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1、
步進電動機的設(shè)計報告
題 目：步進電動機的設(shè)計與制作
學(xué) 院：大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院
專 業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)
班 級：電信113
學(xué)生姓名：王浩
指導(dǎo)教師：馬光喜老師
2、
2015年1月6日
目錄
前言---------------------------------------------------------------2
1. 設(shè)計目標(biāo)及內(nèi)容------------------------------------------------3
1.1 設(shè)計內(nèi)容---------------------------------------------------4
1.2 設(shè)計目的----------------------------------------------
3、-----4
2. 硬件原理及設(shè)計分析--------------------------------------------4
2.1 步進電機的工作原理-----------------------------------------5
2.2 液晶顯示原理 ----------------------------------------------5
2.3 步進電機轉(zhuǎn)速控制及顯示設(shè)計（LCD顯示轉(zhuǎn)速）的硬件框圖--------6
2.4 總的硬件電路圖---------------------------------------------7
3. 軟件分析及設(shè)計-
4、-----------------------------------------------8
3.1 軟件需求分析-----------------------------------------------8
3.2 程序流程圖-------------------------------------------------8
3.3 軟件代碼---------------------------------------------------9
4. 操作說明及結(jié)果分析-------------------------------------------18
5. 調(diào)試過程
5、中遇到的問題和解決方法-------------------------------18
6. 硬件實習(xí)總結(jié)-------------------------------------------------19
7． 參考文獻-----------------------------------------------------19
前言
在電子科技不斷飛速發(fā)展的今天，數(shù)字控制技術(shù)得到了廣泛而深入的應(yīng)用。步進電機是一種將數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動元件, 具有快速起動和停止的特點。因為步進電動機組成的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能上能滿足工業(yè)控制
6、的基本要求，所以廣泛地應(yīng)用于手工業(yè)自動控制、數(shù)控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設(shè)備、照相機,投影儀、數(shù)碼攝像機、大型望遠鏡、衛(wèi)星天線定位系統(tǒng)、醫(yī)療器件以及各種可控機械工具等等。
步進電機突出的優(yōu)點是它可以在寬廣頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，在需要精確定位的地方都要用到它，比如打印機、繪圖儀等。而LCD顯示屏在很多數(shù)碼產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，如計算器,IC卡電話機,電子手表,掌上電腦,儀表顯示屏等。
同時，單片機也廣泛應(yīng)用于實時控制、智能儀器、儀表通信和家用電器等各個領(lǐng)域，所涉及的內(nèi)容非常廣泛，是計算機科學(xué)、電子學(xué)、自動控制等基礎(chǔ)知識的綜合應(yīng)用。單片機的應(yīng)用系統(tǒng)有硬件和軟件所組成。
7、本次硬件實習(xí)是基于51單片機對步進電機轉(zhuǎn)速進行控制，加之液晶的顯示，使其轉(zhuǎn)速的檔位和方向顯示在液晶上。
1. 設(shè)計目標(biāo)及內(nèi)容
1.1 設(shè)計內(nèi)容
1.1.1 利用實驗平臺上單片機P0口輸出脈沖序列，74LS244輸出開關(guān)量，開關(guān)K2—K7控制步進電機轉(zhuǎn)速，（分6檔），K0,K1控制轉(zhuǎn)向。驅(qū)動方式分兩種，四相四拍、四相八拍，通過軟件設(shè)計，控制步進電機的轉(zhuǎn)速和方向。并將轉(zhuǎn)速（1~6檔）和轉(zhuǎn)向（正轉(zhuǎn)“1”，反轉(zhuǎn)“0”） 顯示在LCD顯示器上
1.2 設(shè)計目的
1.2.1 了解步進電
8、機控制的基本原理；
1.2.2 掌握液晶顯示圖形的基本方法，從而對其它液晶屏的使用也能得心應(yīng)手。
2. 硬件原理及設(shè)計分析
2.1 步進電機的工作原理
該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。
圖1 四相步進電機步進示意圖
開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相
繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁
9、極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。
