湖南工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)資料袋電氣與信息工程學(xué)院（系、部） 2012 2013學(xué)年第 1 學(xué)期課程名稱單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)指導(dǎo)教師肖伸平職稱教授學(xué)生姓名米林專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化1002班學(xué)號(hào)1040700910題目簡(jiǎn)易直流電壓表的設(shè)計(jì)成績(jī)起止日期 2012年 12 月31日 2013年 1 月11日目錄清單序號(hào)材 料 名 稱資料數(shù)量備 注1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2課程設(shè)計(jì)說明書3課程設(shè)計(jì)圖紙張456湖南工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20122013學(xué)年第 1 學(xué)期電氣與信息工程學(xué)院（系、部）自動(dòng)化專業(yè)1002班級(jí)課程名稱：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)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(wù) 試題 設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器。已知三相步進(jìn)電機(jī)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(shí)狀態(tài)是：AABBBCCCAA（100110010011001101100）。開關(guān)SA斷開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，每步定時(shí)1mS，對(duì)應(yīng)速度167轉(zhuǎn)/分；開關(guān)SA閉合時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，每步定時(shí)2mS，對(duì)應(yīng)速度83轉(zhuǎn)/分。步進(jìn)電機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及仿真；程序仿真測(cè)試通過后，再下載到單片機(jī)板上進(jìn)行硬件調(diào)試。進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容2012. 12.31講述設(shè)計(jì)內(nèi)容及基本原理2013.1.1-2013.1.8進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2013.1.10-2013.1.11進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試主要參考資料1 劉苗生、潘宗預(yù).單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).中國(guó)物質(zhì)出版社，2006年2 周潤(rùn)景，張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真M .北京航天航空大學(xué)出版社，2006指 導(dǎo) 教 師 （簽字）：年月日系（教研室）主任（簽字）：年月日（單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)）設(shè)計(jì)說明書（題目）基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器起止日期： 2012年 12 月31日至 2013年 1 月11日學(xué)生姓名米林班級(jí)自動(dòng)化1002班學(xué)號(hào)成績(jī)指導(dǎo)教師(簽字)電氣與信息工程學(xué)院2013年1月11日一、設(shè)計(jì)任務(wù)：試題 設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器。已知三相步進(jìn)電機(jī)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(shí)狀態(tài)是：AABBBCCCAA（100110010011001101100）。開關(guān)SA斷開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，每步定時(shí)1mS，對(duì)應(yīng)速度167轉(zhuǎn)/分；開關(guān)SA閉合時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，每步定時(shí)2mS，對(duì)應(yīng)速度83轉(zhuǎn)/分。步進(jìn)電機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及仿真；程序仿真測(cè)試通過后，再下載到單片機(jī)實(shí)訓(xùn)板上執(zhí)行。二、單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件資源介紹： 89C51單片機(jī)； 4位共陽極數(shù)碼管； 2路獨(dú)立式開關(guān)按鍵； 外部晶振電路； 3個(gè)LED發(fā)光二極管三、設(shè)計(jì)方案：根據(jù)要求整個(gè)設(shè)計(jì)大體可分為四塊：一是2個(gè)按鍵K0,K1,將用戶所需來選擇步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)。我們將開關(guān)連入單片機(jī)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(hào)。硬件上直接把開關(guān)分別接在單片機(jī)的接口上，通過查詢端口信號(hào)來動(dòng)作，將控制信號(hào)處理。在設(shè)計(jì)開關(guān)部分時(shí)，還考慮到機(jī)械抖動(dòng)的影響，采取硬件方式并聯(lián)電容來去抖。二是3個(gè)LED發(fā)光二極管的顯示步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)模塊。在設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)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(jì)中將3個(gè)發(fā)光二極管分別接到單片機(jī)P3口，受到單片機(jī)的輸出信號(hào)控制。三是步進(jìn)電機(jī)的工作模塊。要想步進(jìn)電機(jī)按照我們想要的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，將步進(jìn)電機(jī)一端接到+12V的電源，一端接到單片機(jī)P3口，受單片機(jī)的輸出信號(hào)控制。四是4位數(shù)碼管顯示步數(shù)的模塊。設(shè)計(jì)中主要是利用軟件編程的算法來實(shí)現(xiàn)步數(shù)的累計(jì)和顯示，同樣，4位數(shù)碼管接到單片機(jī)的P0口和P2口受單片機(jī)輸出信號(hào)的控制，在硬件上使用的是動(dòng)態(tài)顯示的接法。四、設(shè)計(jì)思路與原理此系統(tǒng)主要由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、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(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)通過輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行工作。因此，單片機(jī)通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。如圖2所示，U1、V1、W1接電源，分別有三個(gè)開關(guān)控制，U2、V2、W2分別接地。如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2 步進(jìn)電機(jī)工作原理圖2、步進(jìn)電機(jī)的啟?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)由于其電氣特性,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感 ,即振動(dòng)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑 ,減小振動(dòng) ,可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波 ,可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角 ,提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí) ,為了防止因慣性而使電機(jī)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸 ,使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。3、步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制如果給定工作方式正序換相通電 ,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)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(jī)就反轉(zhuǎn)。