电工技师毕业论文.doc

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1、维 修 电 工 技 师 论 文完整图片 题 目： 单片机控制步进电机 单 位： 广百惠州店商贸有限公司 省 市： 广东省惠州市 姓 名： 张立宏 指导教师： 周彩云 日 期： 2011年05月05日 目 录摘要2引言2第一章：单片机部分3（一）单片机的应用3（二）MCS-51单片机3（三）STC89C52RC芯片简介3（四）STC89C52RC单片机系统最小电路41：时钟电路42：复位电路5（五）STC89C52RC单片机下载线5（六）STC89C52RC单片机编程器6（七）STC89C52RC单片机编译器6第二章：数码管部分7（一）数码管的应用7（二）数码管的结构及硬件原理图7（三）二位一体

2、数码管内部结构8（四）驱动数码管的方法9（五）芯片74HC595简介9第三章：步进电动机部分10（一）步进电机简介10（二）步进电机工作原理10（三）永磁式步进电动机的控制及驱动方法11（四）芯片ULN2003简介12（五）芯片 CD4069 简介12第四章：系统12V和5V的电源电路13第五章：系统整体方案及设计14（一）设计要求及实现的功能14（二）系统框图15（三）程序流程图15（四）单片机I/O分配15（五）系统电路图16（六）系统程序16第六章：总结19单片机控制步进电机的设计广百惠州店商贸有限公司张立宏摘要步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，具有

3、控制简便、定位准确等特点。本文设计了基于STC89C51RC单片机利用汇编语言编程设计对步进电动机的控制系统，给出了系统框图、系统整体电路图和程序流程图。所设计系统通过按键实现对步进电动机的基本控制，并利用数码管实时显示步进电动机的运行状态。该设计方案开发成本比较低，并且具有全面性、灵活性，对初学单片机的学者有很好的参考性，在实际的应用当中又具有很强的实用性。关键词 ：MCS-51；单片机；步进电机；数码管引言 随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件, 具有快速起动和停止的特点。 通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉

4、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）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等，凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。第一章：单片机

5、部分（一）单片机的应用 单片微型计算机（single chip microcomputer）简称单片机1各类专用控制器而设计的通用或专用微型计算机系统，高密度集成了普通计算机微处理器，一定容量的RAM和ROM以及输入/输出接口，定时器等电路于一块芯片上构成的。单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。单片机是生活必不可缺的，顾名思义单片机的应用是很广泛的，导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机的网络通讯和数据传输、工业自动化过程和实时控制数据处理、广泛使用的智能IC卡、民用豪华轿车的安全保障系统、录像机和摄像机、全自动洗衣机的

6、控制、以及程控玩具、电子宠物等等。在数字控制系统中，步进电机用作伺服元件，广泛用于数控机床、绘图机、自动记录仪表、轧钢机自动控制、数模转换等装置中，所以研究单片机对步进电机的控制有实用的意义。（二）MCS-51单片机MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以习惯用8051来称呼MCS-51系列单片机。其中89C52单片机是我国非常流行的单片机，本次设计采用MCS-51系列单片机中的STC89C52RC单片机。（三）

7、STC89C52RC芯片简介STC89C52RC为40 脚双列直插封装的8 位的C52内核的通用微处理器，管脚排布及内部功能详见如下。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义。RST（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。ALE (30 脚)为地址锁存信号输入端，用作对外输出时钟或定时信号。PSEN（29 脚）为程序存储允许输出信号端。EA（31 脚）为外部程序存储器地址允许输入端，STC8

8、9C52RC单片机内部已经上拉到高电平，因此不用将此管脚外接高电平进行执行片内程序存储器内的程序。STC89C52RC的引脚图如下图1-1所示；内部功能表如下表1-2所示.图 1-1 STC89C52RC的引脚表 1-2 STC89C52RC的内部功能（四）STC89C52RC单片机系统最小电路单片机最小电路一般有两块：时钟电路和复位电路。1：时钟电路由一个晶振和两个小电容组成，用来产生时钟频率（如图1-3）。STC89C52RC单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡器电路的输入端和输出端，时钟可由内部和外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件

