1、 武漢工程大學電氣信息學院 課程設計 摘要：步進電機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優點是可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速、快速啟停、正反轉控制等。本設計的硬件電路包括最小系統、驅動電路、按鍵控制電路、狀態顯示電路四大部分。最小系統是為了使單片機正常工作，包括晶振電路和復位電路。驅動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅動電機轉動按鍵控制電路由開關和按鍵組成，由操作者根據工作需要進行相應的操作。狀態顯示電路主要是為了顯示電機的工作狀態和轉速。關鍵詞：步進電機；啟停；正反轉；調速 Abstract：Stepper mo

2、tor is the electric pulse signal control, electrical pulse signal will be converted into the corresponding angular displacement or line displacement of the micro motor, its most prominent advantage is can in a broad frequency range by changing the pulse frequency to achieve the speed, quick start an

3、d stop, positive control.The design of the hardware circuit includes four parts: the minimum system, drive circuit, control circuit and a status display circuit .Minimum system is to make the computer work, including crystal circuit and reset circuit.Drive circuit is mainly to SCM pulse power amplif

4、ier, thereby driving motor to rotate the key control circuit by switches and keys. the operator can operate these switches and keys according to the needs of the work .Status display circuit is mainly in order to display the working status of the motor and the speed.Keywords:Stepper motor； Start / s

5、top； Positive inversion；timingI第1章 緒論1.1課題研究的背景和意義 步進電機又稱脈沖電機或階躍電機，國外一般稱為Stepmontor或Steppingmotor,Pulsemontor,Stepper等等。 就傳統的步進電機來說，步進電機可以簡單地定義為，根據輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態就前進一定角度（或長度），若不改變勵磁狀態則保持一定位置而靜止的電機。從廣義上講，步進電機是一種脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖頻率同步的同步電機。 步進電機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，其原如模型起源于1830年至1860年間。1

6、870年前后開始以控制為目的的嘗試，應用于氬弧燈的電極輸送機構中。這被認為是最初的步進電機。此后，在電話自動交換中廣泛使用了步進電機。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統中廣泛使用。 20世紀60年代后期，在步進電機本體方面隨著永磁材料的發展，各種實用性步進電機應運而生，而半導體技術的發展則推進了步進電機在眾多領域的應用。在近30年間，步進電機迅速地發燕并成熟起來。從發展趨向來講，步進電機已經能與直流電機、異步電機、以及同步電機并列，從而成為電機的一種基本類型。 我國步進電機的研究及制造起始于本世紀50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機構為研究一些裝置而使用或

7、開發少量產品。這些產品以多段結構三相反應式步進電機為主。70年代初期，步進電機的生產和研究有所突破。除反映在驅動器設計方面的長足進步外，對反應式步進電機本體的設計研究發展到一個·較高水平。70年代中期至80年年代中期為成品發展階段，新品種高性能電機不斷被開發。自80年代中期以來，由于對步進電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進電機及驅動器作為產品廣泛利用。 隨著數字化技術發展，數字控制技術得到了廣泛而深入的應用。因為步進電動機組成的控制系統結構簡單，價格低廉，性能上能滿足工業控制的基本要求，所以廣泛地應用于手工業自動控制、數控機床、組合機床、機器人、計算機外圍設備、照相機,投影

8、儀、數碼攝像機、大型望遠鏡、衛星天線定位系統、醫療器件以及各種可控機械工具等等。直流電機廣泛應用于計算機外圍設備( 如硬盤、軟盤和光盤存儲器) 、家電產品、醫療器械和電動車上, 無刷直流電機的轉子都普遍使用永磁材料組成的磁鋼, 并且在航空、航天、汽車、精密電子等行業也被廣泛應用。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅動器及其控制系統具有十分重要的意義。步進電動機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優點是可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速，快速起停、正反轉控制及制動等，并且用其組成的開環系統既簡單、廉