四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別
10、如圖2.a、b、c所示：
a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍
圖2 通電時序波形
本實驗使用的步進電機用直流+12V電壓，電機線圈由A、B、C、D四相組成。驅(qū)動方式為四相四拍方式,各線圈通電順序如下表。表中首先向A線圈輸入驅(qū)動電流， 接著B、C、D線圈驅(qū)動，最后又返回到A線圈驅(qū)動，按這種順序切換，電機軸按順時針方向旋轉(zhuǎn)。若通電順序相反，則電機軸按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。
（注：為提高步進電機負載能力和運行平穩(wěn)，可使用四相八拍驅(qū)動方式。）
順序/相
A
B
C
D
0
0
1
1
11、
1
1
1
0
1
1
2
1
1
0
1
3
1
1
1
0
表二：驅(qū)動方式
2.2 液晶顯示原理
本實驗用的是1602液晶，1602液晶可以顯示兩行字符，其寫入字符是根據(jù)時序特點，寫指令，寫數(shù)據(jù)等操作。以下是1602液晶的相關(guān)資料，
讀狀態(tài)
輸入
RS=L，R/W=H，E=H
輸出
D0—D7=狀態(tài)字
寫指令
輸入
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令碼，E=高脈沖
輸出
無
讀數(shù)據(jù)
輸入
RS=H，R/W=H，E=H
輸出
D0—D7=數(shù)
12、據(jù)
寫數(shù)據(jù)
輸入
RS=H，R/W=L，D0—D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖
輸出
無
表二：基本操作時序表
讀寫操作時序如圖所示
圖3：讀操作時序
圖4：寫操作時序
2.3 步進電機轉(zhuǎn)速控制及顯示設(shè)計（LCD顯示轉(zhuǎn)速）的硬件框圖
如圖5所示，整個硬件圍繞51單片機，根據(jù)開關(guān)輸入通過外接電路控制步進電機的轉(zhuǎn)速和方向，并顯示在液晶上。
8051單片機作為處理器，整個硬件功能圍繞8051進行實現(xiàn)，首先，由開關(guān)通過擴展輸入實現(xiàn)對整個硬件功能的控制。當(dāng)開關(guān)設(shè)置為某個狀態(tài)時，由8051單片機輸出相應(yīng)的值，通過擴展輸出對步進電機進行相應(yīng)方向和轉(zhuǎn)速的控制
13、，并由1602進行相應(yīng)的顯示。
8051單片機
開關(guān)
液晶LCD
步進電機
擴展輸出
驅(qū)動電路
LCD驅(qū)動電路
擴展輸入
圖5 硬件框圖
2.4 總的硬件電路圖
如硬件電路圖圖6所示。其中，74LS373為地址鎖存器，74LS244為帶3態(tài)輸出的八緩沖器，74LS273為帶清除的八觸發(fā)器；74LS138為三八譯碼器。開關(guān)由擴展輸入對單片機進行輸入相關(guān)變量，從而通過單片機對步進電機的轉(zhuǎn)速和方向進行控制。再有液晶進行相應(yīng)的顯示。
3. 軟件分析及設(shè)計
3.1
14、軟件需求分析
本實習(xí)要求用開關(guān)控制步進電機的轉(zhuǎn)速和方向，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在液晶上；通過分析，我們只需將開關(guān)的輸入量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的步進電機轉(zhuǎn)速即可，然而，通過前面講過的步進電機的相關(guān)驅(qū)動方式我們可以知道，轉(zhuǎn)速可以通過設(shè)置延時子程序的時間長短來實現(xiàn)，而步進電機的方向則通過不同的時序來控制，從而加上很容易的實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)速控制，在根據(jù)液晶的時序規(guī)則來顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，很簡單的實現(xiàn)了整個實習(xí)要求。
3.2 程序流程圖
如圖(圖7：程序流程圖)所示，在程序開始后先進行各個參數(shù)的初始化，然后對開關(guān)量進行讀取，根據(jù)讀取的數(shù)值進行對步進電機的轉(zhuǎn)速量和方向量進行設(shè)置，并同時在LCD上顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，定時
15、，置輸出地址，然后輸出相應(yīng)的參數(shù)，從而實現(xiàn)對步進電機和液晶的相應(yīng)控制。
圖7：
如下圖(圖8：LCD框圖所示)為LCD液晶的顯示子程序框圖,程序先進行LCD初始化，然后進行清屏，在需要寫入時，對LCD進行寫操作，最后就可以顯示出來你想要的字符。
圖8：LCD程序框圖
3.3 軟件代碼
#include "reg52.h"
#include
//#define uchar unsigne
16、d char
//#define uint unisgned int
//#define BYTE unsigned char
//#define num unsigned int
sbit k1 = P2^0;
sbit k2 = P2^1;
sbit k3 = P2^2;
sbit k4 = P2^3;
sbit k5 = P2^4;
sbit k6 = P2^5;
sbit k7 = P2^6;
sbit k8 = P2^7;
void delay1(unsigned int t) //電機驅(qū)動延時程序
{
unsigned int k;
whi
17、le(t--)
{
for(k=0; k<100; k++)
}
}
void motor_ffw(unsigned char i) //電機順時針轉(zhuǎn)動程序
{
P1=0x01;
delay1(i);
P1=0x02;
delay1(i);
P1=0x04;
delay1(i);
P1=0x08;
delay1(i);
}