9、，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHz，C1、C2的电容值取30PF,电容的大小对频率起微调的作用。图 1-3 时钟电路2：复位电路由一个电阻和一个电容组成，用来产生复位信号，使单片机上电的时候复位（如图1-4）。单片机有多种复位电路，本系统采用上电复位方式，当上电时使单片机复位。偶尔碰到干扰时会造成错误复位，但是大多数条件下，不会出现单片机错误复位。图1-4 复位电路（五）STC89C52RC单片机下载线STC89C52RC单片机的随机存取存储器为FLASH,称为闪速存储器，只要用电学的办法就能擦除，寿命也很长，几万到十几

10、万次不等，同时可以实现在线编程，通过编程线路，将电脑中写好的单片机程序，经电脑串口和电平转换电路实现将数据串行传输给单片机。我们通常称编程线路为ISP-下载线，在线编程线路如下图1-5。图1-5在线编程线路（六）STC89C52RC单片机编程器STC89C52RC单片机的编程器也叫ISP下载工具软件，针对不同型号的单片机适用的编程器有很多种，这里选用STC-ISP.EXE软件，如下图1-6 ISP下载工具,支持*.HEX(INTEL 16 进制格式)文件，下载时需要单片机内部的电放光后上电复位（冷起动）再运行系统ISP程序。图1-6 ISP下载工具下载步骤：Step1/步骤1：选择使用的单片机

11、型号，如STC89C52RC.Step2/步骤2：打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码（*.bin,*.hex）.Step3/步骤3：选择电脑使用的串行口（或用USB-RS232转接器），如串行口1-COM1Step4/步骤4：设置是否双倍速，双倍速选中Double Speed即可Step5/步骤5：选择Download/下载按钮下载用户的程序进单片机内部下载时注意：一般先选择Download/下载按钮，然后再给单片机上电复位（先彻底断电），而不要先上电，即实现冷启动。（七）STC89C52RC单片机编译器单片机的编译器又叫编程软件，编程软件有很多，如KEIL,伟福等，这里使用伟福

12、-V-系列的编程软件，如下图1-7伟福软件。使用简介：步骤一：选择仿真器的类型，在仿真器设置里面选择CPU的类型步骤二：新建文件，在文本框内书写用户的程序步骤三：在项目设置里面选择编译，生成*.bin,*.hex文件步骤四：在文件设置里面选择文件保存使用时注意：在仿真器设置里面选择目标文件，将生成BIN文件和生成HEX文件两项选择，如不选择则编译时不会生成*.bin和*.hex文件。图1-7 伟福软件第二章：数码管部分（一）数码管的应用 数码管因成本较低、驱动电路简单、既可以显示数字，又可以组合显示简单的图形，因此在工业控制、计数器、定时器等需要显示的场合得到广泛的应用。（二）数码管的结构及硬

13、件原理图 数码管一般由多个LED发光二极管组成，常见的7段数码管内部由8个LED组合而成，其中一个小数点。可显示0到9的数字、字符型A到F或一些特殊的字符，如下图图2-1数码管的外部结构及引脚。数码管除了颜色、亮度、尺寸、位数和制作工艺不同外，在电路结构上分为二种，如下图2-2数码管的内部结构：一种是共阳极结构，一种是共阴极结构，二种数码管的驱动方式是刚好相反的，所以在实际应用中不能直接相互代换。本设计采用的是共阴极二位一体数码管。图2-1数码管的外部结构及引脚图2-2数码管的内部结构（三）二位一体数码管内部结构 二位一体的数码管是由二个单只的数码管封装而成，每个数码管的A、B、C、D、E、F

14、、G、DB的8根引线并联在一起，一般称为数码管的段口，而2个公共端则单独引出，一般称为位选，所以一般的二位数码管的引脚是10只或以上。如下图图2-3二位一体共阴极数码管内部结构。图2-3二位一体共阴极数码管内部结构（四）驱动数码管的方法 单片机驱动数码管一般有静态驱动和动态驱动二种方式。静态驱动亮度高、驱动简单，但是需要增加额外的驱动电路，因此成本较高。动态扫描亮度稍低，但是驱动电路比较简单，成本较低，因此应用比较广泛。本次设计采用利用74HC595对数码管动态驱动的方式。数码管在正常工作的时候，段口和位选都需要送入正确的电平信号，它才能正常工作。如要数码管显示1，当B、C段发光时，即只要将B

