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1、湖南工業(yè)大學 課程設(shè)計 資料袋 電氣與信息工程學院（系、部） 2012 ~ 2013學年第 1 學期 課程名稱單片機應用系統(tǒng)指導教師肖伸平職稱教授 學生姓名米林專業(yè)班級自動化1002班學號1040700910 題目簡易直流電壓表的設(shè)計 成績起止日期 2012年 12 月31日～ 2013年 1 月11日 目錄清單 序號 材 料 名 稱 資料數(shù)量 備 注 1 課程設(shè)計任務書 2 課程設(shè)計說明書 3 課程設(shè)計圖紙 張 4 5 6 湖南工業(yè)大學 課程設(shè)計任務書 201

2、2—2013學年第 1 學期 電氣與信息工程學院（系、部）自動化專業(yè)1002班級 課程名稱：單片機應用系統(tǒng) 設(shè)計題目：基于單片機的步進電機控制器 完成期限：自 2012年 12 月31日至 2013年 1月11日共 2 周 內(nèi) 容 及 任 務 試題 設(shè)計一個基于單片機的步進電機控制器。已知三相步進電機以三相6拍方式工作，A、B、C分別由P1.2、P1.1、P1.0控制，正轉(zhuǎn)時狀態(tài)是：A→AB→B→BC→C→CA→A（100→110→010→011→001→101→100）。開關(guān)SA斷開時，步進電機正轉(zhuǎn)，每步定時1mS，對應速度167轉(zhuǎn)/分；開關(guān)

3、SA閉合時，步進電機反轉(zhuǎn)，每步定時2mS，對應速度83轉(zhuǎn)/分。步進電機正轉(zhuǎn)速度（167轉(zhuǎn)/分）或反轉(zhuǎn)速度（－83轉(zhuǎn)/分）要求顯示在LED數(shù)碼管上。 注：要求首先采用PROTEUS完成單片機最小系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計及仿真；程序仿真測試通過后，再下載到單片機板上進行硬件調(diào)試。 進 度 安 排 起止日期 工作內(nèi)容 2012. 12.31 講述設(shè)計內(nèi)容及基本原理 2013.1.1-2013.1.8 進行系統(tǒng)的設(shè)計 2013.1.10-2013.1.11 進行系統(tǒng)的調(diào)試 主 要 參 考 資 料 [1] 劉苗生、潘宗預.單片機測控系統(tǒng)設(shè)計.中國物質(zhì)出版社，2006年

4、 [2] 周潤景，張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真[M] .北京航天航空大學出版社，2006 指 導 教 師 （簽字）：年月日 系（教研室）主任（簽字）：年月日 （單片機應用系統(tǒng)） 設(shè)計說明書 （題目） 基于單片機的步進電機控制器 起止日期： 2012年 12 月31日至 2013年 1 月11日 學生姓名 米林 班級 自動化1002班 學號 成績 指導教師(簽字) 電氣與信息工程學院 2013年1月11日 一、設(shè)計任務： 試題 設(shè)計一個基于單片機的步進電機控制器。已知三相步進電機以三相6拍方式工作，A、B、

5、C分別由P1.2、P1.1、P1.0控制，正轉(zhuǎn)時狀態(tài)是：A→AB→B→BC→C→CA→A（100→110→010→011→001→101→100）。開關(guān)SA斷開時，步進電機正轉(zhuǎn)，每步定時1mS，對應速度167轉(zhuǎn)/分；開關(guān)SA閉合時，步進電機反轉(zhuǎn)，每步定時2mS，對應速度83轉(zhuǎn)/分。步進電機正轉(zhuǎn)速度（167轉(zhuǎn)/分）或反轉(zhuǎn)速度（－83轉(zhuǎn)/分）要求顯示在LED數(shù)碼管上。 注：要求首先采用PROTEUS完成單片機最小系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計及仿真；程序仿真測試通過后，再下載到單片機實訓板上執(zhí)行。 二、單片機最小系統(tǒng)硬件資源介紹： ※ 89C51單片機； ※ 4位共陽極數(shù)碼管； ※ 2路獨立式開關(guān)

6、按鍵； ※ 外部晶振電路； ※ 3個LED發(fā)光二極管 三、設(shè)計方案： 根據(jù)要求整個設(shè)計大體可分為四塊： 一是2個按鍵K0,K1,將用戶所需來選擇步進電機的工作狀態(tài)。我們將開關(guān)連入單片機的P1口，通過按鍵開關(guān)的高低電平狀態(tài)來讀入我們所需的控制信號。硬件上直接把開關(guān)分別接在單片機的接口上，通過查詢端口信號來動作，將控制信號處理。在設(shè)計開關(guān)部分時，還考慮到機械抖動的影響，采取硬件方式—并聯(lián)電容來去抖。 二是3個LED發(fā)光二極管的顯示步進電機工作狀態(tài)模塊。在設(shè)計中步進電機正轉(zhuǎn)是黃燈亮，反轉(zhuǎn)是紅燈亮，停止不轉(zhuǎn)是綠燈亮。設(shè)計中將3個發(fā)光二極管分別接到單片機P3口，受到單片機的輸出信號控制。