void motor_ffz(unsigned char i) //電機逆時針轉(zhuǎn)動程序
{
P1=0x0
18、1;
delay1(i);
P1=0x02;
delay1(i);
P1=0x04;
delay1(i);
P1=0x08
delay1(i);
}
sbit RS = P0^5; //定義P2^5為液晶控制端口RS
sbit RW = P0^6;
sbit E = P0^7;
uchar code table[]=" Gui zhou da xue " //字符定義
uchar code table1[]="wangxiaogang "
uchar code table2[]="1120020075
19、 "
uchar code table3[]=" SPEED:123456";
uchar code table4[]=" startstepmotor ";
uchar code table5[]=" SPEED: ";
uchar code table6[]="123456";
typedef unsigned char BYTE; //定義字符變量BYTE
typedef unsigned int WORD; //定義整形變量WORD
typedef bit BOOL; //字符變量BOOL
//LCD驅(qū)動程序
void lcddelay(BYTE ms)
20、 // 延時子程序
{
BYTE i;
while(ms--)
{
for(i = 0; i< 250; i++) //循環(huán)250次
{
_nop_();
_nop_();
_nop_(); //空操作延時1us
_nop_();
}
}
}
// 測試LCD忙碌狀態(tài)-忙檢測函數(shù)
BOOL lcd_bz()
{
B
21、OOL result; //定義字符變量result,用于存放測試的LCD忙碌狀態(tài)值
RS = 0; // 寄存器的選擇控制口，選擇指令寄存器
RW = 1; // 讀寫操作控制端口， RW = 1表示讀操作
E = 1; //
_nop_(); // 延時4us
_nop_();
_nop_();
_nop_();
result = (BOOL)(P0 & 0x80);
E = 0;
return result;
}
//寫入指令數(shù)
22、據(jù)到LCD
void lcd_wcmd(BYTE cmd)
{
while(lcd_bz());
RS = 0;
RW = 0;
E = 0;
_nop_();
_nop_();
P0 = cmd;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
E = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
E = 0;
}
//寫入字符顯示數(shù)據(jù)到LCD
void lcd_wda
23、t(BYTE dat)
{
while(lcd_bz());
RS = 1;
RW = 0;
E = 0;
P0 = dat;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
E = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
E = 0;
}
}
//LCD初始化設(shè)定
void lcd
24、_init()
{
lcd_wcmd(0x38); //設(shè)置LCD為8位數(shù)據(jù)，兩行顯示，5*7點陣
lcddelay(1);
lcd_wcmd(0x0E); //顯示開關(guān)控制指令設(shè)定，LCD開顯示和光標(biāo)，不閃爍
lcddelay(1);
lcd_wcmd(0x06); //設(shè)光標(biāo)和畫面的移動方式I/D=1，S=0 設(shè)置讀寫操作之后 AC自動加一，顯示不移動
lcddelay(1);
lcd_wcmd(0x01); //清除LCD的顯示內(nèi)容
lcddelay(1);
}
25、
void out0init()//外部中斷0的初始化
EX0 = 1;
IT0 = 1;
EA = 1;
void lcd_xianshi() //lcd液晶顯示程序
lcd_wcmd(0x00);
for(num=0;num<15;num++)
{
lcd_wdat(table[num]);
delay(1);
}
lcd_wcmd(0x80+0x40);
for(num=0;num<12;num++)
{
lcd_wdat(table1[num]);
delay(1);
26、
}
lcd_wcmd(0x80+0x40);
for(num=0;num<10;num++)
{
lcd_wdat(table2[num]);
}
lcd_wcmd(0x80+0x40);
for(num=0;num<11;num++)
{
lcd_wdat(table3[num]);
delay(1);
}
lcd_wcmd(0x80+0x40);
for(num=0;num<14;num++)
{
lcd_wdat(table4[num]);
delay(1);
}
lcd_wcmd(0x8
27、0+0x40);
for(num=0;num<6;num++)
{
lcd_wdat(table5[num]);
delay(1);
}
void delay1ms(void) //判斷按鍵是否按下延時時間 誤差 0us
{
unsigned char a,b,c;
for(c=1;c>0;c--)
for(b=142;b>0;b--)
for(a=2;a>0;a--);
}
void 0ut0inter(void) interrupt 0 using 1
28、 delay1ms(10)
if(k1 = = 0)
{
delay1ms(2)
if(k1 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
lcd_wdat(table6[0]);
delay(1);
}
else if(k2 = =0)
{
delay1ms(2)
if(k2 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=100;
lcd_
29、wdat(table6[1]);
}
else if(k3 = =0)
delay1ms(2)