15、、C段对应的引脚置高电平，COM段对应的引脚置低电平，就能够表示出数字1。段口位与段码和驱动芯片74HC595的对应关系，如下表2-4共阴极数码管段码表。 表2-4共阴极数码管段码表（五）芯片74HC595简介它是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能，如图2-5。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能 OE时（为低电平），存

16、储寄存器的数据输出到总线。每当SHcp上升沿到来时,DS引脚当前电平值在移位寄存器中左移一位，在下一个上升沿到来时移位寄存器中的所有位都会向左移一位，同时Q7也会串行输出移位寄存器中高位的值，这样连续进行8次，就可以把数组中每一个数（8位的数）送到移位寄存器；然后当STcp上升沿到来时，移位寄存器的值将会被锁存到锁存器里，并从Q17引脚输出。图2-5 74HC595及其引脚第三章：步进电动机部分（一）步进电机简介步进电动机是一种把电脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件。其转子为多级，定子有多相不同连接的控制绕组。由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电动机就移动一步，故也称为脉冲电动机

17、。它的直线位移或角位移量与脉冲数成正比，其线性速度或转速与脉冲频率成正比。改变脉冲频率的高低，即可调节电机转速，并能快速起动、制动和反转。在一相绕组长期通电状态下具有自锁能力，在负载能力范围内，不因电源电压、负载、环境条件波动而变化，在不丢步情况下，其步距误差不会长期积累。步进电动机用于开环系统，可使整个系统大为简化，并可提高运行的可靠性；也可以加上速度和位置检测装置，用于闭环系统。步进电动机的分类：按运动形式分旋转式和直线式；按工作原理分反应式、永磁式和永磁感应子式；按定子数目分单定子式和多定子式；按相数分单相、两相、三相及多相。本次设计采用的是永磁式步进电动机。（二）步进电机工作原理一个三

18、相反应式步进电动机如图3-7，定子有六个磁极，每两个相对的极绕有一相控制绕组，转子只有四个齿，齿宽等于定子极靴宽，上面没有绕组，若通电次序为U-W-V-U,则电机将按顺时针方向转动，这种通电的方式为三相单三拍，单是指每次只一相控制绕组通电，三拍是指经过三次切换控制绕组的通电状态完成一个循环。步进电动机每拍转子所转过的角位移称为步距角，三相单三拍通电方式步距角为30度。三相步进电动机除了单三拍通电方式外，还有“双三拍”、“单、双六拍”等通电方式，“双三拍”即按UV-VW-WU的通电顺序，“单、双六拍”则按U-UV-V-VW-W-WU-UD的通电顺序。步进电动机除做成三相外，还有两相、四相、五相或

19、六相等，随相数、齿数增多，步距角减小，转速也降低。图3-1三相反应式步进电动机（三）永磁式步进电动机的控制及驱动方法 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。本设计选择使用步进电动机的型号为PM42S-048-KW01。表3-1为PM42S-048-KW01型步机电机参数。图3-2是PM42S-048-KW01型永磁步进电机的外形图和接线图，从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈有两个公共端点COM引出，这样一共有6根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将COM端标识为C，只要AC、C、BC、C，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可

20、以有多种，如果将COM端接正电源，那么只要用开关元件，将A、B轮流接地。步进电动机工作电压为12V，最大电流为0.26A，因此用一块开路输出达林顿驱动器（ULN2003）来作为驱动，通过P1.0P1.3来控制各线圈的接通与切断，电路如图3所示。开机时，P1.0P1.3均为高电平，因此只要将反向驱动器（CD4069UBE）连接在单片机与驱动器之间，就可以实现，依次将P1.0P1.3切换为低电平即可驱动步进电机运行，注意在切换之前将前一个输出引脚变为高电平。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间，而要改变电机的转动方向，只要改变各线圈接通的顺序。表3-2 PM42S-048-KW01型

