f引脚，com接电源。

LED是发光二极管的英文缩写，LED 显示器是由发光二极管构成的，它在单片还机中的应用非常普遍。

通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，其排列状如图所示。

此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管以dp表示，用于小数点表示。

通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。

LED显示中的发光二极管共有两种连接方法:共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。

使用时公共阳极接+5V。

这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不亮。

共阴极接法：把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。

使用时公共阴极接地。

这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不亮。

十六进制码值表如下：2.4 步进电机一、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数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也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。

进电机工作原理二、步进电机是工业过程控制及仪表中常用的控制元件之一，例如在机械装置中可以用丝杠把角度变为直线位移，也可以用步进电机带螺旋电位器，调节电压或电流，从而实现对执行机构的控制。

步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，用起来非常方便。

步进电机还具有快速启停、精确步进和定位等特点，因而在数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。

三、步进电机实际上是一个数字/角度转换器，三相步进电机的结构原理如图所示。

从图中可以看出，电机的定子上有六个等分磁极，A、A′、B、B′、C、C ′，相邻的两个磁极之间夹角为60°，相对的两个磁极组成一相（A-A′，B-B′，C-C′），当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极形成N极和S极，每个磁极上各有五个均匀分布矩形小齿，电机的转子上有40个矩形小齿均匀地分布的圆周上，相邻两个齿之间夹角为9°。

当某一相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子的小齿和转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。

由此可见，错齿是促使步进电机旋转的原因。

四、步进电机以三相六拍（三相双拍）方式工作，若按A→AB→B→BC→C→CA→A次序通电为正转，则当按A→AC→C→CB→B→BA→A次序通电为反转。

三相三拍（三相单拍）有两种A→B→C→A，AB→BC→CA→AB正转，反转则反序。

五、速度计算1.输出代码的变化周期T控制了电机的运转速度：n=60/（T.N）式中：n ——步进电机的转速（转/分）；N ——步进电机旋转一周需输出的字节数；T ——代码字节的输出变化周期。

2.步角θ=360º/(MZC)M——步进电机的相数；Z——步进电机转子齿数；C——单双拍3.转数 n=60f/(MZC) f——通电脉冲频率注意：步进电机转数受相数、起转频率、载荷影响等只能在一定范围内。

第三章画电路原理图3.1 电路图雏形图从最简单的电路画，只用开关闭合，来控制电机转动。

编写修改的程序调试，简单模拟。

3.2 电路发展图加上发光二极管，画电路图如下3.3电路完善图改用数码管显示速度，因为开关按开与闭合，直接由手控制，眼观察，不需再灯显示。

原理图设计完成进行程序编写。

第四章编写程序老师建议C语言编写，用单片机汇编语言编习惯了且C语言编汇编语言的程序还没学过。

必须得看一下课本，了解到C51（C语言编写程序用来编写单片机汇编语言的调用函数）的语句及用法。

我个人觉得编简单的程序用单片机汇编语言，编复杂的用C51语言，单片机语言执行占cpu少，C51占的多。

先编一个简单使电机转的程序，我刚开始想让电机高速运转，结果电机却几乎不转、一直抖。

用软件仿真可见到P2口变化不均，好像芯片达不到那种变化似的。

只有加上延时程序，降低变化速度。

为此我几乎试了一天，变换不同的延时，从10ms左右才达到好的效果。

最终使程序实现正、反转，加减速，急停，显示的功能。

4.1 旋转程序其实挺简单的就是让接电机驱动的P2.0~P2.3只有一个不同电平在这四相来回安循环即可，也可双相。

例如：for(i=0,P2=0x01;i<4;i++){ delay(12);P2=P2<<1;}4.2 延时程序直接用循环即可void delay(m){ int i,j;for(i=0;i<m;i++)for(j=0;j<1000;j++);}4.3 加减速程序步进电机实现速度的精确控制，我设定十个速度，通过加减延时来实现。

其中最小速度还可用来控制角度，我见一个同学专门编一这样程序才想到的。

4.4 紧急制动把P2置为0ff或00即可实现。

4.5 速度显示用码值表建立一数组即可。

第五章调试模拟达到效果5.1 正反转控制初始时没开关按下数码管显示0，第二、三按钮为正反转按钮，按下其一就能实现正反旋转。

每次换方向都需松开另一方向开关，否则以先按下为准旋转。

5.2 加减速控制按下加减速开关，数码管会显示速度编号。

当松开加减速按钮数码管显示就是当前速度值。

5.3 紧急制动无论是否有按钮按下，按下紧急制动按钮电机会停止，七段码显示“P”。

通过Proteus模拟达到效果所以就开始焊接电路板。

第六章焊接电路板焊接电路板需考虑各元件所放的位置及连接方法，注意引脚连接。

所需工具：电烙铁，松香，镊子，剪刀，打火机等。

注意：焊锡不必太多，先焊元件，再连线路。

第七章程序烧写先了解烧写程序软件progisp及所需工具AT89S系列/AVR系列单片机下载线USB ISP下载器。

Progisp1.72软件的操作：1.插上usb isp下载线，连上电源。

2.单击“RD”读取，显示正确连接ID，方可开始烧写。

3.选调入flash文件打开汇编好的.hex文件。

4.单击“自动”，就开始“檫除——写入——校检”显示成功，即烧好程序。

第八章总结我的步进电机能实现十种不同的速度，当然通过编程能实现更多，达到速度精确，数码管显示的只是速度编号。

最慢的速度，通过按钮点动控制实现角度控制。

普通电机只能实现一种速度，若变速需要复杂变速机构且效率低。

本次课程设计，虽然老师分成硬件、软件组，但我是从画图到编程再到焊接电路全部自己做的。

基本对本次设计刚到满意，虽然硬件做的不是很好。

通过本次课程设计真正体验到单片机制作过程，同时了解了步进电机基本原理，基本要求，确实学到不少知识。

从与同学交流中知道步进电机的控制精确，也感觉到执着追求知识之精神。

做本次课程设计我已尽力，也基本达到我想要的效果。