在這種工作方式下,繞組以AABBBCCCAA時(shí)序(或反時(shí)序)轉(zhuǎn)換6次,磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距,每次切換均使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(xué)模型步序 控制位工作狀態(tài)控制模型P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2C相P1.1B相P1.0A相100000001A01H200000011AB03H300000010B02H400000110BC06H500000100C04H600000101CA05H4、步數(shù)顯示模塊原理速度顯示模塊和工作狀態(tài)顯示模塊，都是通過單片機(jī)輸出信號(hào)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(jìn)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(dòng)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(gè)8位輸出口來輸出該字位的七段碼，需要片外擴(kuò)展輸出口。而動(dòng)態(tài)顯示方式將各數(shù)碼管的對(duì)應(yīng)字段的引腳都并聯(lián)在一起，線路簡(jiǎn)單，減少接口，不需片外擴(kuò)展。這里選用動(dòng)態(tài)顯示方式。5、步進(jìn)電機(jī)工作方式（1）K0為啟/?？刂崎_關(guān)，控制整個(gè)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。6、工作狀態(tài)顯示模塊LED發(fā)光二極管顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，它們分別接到單片機(jī)的P3.3P3.5。讓單片機(jī)輸出通過一個(gè)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(dǎo)通，我們可以通過控制P3口的數(shù)據(jù)，實(shí)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(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會(huì)發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。P0口和P2口的前四個(gè)分別接步數(shù)顯示中對(duì)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出的控制。五、 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、程序流程圖首先是數(shù)碼管顯示清零，單片機(jī)再讀入P1口輸入的按鍵狀態(tài)，先判斷是否啟動(dòng)，如果沒有啟動(dòng)則是綠燈亮并再判斷，如果啟動(dòng)了，就接著判斷所需的電機(jī)工作模式，再讀入P1口狀態(tài)判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向，輸出控制信號(hào)為正轉(zhuǎn)黃燈亮，反轉(zhuǎn)紅燈亮，由此可以讓步進(jìn)電機(jī)按照指定的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，并且累計(jì)步數(shù)再顯示到數(shù)碼管上。最后檢驗(yàn)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(dòng)。流程圖如圖3所示。開始數(shù)碼管顯示清零啟動(dòng)？選擇工作模式正轉(zhuǎn)？b賦予正向指針增量b賦予反向指針增量黃燈亮紅燈亮P3輸出控制模塊使電機(jī)運(yùn)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NNNYYY圖32、 PROTUES仿真圖 PROTEUS仿真圖圖4所示。圖43、 程序#include<reg51.h> #include<stdio.h> void delay1(void); void delay2(void); void display(int); int bs=0;main() char a,b,c,d,j,*q, done14=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00,0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00; 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(dòng)，若沒啟動(dòng)則重新啟動(dòng) P3=0x20; a=P3; delay1(); if(a&0x10) /判斷電機(jī)是否要正轉(zhuǎn) P3=0x80; /P3.4口為1，電機(jī)正轉(zhuǎn)，紅燈亮 b=0; else P3=0x40; /P3.4口為，電機(jī)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(jī)步數(shù)是否走完 if(c=0)b=d; /步數(shù)走完，電機(jī)重新再走 else P1=c; /從P1輸出電機(jī)控制信號(hào) b+; if(a&0x10) bs=83;display(bs);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(hào)是否改變 if(!(a&0x08)bs=0; /若為停止信號(hào)，總步數(shù)清零 goto L; /狀態(tài)信號(hào)改變，返回到開始，重新對(duì)電機(jī)控制 void delay1() int i,j; for(i=0;i<200;i+) for(j=0;j<300;j+); void display(int n) unsigned char tab10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x67; unsigned char i,k,t,num4; num0=n%10; /將總步數(shù)的各位分別存在num數(shù)組中 num1=(n/10)%10; num2=(n/100)%10; num3=(n/1000)%10; for(t=0;t<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=(tabnumi); /取出顯示碼，并從P0口輸出顯示碼 k=k>>1; /求下一個(gè)位選碼 delay2(); void delay2() int i,j; for(i=0;i<10;i+) for(j=0;j<60;j+); 六、心得體會(huì)本次課設(shè)是在實(shí)習(xí)與考試之中穿插進(jìn)行的，所以時(shí)間比較緊張，給課設(shè)的順利完成增加了難度。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，在這次課設(shè)中，我充分感受到了這一點(diǎn)，在老師給的課題之中，是來自于各個(gè)方面各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，不得不說，單片機(jī)很強(qiáng)大，確實(shí)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(yùn)行沒問題，但是，當(dāng)把程序?qū)?，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)就是不轉(zhuǎn)，燈就是不亮，數(shù)碼管就是亂跳，這是很考驗(yàn)?zāi)托牡臅r(shí)候，一遍一遍地去調(diào)試程序，修改連接部分，有時(shí)真的看著很崩潰，但是當(dāng)你不放棄地調(diào)試，才有仿真成功的可能,在這種反復(fù)中，對(duì)我們自身的能力是提高很多的。另一個(gè)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(shí)較少接觸，這次的課設(shè)讓我比較熟練的掌握了這兩個(gè)學(xué)習(xí)軟件強(qiáng)大的功能。單片機(jī)技術(shù)一直是比較實(shí)用的一門學(xué)科，拿到課程設(shè)計(jì)的題目也想著可以好好檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)成果，一直認(rèn)為，期末考試是所謂的應(yīng)試教育，而課程設(shè)計(jì)似乎更加地考驗(yàn)所學(xué)的知識(shí)，所謂實(shí)踐與理論相結(jié)合就是這個(gè)道理吧。課程設(shè)計(jì)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(shí)的學(xué)習(xí)中習(xí)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(yàn)。我明白遇到的電路或者課題并不一定在你的知識(shí)范圍之內(nèi)，而面對(duì)新的東西，我們要冷靜地去尋求解決之道，去搜尋網(wǎng)絡(luò)資源，圖書館資源以及和同學(xué)們的討論之中，再結(jié)合自己所學(xué)過的知識(shí)來吃透理解那些未知的東西，擴(kuò)寬知識(shí)面，這樣就會(huì)覺得學(xué)到了遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)很有收獲。