9、價，又非常可行，因此在機械、 鋼鐵、 化工等多個行業都有著重要作用， 有效的電機控制，提高其運行性能有著十分重要的現實意義。因此，搭建基于 Proteus的步進電機控制系統仿真平臺， 對步進電機控制系統作分塊研究， 給出豐富的實驗觀察接口， 較好的分析研究步進電機控制系統中存在的問題， 能- 1 -夠有效的提高其運行性能，對電機控制系統的修改和完善都起到重要作用。搭建基于 proteus的步進電機控制系統硬件仿真平臺， 對步進電機控制系統作分塊仿真研究， 給出了豐富的實驗觀察接口， 仿真驗證了大部分程序模塊運行效果， 為實際硬件實驗平臺的搭建奠定基礎。 采用基于 proteus 步進電機控制運

10、動仿真， 不僅能真實的反映實際控制效果，也能很好的節約設計時間和成本， 為科研開發過程提供有效的實踐理論依據。1.2課程設計任務及要求 任務：1.查閱資料，了解步進電動機的工作原理； 2.通過單片機給步數控制電機的轉動； 3.通過按鈕可控制啟停及正反轉； 4.創新功能:順時針加速旋轉，順時針減速旋轉，逆時針加速旋轉和 逆時針減速旋轉，喇叭提示音。 要求：進行步進電機控制系統硬件電路設計，畫出電路原理圖、元器件布線 圖、實驗電路圖；繪制程序流程圖，進行步進電機控制程序設計（采 用C語言）。1.3 軟硬件運行環境及開發工具 硬件：keilc和protues軟件、PC機一臺 開發語言：C語言第2章

11、步進電機簡介2.1 步進電機的結構原理步進電機本質上是一個數字角度轉換器。以三相電機為例, 其結構原理見圖1。各相夾角為120°的定子磁極上均勻分布了5個矩形小齒, 沒有繞組的轉子圓周上也均勻的分布著40個小齒（相鄰齒夾角為9°）。利用電磁學的性質, 在某相繞組通電時, 相應的磁極產生磁場, 與轉子形成磁路如此時定子的小齒與轉子的小齒沒有對齊, 則在磁場作用下, 轉子就轉動一定角度, 達到齒的對齊。在單三拍控制方式下, 若A相通電, B、C相不通電, 在磁場作用下使轉子齒和A相定子齒相對假設此時為初態并且令與A相中心對齊的轉子齒為0號齒, 因為B相與A相相差120°

12、;，可知120°/9°=13 39, 不為整數, 即此時轉子齒與B相不對齊, 只是13號齒靠近相的中心, 且相差3°。如果此時突然變為B相通電, 而A、C相都不通電, 那么, 13號齒會在磁場的作用下轉到與相中心對齊的位置, 這就是常說的走一步, 此時,轉子轉了。這樣, 按照A一B一C一A順序通電次, 可以使轉子轉動9°。那么步進電機的步距角Q=(360/NZ)°（式中N=MC為運行拍數；M為控制繞組相數；C為狀態系數, 單三拍或雙三拍時C=1, 單六拍或雙六拍時C=2為轉子齒數）。2.2步進電機的特征及參數 步進電機的特征如下： 1、一般步進

13、電機的精度為步進角的3%-5%，且不積累。 2、步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減少，從而導致力矩下降。4、步進電機低速時可以正常轉動，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯

14、叫聲。 步進電機的參數： （一）步進電機的靜態指標術語1、相數：產生不同對N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。2、拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3、步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表示。=360度（轉子齒數*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（

15、俗稱半步）。4、定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）5、靜轉矩：電機在額定靜態電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。（二）步進電機動態指標及術語： 1、步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內

16、。2、失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步3、失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。4、最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平

17、均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。 要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。7、電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式步進電機的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。 8、電機正反轉控制：當電機繞組通電時序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA時為正轉，通電時

18、序為DA-D-CD-C-BC-B-AB-A時為反轉。 步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。 2.3 步進電機的分類現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。反應式步進電動機采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產成本低，步距角可以做的相當小，一般為

19、三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩，但動態性能相對較差。永磁式步進電機轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產生轉動，它的出力大，動態性能好，但步距角一般比較大。一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，它是PM和VR的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒

20、狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點，步距角小，出力大，動態性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。2.4 步進電機驅動原理 通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。 該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。下圖為步進電機驅動原理示意圖： 上圖中的步進電機定子由兩組線圈組成，所以又稱為兩相四線步進電機。圖中依次給X,Y,X',Y'加正激勵，使其電機內部的磁場進行一個順時針的轉動，然后帶動轉子也進行順時針方向的轉動。

21、 下圖是步進電機逆時鐘轉動時驅動示意圖：2.5 步進電機的工作原理 步進電機的驅動電流一般在幾百毫伏這個量級，直接使用單片機的I/O口，顯然是無法直接驅動的。一般步進電機在驅動的時候，都會加一個驅動電路，可以使用三極管驅動電路。但是由于一個步進電機，一般需要的驅動路數較多，如28BYJ48這個四相步進電機，至少需要4路驅動，此時，電路設計時一般使用專門的步進電機驅動芯片。常用的步進電機驅動芯片有：ULN2003或ULN2803。 ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統。ULN2003A由

22、7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網絡以及鉗位二極管網絡構成，具有同時驅動7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。 步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電

23、。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動。圖1是該四相反應式步進電機工作原理示意圖。 開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。當開關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，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。四相步進電機按照通電順序的

24、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如圖2.a、b、c所示： 第三章 系統硬件電路設計3.1 總體設計框圖 本設計的硬件電路包括最小系統、驅動電路、按鍵控制電路、狀態顯示 電路四大部分。最小系統是為了使單片機正常工作，包括晶振電路和復位電 路。驅動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅動電機轉動。 按鍵控制電路由開關和按鍵組成，由操作者根據工作需要進行相應的操作。 狀態

25、顯示電路主要是為了顯示電機的工作狀態和轉速。系統總體設計框圖如 圖3.1所示。89C51單片機狀態顯示電路晶振電路復位電路步進電機ULN2003驅動電路按鍵控制電路圖3.1 總體設計框圖- 29 -武漢工程大學電氣信息學院 課程設計 3.2 單元電路設計3.2.1 最小系統設計 最小系統或者稱為最小應用系統，就是用最少的元件組成的可以工作的系統。對51系列單片機來說，最小系統一般應該包括：單片機、復位電路、晶振電路。 復位電路：使用了獨立式鍵盤，單片機的P1口鍵盤的接口。該設計要求只需4個鍵對步進電機的狀態進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，使用了6路獨立式鍵盤。復位電路采用手動復位，所謂手動

26、復位，是指通過接通一按鈕開關，使單片機進入復位狀態，晶振電路用30PF的電容和一個12M晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。89C51單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTAL1和XTAL2外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構成了內部晶振方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。其電容值一般在530pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz的情況也比較多。內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩定，實用電路實用較多。復位及時鐘振蕩電路如圖3.2.1所示。 圖3.2.1 復位及時鐘振蕩電路

27、3.2.2 驅動電路設計本設計選用ULN2003芯片構成驅動電路。ULN2003 是高耐壓、大電流、內部由七個硅NPN 達林頓管組成的驅動芯片。 經常在電路中使用，作為顯示驅動、繼電器驅動、照明燈驅動、電磁閥驅動、伺服電機、步進電機驅動等電路中。ULN2003 的每一對達林頓都串聯一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003 的封裝采用DIP16 或SOP16

28、。ULN2003可以驅動7個繼電器,具有高電壓輸出特性，并帶有共陰極的續流二極管使器件可用于開關型感性負載。每對達林頓管的額定集電極電流是500mA，達林頓對管還可并聯使用以達到更高的輸出電流能力。ULN2003的引腳圖如圖3.2.2-1所示，驅動電路如圖3.2.2-2所示。圖3.2.2-1 ULN2003的引腳圖圖3.2.2-2 驅動電路3.2.3 按鍵控制電路設計 根據系統的控制要求，控制輸入部分設置了啟停控制，換向控制，加速控制和減速控制按鈕，分別是K1、K2、S2、S3。通過K1、K2狀態變化分別實現電機的啟動和換向功能。當K1、K2的狀態變化時，內部程序檢測P1.0和P1.1的狀態來