7、 三是步進電機的工作模塊。要想步進電機按照我們想要的方式運轉(zhuǎn)，將步進電機一端接到+12V的電源，一端接到單片機P3口，受單片機的輸出信號控制。 四是4位數(shù)碼管顯示步數(shù)的模塊。設(shè)計中主要是利用軟件編程的算法來實現(xiàn)步數(shù)的累計和顯示，同樣，4位數(shù)碼管接到單片機的P0口和P2口受單片機輸出信號的控制，在硬件上使用的是動態(tài)顯示的接法。 四、設(shè)計思路與原理 此系統(tǒng)主要由單片機、步進電機、速度顯示模塊、工作狀態(tài)控制與顯示模塊組成。整體框圖如圖1。 圖1 系統(tǒng)整體框圖 1、步進電機的工作原理 步進電機通過輸入脈沖信號進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步

8、進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號進行工作。因此，單片機通過向步進電機驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實現(xiàn)對步進電機的控制。 如圖2所示，U1、V1、W1接電源，分別有三個開關(guān)控制，U2、V2、W2分別接地。 如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。 圖2 步進電機工作原理圖 2、步進電機的啟?？刂? 步進電機由于其電氣特性,運轉(zhuǎn)時會有步進感 ,即振動感。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑 ,減小振動 ,可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波 ,可以減小步進電機的步進角 ,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機停轉(zhuǎn)時

9、 ,為了防止因慣性而使電機軸產(chǎn)生順滑 ,則需采用合適的鎖定波形 ,產(chǎn)生鎖定磁力矩 ,鎖定步進電機的轉(zhuǎn)軸 ,使步進電機的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。 3、步進電機的轉(zhuǎn)向控制 如果給定工作方式正序換相通電 ,步進電機正轉(zhuǎn)。若步進電機的勵磁方式為三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通電換相 ,即則電機就反轉(zhuǎn)。在這種工作方式下,繞組以A—AB—B—BC—C—CA—A時序(或反時序)轉(zhuǎn)換6次,磁場旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子前進一個齒距,每次切換均使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動1. 5°,故這種通電方式稱為三相六柏工作方式。其步距角為： 表1六拍的數(shù)學模型 步序 控制位 工作 狀態(tài)

10、 控制 模型 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 C相 P1.1 B相 P1.0 A相 1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H 2 0 0 0 0 0 0 1 1 AB 03H 3 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H 4 0 0 0 0 0 1 1 0 BC 06H 5 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H 6 0 0 0 0 0 1 0 1 CA 05H 4、步數(shù)顯示模塊原理 速度顯示模

11、塊和工作狀態(tài)顯示模塊，都是通過單片機輸出信號控制發(fā)光二極管LED的亮滅。其中速度顯示模塊中LED構(gòu)成數(shù)碼管，要求顯示4位十進制數(shù)，故用到4位數(shù)碼管。要控制多位的顯示電路，需要有字段控制和字位控制?？刂品绞椒譃殪o態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示方式，每一位的顯示器都需要配一個8位輸出口來輸出該字位的七段碼，需要片外擴展輸出口。而動態(tài)顯示方式將各數(shù)碼管的對應字段的引腳都并聯(lián)在一起，線路簡單，減少接口，不需片外擴展。這里選用動態(tài)顯示方式。 5、步進電機工作方式 （1）K0為啟/?？刂崎_關(guān)，控制整個系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。 （2）K1為正/反轉(zhuǎn)控制開關(guān)，控制步進電機的轉(zhuǎn)向。 6、工作狀態(tài)顯示模塊

12、 LED發(fā)光二極管顯示步進電機的工作狀態(tài)，它們分別接到單片機的P3.3~P3.5。讓單片機輸出通過一個反相器再接到LED陰極，LED陽極接VCC。這樣可以提高電流，有利于二極管的導通，我們可以通過控制P3口的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)LED的亮滅。 7、位數(shù)碼管顯示步數(shù)模塊 LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。通過分時輪流控制各個LED數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。 P0口和P2口的前四個分別接步數(shù)顯示中對

13、數(shù)碼管的字段控制及數(shù)碼管片選，這里主要是由軟件算法來實現(xiàn)單片機輸出的控制。 五、 設(shè)計內(nèi)容： 1、程序流程圖 首先是數(shù)碼管顯示清零，單片機再讀入P1口輸入的按鍵狀態(tài)，先判斷是否啟動，如果沒有啟動則是綠燈亮并再判斷，如果啟動了，就接著判斷所需的電機工作模式，再讀入P1口狀態(tài)判斷電機的轉(zhuǎn)向，輸出控制信號為正轉(zhuǎn)黃燈亮，反轉(zhuǎn)紅燈亮，由此可以讓步進電機按照指定的方式運轉(zhuǎn)，并且累計步數(shù)再顯示到數(shù)碼管上。最后檢驗P1口是否狀態(tài)改變，如果改變則步數(shù)清零重新開始判斷，不改變則繼續(xù)轉(zhuǎn)動。流程圖如圖3所示。 開始 數(shù)碼管顯示清零 啟動？ 選擇工作模式 正轉(zhuǎn)？ b賦予正向指針增量 b賦予反向指針增