21、步机电机参数图3-3 PM42S-048-KW01型永磁步进电机的外形图和接线图（四）芯片ULN2003简介 ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，由七个硅NPN达林顿管组成。如图3-7 ULN2003的内部结构，每一对达林顿都串联一个2.7k的基极电阻，在5v的工作电压下能与TTL和CMOS电路直接相连，可直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。它的工作电压高，工作电流大，关态时能承受50v的电压，输出还可以高负载电流并行运行。它是一个非门电路，包括7个输入单元（1-7），和7个输出单元（10-16），并且相互对应使用，9脚可以悬空或接电源。 图3-4 ULN2003的内部结构（五）

22、芯片 CD4069 简介 CD4069是六反相器，如图3-8 CD4069引脚功能，就是在一个集成电路中有六个非门,非门的功能是（反相）:输入1则输出为0,输入0则输出1. 有14个引脚：1脚和2脚（1输入2输出），3脚和4脚（3输入4输出），5脚和6脚（5输入6输出），8脚和9脚（9输入8输出），10脚和11脚（11输入10输出），12脚和13脚（13输入12输出），7脚是VSS，14脚是VCC。未使用的脚有四种接法，输入接地，输出接VCC；输入接VCC，输出接地；输入接地，输出悬空；输入接VCC，输出悬空。图3-5 CD4069引脚功能第四章：系统12V和5V的电源电路220V交流市电通过

23、电源变压器换成交流低压，再过桥式整流电路和滤波电容，其中滤波电容与桥式电路并联，在固定式三端稳压器和地两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。此直流电压经过12V三端稳压器和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的12V直流输出电压,此电压供给步进电动机和ULN2003驱动器使用，此12V直流电压再经过5V三端稳压器和电容的滤波，便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的5V直流输出电压,本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器7812和7805是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、

24、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。电路设计如下。图4-1 12V和5V的电源电路第五章：系统整体方案及设计（一）设计要求及实现的功能通过单片机STC89C52RC来控制步进电动机，开机后，电机不转，按下启动键，电机正转，速度为25转/分，按下加1键，速度增加一档，按下减1键，速度降低档，最高速度为100转/分，最低转带为25转/分，按下停止键，电机停转。同时速度当前值在数码管上显示出来。按要求，最低转速为25转/分，而上述步进电机的步距角为7.5，即每48个脉冲为1周，即在最低转速时，要求为1200脉冲/分，相当于50ms

25、/脉冲。而在最高转速时，要求为100转/分，即48000脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。如果设脉冲时间为T(T10),转速为V(V125),则可得脉冲时间和转速之间的关系为，V*T=1250。例如：60/（50ms/脉冲*48个脉冲为1周）/1000=25。根据公式可以列出下表，设定时器定时常数为X. 本次采用速度档位为25转/分，30转/分，35转/分，40转/分，45转/分，50转/分，55转/分，60转/分，65转/分，70转/分，75转/分，80转/分，85转/分，90转/分，95转/分，100转/分进行设计，即实现间隔调速。每次按加一或减一按键，速度实现间隔档位加速或减速。当中还

26、要实现的功能：12V和5V的电压输入，时钟电路、复位电路和下载线电路的设置，74HC595芯片、CD4069芯片及ULN2003芯片的应用，以及单片机的编程器和编译器的软件使用。表5-1步进电机间隔转速与定时器定时常数关系（二）系统框图 图5-2系统框图（三）程序流程图 图5-3程序流程图（四）单片机I/O分配表5-4 单片机I/O分配表（五）系统电路图图5-5系统整体电路图（六）系统程序第六章：总结论文是学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的单片机对步进电动机控制的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工

27、程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行设计的目的所在。虽然设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种软件的安装方式，我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求， 通过设计我意识到：要向更完美的进行一次设计，与其他专业人才的交流沟通是很有必要的。提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了很多实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力，从这次设计，这给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。本次设计是在指导老师的帮助下完成的，在设计研究的过程中，老师给予了指导，并提供了很多与该研究相关的重要信息，培养了我对科学研究的严谨态度和创新精神，这将非常有利于我今后的学习和工作。