29、調用相應的啟動和換向程序，發現系統的電機的啟動和正反轉控制。 根據步進電機的工作原理可以知道，步進電機轉速的控制主要是通過控制通入電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉速。對于單片機而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機的轉速控制主要是通過定時器的中斷來實現的，該電路控制電機加速度主要是通過S2、S3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據按鍵次數，改變速度值存儲區中的數據（該數據為定時器的中斷次數），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，從而改變了電機的轉速。按鍵控制電路如圖3.2.3所示。圖3.2.3 按鍵控制電路3.2.4 狀態顯示電路設計在該步進電機的控制系統中，電機可以正反轉，可以加

30、減速，其中電機轉速的等級分為八級，為了方便知道電機的運行狀態和電機的轉速的等級，這里設計了電機轉速和電機的工作狀態的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機的P0口和P2口。采用兩個共陽數碼管作顯示。第一個數碼管接的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P0.0P0.7口，用于顯示電機正反轉狀態，正轉時顯示“1”，反轉時顯示“0”，不轉時數碼管熄滅。第二個數碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0P2.7口，用于顯示電機的轉速級別，共八級，即從07轉速依次遞增，“0”表示轉速為零。狀態顯示電路如圖3.2.4所示。圖3.2.4 狀態顯示電路3.3總體電路圖 把各個模塊的電路組合成總電路

31、，如圖3.3所示。圖3.3 總體電路圖第4章 系統軟件設計實現系統功能可以采用多種方法，由于隨時有可能輸入速、加速信號和方向信號，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個部分的工作才能滿足設計要求，即主程序部分、定時器中斷部分、外部中斷0和外部中斷1部分。其中，主程序的主要功能是系統初始參數的設置及啟動開關的檢測，若啟動開關合上則系統開始工作，反之系統停止工作；定時器部分控制脈沖頻率，它決定了步進電機轉速的快慢；兩個外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。 下面分析主程序與定時器中斷程序及外部中斷程序。 4.1主程序設計主程序中要完成的工作主要有系統初始值的設置、系統狀態的顯示

32、以及各種開關狀態的檢測判斷等。其中系統初始狀態的設置內容較多，該系統中，需要初始化定時器、外部中斷；對P1口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲區送初值決定步進電機的啟動速度，對方向值存儲區送初值決定步進電機旋轉方向等內容。若初始化P1=11H、速度和方向初始值均設為0，就意味著步進電機按四相單四拍運行，系統上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉，方向值顯示“0”，速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖9所示。開 始初 始 化速度值為0？啟動開關為0？停止計時器顯 示啟動計時器延 時停止計時器YNYN圖4.1 主程序流程圖4.2 定時中斷設計步進電機的轉動主要是給電機各繞組按一定的時間間隔連續不

33、斷地按規律通入電流，步進電機才會旋轉，時間間隔越短，速度就越快。在這個系統中，這個時間間隔是用定時器重復中斷一定次數產生的，即調節時間間隔就是調節定時的中斷次數，因而在定時器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機的運行方向、發下一個脈沖，以及保存當前的各種狀態。其程序流程圖如圖4.2所示。中斷返回T0中斷入口發速度脈沖讀方向指示重送相關狀態恢復現場保護現場中斷次數-1=0？NY圖4.2 定時中斷程程序流程圖4.3 外部中斷設計外部中斷所要完成的工作是根據按鍵次數，改變速度值存儲區中的數據（該數據為定時器的中斷次數），這樣就改變了步進電機的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機的轉速。速度增加按鈕S2為I

34、NT0中斷，其程序流程為原數據，當值等于7時，不改變原數值返回，小于7時，數據加1后返回；速度減少按鈕S3，當原數據不為0，減1保存數據，原數據為0則保持不變。程序流程圖如圖4.3所示。外部中斷入口保護現場延時去抖中斷返回速度值±1恢復現場速度=上或限值？按鈕是否彈起？NNNYY圖4.3 外部中斷流程圖第5章 軟件仿真 一個應用系統并非一次就可以正確無誤地設計出來，尤其是設計的程序，必須經過多次的調試才能確鑿無誤地工作。為避免浪費，并不把剛剛編寫好的程序直接寫到EPROM、EEPROM等中去，更不會急于生產安裝部分硬件，在專用的仿真器或開發試驗臺上進行。 我們首先在Keil軟件中編寫