14、量 黃燈亮 紅燈亮 P3輸出控制模塊使電機運轉(zhuǎn) P1口改變？ 步數(shù)自增一 調(diào)用步數(shù)顯示程序 綠燈亮 N N N Y Y Y 圖3 2、 PROTUES仿真圖 PROTEUS仿真圖圖4所示。 圖4 3、 程序 #include #include void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0; main() { char a,b,c,d,j,*q, done[14]={0x01,0x03,

15、0x02,0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00}; a=P3; q=done; P3=0x20; //P3.5口置1，綠燈亮，不工作 delay1(); L: a=P3; while(!(a&0x08)) //判斷是否啟動，若沒啟動則重新啟動 { P3=0x20; a=P3; delay1();} if(a&0x10) //判斷電機是否要正轉(zhuǎn) { P3=0x80; //P3.4口為1，

16、電機正轉(zhuǎn)，紅燈亮 b=0;} else { P3=0x40; //P3.4口為，電機反轉(zhuǎn)，黃燈亮 if(a&0x04)b=7; else b=4; } d=b; while(1) { c=*(q+b); //判斷電機步數(shù)是否走完 if(c==0)b=d; //步數(shù)走完，電機重新再走 else { P1=c; //從P1輸出電機控制信號 b++; if(a&0x10) { bs=83; display(bs)

17、; display(bs); } else bs=167; display(bs); //顯示步數(shù) j=a; a=P3; if(a!=j) //判斷P3口狀態(tài)信號是否改變 { if(!(a&0x08))bs=0; //若為停止信號，總步數(shù)清零 goto L; } //狀態(tài)信號改變，返回到開始，重新對電機控制 } } } void delay1() { int i,j; for(i=0;i<2

18、00;i++) for(j=0;j<300;j++); } void display(int n) { unsigned char tab[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x67}; unsigned char i,k,t,num[4]; num[0]=n%10; //將總步數(shù)的各位分別存在num數(shù)組中 num[1]=(n/10)%10; num[2]=(n/100)%10; num[3]=(n/1000)%10; for(t=0;t<

19、5;t++) //掃描5次 { k=0x08; //位選碼指向最左一位,第四位 for(i=0;i<4;i++) { P2=k; //從P2口輸入位選碼 P0=~(tab[num[i]]); //取出顯示碼，并從P0口輸出顯示碼 k=k>>1; //求下一個位選碼 delay2(); } } } void delay2() { int i,j; for(i=0;i<10;i++) for(j=0;j<60;j

20、++); } 六、心得體會 本次課設(shè)是在實習與考試之中穿插進行的，所以時間比較緊張，給課設(shè)的順利完成增加了難度。單片機應用技術(shù)是一門應用性很強綜合性很強的學科，在這次課設(shè)中，我充分感受到了這一點，在老師給的課題之中，是來自于各個方面各個領(lǐng)域的應用，不得不說，單片機很強大，確實改變了我們的生活。 課設(shè)里最困難的部分就是編寫程序和仿真調(diào)試，也許硬件連接沒問題，程序運行沒問題，但是，當把程序?qū)?，發(fā)現(xiàn)電動機就是不轉(zhuǎn)，燈就是不亮，數(shù)碼管就是亂跳，這是很考驗耐心的時候，一遍一遍地去調(diào)試程序，修改連接部分，有時真的看著很崩潰，但是當你不放棄地調(diào)試，才有仿真成功的可能,在這種反復中，對我們自身的能

21、力是提高很多的。另一個收獲就是關(guān)于軟件的使用了。PROTEUS,KEIL51,以前好像也用過，但是平時較少接觸，這次的課設(shè)讓我比較熟練的掌握了這兩個學習軟件強大的功能。 單片機技術(shù)一直是比較實用的一門學科，拿到課程設(shè)計的題目也想著可以好好檢驗自己的學習成果，一直認為，期末考試是所謂的應試教育，而課程設(shè)計似乎更加地考驗所學的知識，所謂實踐與理論相結(jié)合就是這個道理吧。課程設(shè)計總能讓我有一種我站在山面前的感覺，看上去比較陌生高大，但是攀登的技巧早已在平時的學習中習得，不斷地去攀登，不斷地在回味課堂上老師講的東西，書本上的東西，這是一種奇妙的體驗。 我明白遇到的電路或者課題并不一定在你的知識范圍之內(nèi)，而面對新的東西，我們要冷靜地去尋求解決之道，去搜尋網(wǎng)絡資源，圖書館資源以及和同學們的討論之中，再結(jié)合自己所學過的知識來吃透理解那些未知的東西，擴寬知識面，這樣就會覺得學到了遠遠超過課堂的東西，但是卻源于課堂，這就是課設(shè)的意義吧，確實很有收獲。