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1、电气与电子信息工程学院单片机课程设计报告题 目：基于STC89C52单片机的步进电机控制系统设计 专业班级：电气工程及其自动化 学号： 姓 名： 指导教师： 设计时间： 设计地点： 单片机 课程设计成绩评定表答辩或质疑记录：1、电机驱动模块为什么采用两块芯片，而不采用普通的一块芯片驱动？ 答：由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备步进电机控制驱动器。L297是步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机。但在本驱动电路中用L297 来提供时序信号，节省了单片机IO 端口的使用。L298
2、为双全桥步进电机专用驱动芯片内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机。2、四相四线步进电机可换成四相六线步进电机吗？ 答：可以，四相六线步进电机与四相四线步进电机在工作原理上类似。若要换为四相六线后，先把四相六线电机的两根电源线接到+5V电源上。然后将L298的四个输出端口out1,out2,out3,out4顺时针接步进电机的四相线上，这样就连接好了四相六线步进电机了。如过L298的输出端口是逆时针接到步进电机的四相，则电机开始时会反向运转；如果L298的输出端口随意接到步进电机的四相，或故意接得错乱，则电机启动时会抖动，且不会运
3、转。成绩评定依据：课程设计考勤情况 （5）：课程设计仿真测试情况 （15）课程设计答辩情况 （30）：完成设计任务及报告规范性（50）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 2013 年 12 月 日课程设计任务书20132014 学年第 1 学期专业班级： 指导教师： 工作部门： 一、课程设计题目 单片机课程设计 二、课程设计内容（含技术指标）1设计目的及要求（1） 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，以单片机为核心器件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，完成仿真操作。要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整； （2） 熟悉、掌握各种外围接口电路芯片的工作原
4、理和控制方法； （3） 熟练使用单片机汇编语言或C51进行软件设计； （4） 熟练使用Proteus、Keil软件进行仿真电路测试； （5） 熟练使用Protel软件设计印刷电路板； （6） 学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数；（7） 编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告。2设计内容（题目名称： 基于STC89C52单片机的步进电机控制系统设计 ）步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械 的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制 系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现
5、了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机 存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱 动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计， 实现了四相步进电机的正反转，加速及减速等功能。三、课程设计考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。2013年11月一、 方案论证 1.1 设计任务及要求以AT89C52芯片为核心，实现四线四相步进电机的正转、反转、加速以及减速功能。 增加LCD液晶显示屏，使能随时显示步进电机的转动方向和转速大小。1.2程序设计原理框图AT89
6、C52驱动电路晶振电路复位电路控制电路四相步进电机显示电路图1 基本原理框图本设计方案主要包括晶振电路与复位电路、控制电路、驱动电路、显示电路四大部分。晶振电路与复位电路是为了使单片机正常工作。控制电路主要由开关按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线盒，一根启动信号线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选四相步进电机。 该电机共有四相绕
7、组，工作电压为+5V，可以与单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组控制过程如下：P0.0口控制L297的方向控制端（CW/CCW），P0.1控制步进时钟输入端。使L297输出四相八拍工作所需的适当相序（A,B,C,D四相）。L297的四相输出接L298的IN0-IN4使其OUT0-OUT4输出放大后的四相驱动信号，驱动步进电机运行。用P1口的P1.0P1.7 控制LM016L显示步进电机的转速和转动方向。二、硬件设计 本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部 分。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路只要由开关和按键组成， 由操作者根据相应的工作需要进行操作。
8、显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。 （1） 控制电路 图2 控制电路原理图根据系统的控制要求，控制输入部分设置了加速控制，减速控制，正向控制和 反向控制按钮，分别是K1、K2、K3、K4，控制电路如图1所示。通过 K3、K4 状 态变化来实现电机的正向和反向功能。当K3、K4 的状态变化时，内部程序检测 P3.4 和 P3.5的状态来调用换向程序进行电机的正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有软件延时和定时中断在此电
9、路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过K1、K2 的断开和闭合，从而控制外部中断根据 按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改 变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。 （2） 驱动电路 图3 步进电机驱动电路由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备步进电机控制驱动器。L297是步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机。但在本驱动电路中用L297 来提供时序信号，节省了单片机IO 端口的使用。L298
10、为双全桥步进电机专用驱动芯片内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机。（3） 显示模块图4 显示模块通过P1口的P1.0P1.7 控制LM016L显示步进电机的转速和转动方向。（4） 总体电路原理图 图5 总体电路原理图 把各个部分的电路图组合成总电路图，如图5所示。三、软件设计 通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、减速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成 4 个部 分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断 0 和外 部中断1部分，其中主程序的主要功能是
11、系统初始参数的设置及启动开关的检测， 若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率， 它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变 速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。 （1）主程序设计 主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种 开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初 始化定时器、外部中断；对 P1 口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初 值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内 容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均
12、设为 0，就意味着步进电机按四相单八拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0”， 速度值显示“0”，主程序流程图如图4所示。 显示 调显示状态程序 结束 正 是否按键设置定时器工作方式，启动定时器 反 转向标志=1？设置中断方式，开中断 初始化所有存储单元 开始NNYY 调按键处理程序 图6 主程序流程 （2）定时中断设计 步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通 入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个 时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，
13、要做的工作主要是判断电机的运行方向、 发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。（3）外部中断设计 外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变 了电机的转速。速度增加按钮 K1 为 INT0 中断，其程序流程为原数据，当值等于 7时，不改变原数值返回，小于 7 时，数据加 1 后返回；速度减少按钮 K2，当原 数据不为0，减1保存数据，原数据为0开始中断0还是中断1输入？定时器T0还是T1输入？系统初始化反转运行状态加速控制减速控制速度计算正转运行状态显示控制T0有效T1有效都无效中断0输入都无效中断1
14、输入保持不变。 图7 外部中断流程图四、仿真结果结果分析：由于用proteus软件仿真时电机正转、反转、加速或减速时截图都只能看到静止的电机，故单独从电机上看不出效果，但从LCD1液晶显示屏可以看到此时电机的转速。图8图8为电机转速为420r/min ,转动方向为CW（正向）图9图9为电机转速为300r/min ,转动方向为CCW（反向）五、结论及进一步设想 本设计采用51单片机AT89C52（晶振频率为12MHz）对四相四线步进电机进行控制，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，信号经过芯片L297和L298驱动步进电机，之所以用两块芯片作为驱动模块可以节约I/O口的使用。还可以用键盘来对电机的状态进行控制，并用LCD液晶显示屏显示电机的转速及运转方向。设计的步进电机基本能实现预期目标，经过调试和修改，但还是存在问题，比如按开关的时候会出现不稳定的情况，转速有时比较乱，特别是当电机转速很大时电机转动起来比较紊乱，且卡停状态。系统实现了可程序设定和显示步进方向和速度，支持用开关量单独控制步进电机的转向，转速。总的来说电路简单可靠，结构紧凑，控制灵活，成本低，可移植性强。