35、程序，來進行C語言程序的調試。然后再把程序加載在Protues軟件上進行仿真調試。5.1 程序調試 5.1.1 Keil C軟件介紹 Keil C軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。Keil C軟件可以對我們寫的C語言程序進行編譯，它能清晰的顯示出程序的各種信息，并能明確的指出程序的錯誤之處和錯誤的原由。以致我們能夠得到結構，書寫都無誤的C語言的程序。Keil C軟件提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括

36、模擬信號和數字信號。對于單片機硬件電路和軟件的調試，Keil C軟件提供了兩種方法：一種是系統總體執行效果，一種是對軟件的分步調試以看具體的執行情況。 對于總體執行效果的調試方法，只需要執行debug 菜單下的execute 菜單項或F12 快捷鍵啟動執行，用debug菜單下的pause animation 菜單項或pause 鍵暫停系統的運行；或用debug 菜單下的stop animation 菜單項或shift-break 組合鍵停止系統的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應工具進行。

37、 對于軟件的分步調試，應先執行debug 菜單下的start/restart debugging 菜單項命令，此時可以選擇stepover 、step into 和 step out 命令執行程序(可以用快捷鍵F10、F11 和ctrl+F11)，執行的效果是單句執行、進入子程序執行和跳出子程序執行。在執行了start / restart debuging 命令后，在debug 菜單的下面要出現仿真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統資源等，可供調

38、試時分析和查看。5.1.2 程序調試結果 在Keil C軟件編輯界面寫好系統程序后，左擊build target files圖標，經過多次調試和修改直至正確為止。最終調試結果如圖5.1.2所示。圖 5.1.25.2 仿真調試5.2.1 proteus軟件介紹 這次的課程設計我們用的是Protues軟件。Proteus軟件是Labcenter Electronics公司的一款電路設計與仿真軟件，它包括ISIS、ARES等軟件模塊，ARES模塊主要用來完成PCB的設計，而ISIS模塊用來完成電路原理圖的布圖與仿真。Proteus的軟件仿真基于VSM技術，它與其他軟件最大的不同也是最大的優勢就在于它

39、不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真大量的單片機芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及單片機外圍電路，比如鍵盤、LED、LCD等等。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具，通過Proteus軟件的使用我們能夠輕易地獲得一個功能齊全、實用方便的單片機實驗室。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。它是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模

40、型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。 Protues軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： 原理布圖，PCB自動或人工布線 ，SPICE電路仿真 。 本次課程設計中我們主要使用Proteus軟件在單片機方面的仿真功能，所以我們重點研究ISIS模塊的用法，在下面的內容中，如不特別說明，我們所說的Pro

41、teus軟件特指其ISIS模塊。5.2.2 軟件仿真結果 軟件仿真的步驟為：（1）在Proteus軟件編輯界面放置元器件并連接好電路圖并修改各組件屬性；（2） 將程序（HEX文件）載入單片機。首先雙擊單片機圖標，系統會自動彈出“Edit Component”對話框。在這個對話框中我們點擊“Program files”框右側的，來打開選擇程序代碼窗口，選中相應的HEX文件后返回，這時，按鈕左側的框中就填入了相應的HEX文件，點擊對話框的“OK”按鈕；（3） 單擊仿真按鈕，開始仿真。 軟件仿真的結果如下： 首先將按鍵K1置于上方，即K1=0時，步進電機控制系統不工作，兩個數碼管均熄滅，步進電機不轉

42、。仿真結果如圖5.2.2-1所示。圖 5.2.2-1 然后將按鍵K2置于下方時，步進電機控制系統開始工作。兩個數碼管均初始化為0，表明步進電機準備順時針轉動，但此時速度為0，不轉動。仿真結果如圖5.2.2-2所示。圖 5.2.2-2 然后將按鍵K2置于上方，步進電機控制系統開始工作。兩個數碼管均初始化為0，表明步進電機準備順時針轉動，但此時速度為0，不轉動。仿真結果如圖5.2.2-3所示。圖 5.2.2-3 按下按鈕S2五次增大步進電機的轉速至5級，第二個數碼管顯示變為5，仿真結果如圖5.2.2-4所示。圖 5.2.2-4 然后按下按鈕S3三次減小步進電機的轉速至2級，第二個數碼管顯示變為2，