if(k3 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=80;
lcd_wdat(table6[2]);
}
else if(k4 = =0)
delay1ms(2)
if(k4 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=60;
lcd_wdat(table6[3])
30、;
}
else if(k5 = =0)
delay1ms(2)
if(k5 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=40;
lcd_wdat(table6[4]);
}
else if(k6 = =0)
delay1ms(2)
if(k6 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=30;
lcd_wdat(table6[5]);
}
motor_ffw(i);
31、
else if(k7 = =0)
delay1ms(2)
if(k7 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
lcd_wdat(table6[0]);
delay(1);
if(k2 = = 0)
delay1ms(2)
if(k2 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=100;
lcd_wdat(table6[1]);
}
else
32、if(k3==0)
delay1ms(2)
if(k3 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=80;
lcd_wdat(table6[2]);
}
else if(k4 = =0)
delay1ms(2)
if(k4 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=60;
lcd_wdat(table6[3]);
}
else if(k5 = =0)
33、 delay1ms(2)
if(k5 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=40;
lcd_wdat(table6[4]);
}
else if(k6 = =0)
delay1ms(2)
if(k6 = =0)
{
lcd_wcmd(0x80+0x40+0x07);
delay(1);
i=30;
lcd_wdat(table6[5]);
}
lcd_wdat(table6[5]);
motor_ffz(i)
34、;
}
void main (void)
{
lcd_xianshi();
lcd_init();
out0init();
while(1)
{
motor_ffw(i);
delay1ms(80)
motor_ffz(i);
delay1ms(80)
}
}
4. 操作說明及結(jié)果分析
P1八位分別接開關(guān)開關(guān)的八個口，F(xiàn)208接38譯碼器，PO前四口分別接步進電機四口，F(xiàn)200接液晶
把程序燒寫進去后運行，液晶第一行顯示FX：當(dāng)K0撥上時液晶顯示FX：1，步進電機順時鐘轉(zhuǎn)，當(dāng)Ｋ１撥上
35、時液晶顯示FX：0，步進電機逆時針轉(zhuǎn)，開關(guān)K2—K7控制步進電機轉(zhuǎn)速，（分6檔），并正常顯示在液晶上，K2上撥時，第二行顯示SPEED:1；K3上撥時顯示SPEED:2；K4上撥時顯示SPEED:3； K5上撥時顯示SPEED:4；K5上撥時顯示SPEED:4；K6上撥時顯示SPEED:7；K7上撥時顯示SPEED:8；整個程序運行符合實習(xí)要求。
5. 調(diào)試過程中遇到的問題與解決方法
在整個調(diào)試過程中遇到了很多問題，現(xiàn)在就幾個比較有代表性和常見的問題加以說明。
首先，在本人調(diào)試步進電機速度時，剛開始遇到了電機只抖不轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，當(dāng)時檢查了整個程序，未發(fā)生程序上的錯誤，于是很納悶。不過
36、再后來上網(wǎng)差了很多資料后才慢慢了解到，是一下子給步進電機的速度太大，使其無法正常加速到那個速度。比較好的解決方法就是減速或是慢慢加速到那個快的速度。
其次，就是在液晶顯示程序完成后，調(diào)試過程中會遇到?jīng)]執(zhí)行完一次程序閃一下，通過查找相關(guān)資料和仔細閱讀自己程序后才知道，原來是自己在寫程序的時候，每次判斷后都有液晶清屏，后來改了之后正常顯示了。其他方面沒有大的問題。最終我們完成了完美的程序。
6. 硬件實習(xí)總結(jié)
為期兩個星期的單片機軟件、硬件實習(xí)很快就結(jié)束了，雖然整個過程進行的不是那么太順利，實習(xí)過程中遇到了種種問題，但在自己不懈的努力和指導(dǎo)老師的殷切教誨下，終歸還是依依解決，正如大家
37、所說，在自己努力之下嘗到成功的滋味是一件很幸福的事情，的確如此。在這次實習(xí)中收獲很多，我覺得最值得一提的是通過本次實習(xí)，培養(yǎng)了我對單片機的濃厚興趣，完成了這次實習(xí)任務(wù)覺得很有成就感。
在專業(yè)只是方面也收獲很多，首先，提高了自己的動手能力，并且在編程方面也有了很大的飛躍，通過本次的實習(xí)，鞏固了單片機的知識，學(xué)以致用才是學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)。我想這次實習(xí)在我以后的學(xué)習(xí)和工作中都會起到至關(guān)重要的幫助。
7. 參考文獻
【1】 趙德安.單片機原理與應(yīng)用.機械工業(yè)出版社
【3】 向艷.周天彤.程起才.史兵.C語言程序設(shè)計.清華大學(xué)出版社
【4】 朱正偉.何寶祥.劉訓(xùn)飛.數(shù)字電路邏輯設(shè)計.清華大學(xué)出版社
【5】 坂本正文（日）. 步進電機應(yīng)用技術(shù).北京科學(xué)出版社
【6】 叢爽.李澤湘.實用運動控制技術(shù).電子工業(yè)出版社
步進電機設(shè)計報告