43、仿真結果如圖5.2.2-5所示。圖 5.2.2-5 然后將按鍵K2置于下方時，步進電機開始逆時針轉動，第一個數碼管顯示變為1。仿真結果如圖5.2.2-6所示。圖 5.2.2-6 若此時將按鍵K1再次置于上方，步進電機控制系統停止工作。兩個數碼管熄滅，電動機停止轉動。仿真結果如圖5.2.2-7所示。圖 5.2.2-6第六章 總結通過一周時間的課程設計，我們設計一個步進電機控制系統，了解了步進電機的工作原理，掌握了步進電機的啟停控制、轉向控制、速度控制等基本控制原理，加強了對軟件編程和硬件設計的掌握，并且熟悉了AT89C52單片機、ULN2003A芯片。我們完成了資料搜集、電路硬件設計和軟件調試和

44、仿真，答辯和完成設計報告等幾個步驟。我們將所學的單片機知識運用到實際上、全面鞏固課堂所學的理論知識、熟悉電子產品的設計程序和設計內容、鍛煉快速完成一項電子產品的能力、培養團隊合作精神，并體會到了其中的奇妙與艱辛。步進電動機是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優點是可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速，快速起停、正反轉控制及制動等，并且用其組成的開環系統既簡單、廉價，又非常可行，因此在機械、 鋼鐵、 化工等多個行業都有著重要作用， 有效的電機控制，提高其運行性能有著十分重要的現實意義。因此，搭建基于 Proteus的步進電機控制系統仿真

45、平臺， 對步進電機控制系統作分塊研究， 給出豐富的實驗觀察接口， 較好的分析研究步進電機控制系統中存在的問題， 能夠有效的提高其運行性能，對電機控制系統的修改和完善都起到重要作用。搭建基于 proteus的步進電機控制系統硬件仿真平臺， 對步進電機控制系統作分塊仿真研究， 給出了豐富的實驗觀察接口， 仿真驗證了大部分程序模塊運行效果， 為實際硬件實驗平臺的搭建奠定基礎。 采用基于 proteus 步進電機控制運動仿真， 不僅能真實的反映實際控制效果，也能很好的節約設計時間和成本， 為科研開發過程提供有效的實踐理論依據。 在做課程設計前,一定要將課本上的知識吃透,因為這是做實驗的基礎,否則,在老

46、師講解時就會聽不懂,這將使你在做實驗時的難度加大,浪費做實驗的寶貴時間。如果你不清楚,在做實驗時才去摸索,這將使你極大地浪費時間,使你事倍功半。做實驗時,一定要親力親為,務必要將每個步驟,每個細節弄清楚,弄明白,實驗后,還要復習,思考,這樣,你的印象才深刻,記得才牢固,否則,過后不久你就會忘得一干二凈,這還不如不做。通過這次的課程設計,拓寬我們的眼界,使我們認識到這門課程在生活中的應用是那么的廣泛。我想以后多多進行這樣的課程設計，這樣不僅能將課上的原理分析得更透徹，而且能將其靈活地應用于實際生活中，提高動手能力和創新能力，很有意義。 參考文獻 1 肖洪兵. .跟我學用單片機M. 北京：北京航空

47、航天大學出版社，20062 何立民. 單片機高級教程M. 北京：北京航空航天大學出版社，20073 馬連洪,丁男,黃偉,馬艷華.單片機原理及應用M. 北京：北京交通大學出 版社，20004 周明德. 單片機原理與技術M 北京：人民郵電出版社，20085 何立民. 單片機應用系統設計M. 北京：北京航空航天大學出版社，20006 姜志海，劉連新. 單片微型計算機原理接口與應用M. 北京：機械工業出 版社，2007 附錄控制系統C語言程序#include <reg51.h>/51單片機頭文件#define uint unsigned int /宏定義sbit k1=P34; /啟動開關sbit k2=P35; /換向開關sbit s2=P32; /加速按鈕sbit s3=P33; /