1、電子技術課程設計 題 目:出租車計價器的設計 姓 名: 周濤 專 業: 自動化 班 級: 自動化2132 學 號: 摘 要步進電機是機電控制中一種常用的執行機構， 步進電機是機電一體化的關鍵產品之一，被廣泛應用在各種自動化控制系統中，隨著微電子和計算機技術的發展，它的需要量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是機電數字控制系統中常用的執行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應用，大規模集成電路的發展以及單片機技術的迅速普及，為設計功能強，價格低的步進電機控制驅動器提供了先進的技術和充足的資源。它的運行速度和步距不受電源電壓波動及負載的影響,

2、 因而被廣泛應用于數模轉換、速度控制和位置控制系統。本課程設計以AT89C51單片機作為微控制器，使用混合式步進電機驅動芯片ULN2003AN進行驅動，實現了對步進電機運行狀態的簡單控制，本設計是對步進電機進行四相八拍設計。能實現的功能有電機正轉、反轉、加速與減速。 用軟件控制單片機產生脈沖信號，通過單片機的P2口輸出脈沖信號，因為所選電機是四相的，所以只需要P2口的低四位P2.0P2.3分別接到電機的四根電線上，可以通過調整輸出脈沖的頻率來調整電機的轉速，通過改變輸入脈沖的順序來改變轉動方向，設置復位鍵可使正在轉動的電機停止轉動。 關鍵字：四相步進電機，AT89C51單片機，ULN

3、2003，Proteus，調速 目 錄摘要第1章 概述31.1 課程設計與簡介31.2 步進電機原理及控制技術31.3 系統方案論證與設計4第2章 系統硬件設計62.1 系統總電路的設計3系統的總框圖6芯片的選擇72.2 最小系統設計.8時鐘電路的選擇與設計8復位電路的選擇與設計102.2.3電源電路的的選擇與設計132.3 控制電路設計82.4 驅動電路設計11第3章 系統軟件設計133.1 主程序設計133.2 子程序設計13第4章 軟件仿真184.1 keil 軟件的簡介.184.2 Proteus 軟件的簡介184.3 仿真電路圖194.4 仿真結果與分析20小結21參考文獻.22附錄

4、A 電路圖23附錄B 程序24第1章 概述1.1 課程設計與簡介： 本次課程設計主要采用AT89C51芯片，用匯編語言編寫出電機的正轉、反轉、加速與減速程序，通過單片機、電機的驅動芯片ULN2003A以及相應的按鍵實現以上功能，控制系統主要由硬件設計和軟件設計兩部分組成。其中，硬件設計包括單片機的最小系統模塊、控制模塊、步進電機ULN2003A驅動模塊3個功能模塊的設計。并且通過仿真控制系統對硬件、軟件進行了調試和改善，實現電機的正轉、反轉、加速與減速功能。本系統具有智能性、實用性及可靠性的特點。1.2 步進電機原理及控制技術（1）四相步進電機工作原理 該步進電機為一四相步

5、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。 四相八拍工作方式：AABBBCCCDDDAA 步進電機的換向控制 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉。若步進電機的勵磁方式為四相八拍，即AABBBCCCDDDAA。如果按反序通電換相，即ADADCDCBCBBAA，則電機就反轉。 步進電機的速度控制 如果

6、給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。1.3 系統方案論證與設計因為步進電機的控制是通過脈沖信號來控制的，將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。所以怎樣產生這個脈沖信號和產生怎樣的信號是電機控制的關鍵。通過系統方案論證有2種設計方法。第一種設計方法為：主程序中要完成的工作主要有系統初始值的設置、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P2口送初值以決定脈沖分配方式，步進電機的轉動主要是給電機各繞組按一定的時

7、間間隔連續不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器的中斷次數，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。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。 第二種設計方法為：用軟件控制單片機產生脈沖信號，通過單片機的P2口輸出脈沖信號，因為所選電機是四相的，所以只需要P2口的低四位 P2.0P2.3分別接到電機的四根

8、電線上。可以通過調整輸出脈沖的頻率來調整電機的轉速，通過改變輸入脈沖的順序來改變轉動方向。第一種設計方法這種設計方案非常復雜，采用了定時器中斷和外部中斷。第二種設計方法這種設計方案非常簡單，采用了軟件延時，可操作性強，故本次設計采用了第二種設計方案。本設計采用的硬件電路主要包括控制電路、最小系統、驅動電路三大部分。最小系統只要是為了使單片機正常工作。控制電路由開關和按鍵組成，由操作者根據相應的工作需要進行操作。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。 第2章 系統硬件設計2.1 系統總電路的設計 系統的總框圖本設計的硬件電路主要包括控制電路、最小系統、驅動電路

9、三大部分。最小系統是為了使單片機正常工作。控制電路由開關和按鍵組成，由操作者根據相應的工作需要進行操作。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。 系統總框圖如圖2.1所示。 圖2.1 系統總框圖 芯片的選擇一、AT89C51芯片介紹Atmel公司生產的89C51單片機是一種低功耗/低電壓高性能的8位單片機，它采用CMOS和高密度非易失性存儲技術，而且其輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容；片內的Flash ROM允許在系統內改編程序或用常規的非易失性編程器來編程，內部除CPU外，還包括256字節RAM，4個8位并行I/O口，5個中斷源，2個中斷優先級，2個1

10、6位可編程定時計數器，89C51單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統設計需要。由于本系統控制簡單，程序和數據量都不大，因此我們選用AT89C51單片機，AT89C51晶振頻率采用12MHZ。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口， P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。圖2.2 AT89C51芯片 二、ULN2003芯片介紹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

11、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。所以在課程設計中才用ULN2003作為步進電機驅動電路驅動芯片。其芯片引腳分布圖如圖2.3所示。圖2.3 芯片引腳分布圖引腳1-7:CPU脈沖輸入端引腳8：接地。引腳9：該腳是內部7個續流二極管負極的公共端，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于感性負載時，該腳接負載電源正極，實現續流作用。如果該腳接地,實際上就是達林頓管的集電極對地接通。引腳10-16：脈沖信號輸出端，與引腳1-7信號輸入端一

12、一對應。2.2 最小系統設計單片機最小系統或者稱為最小應用系統，用最少的元件組成的單片機可以工作的系統，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。 時鐘電路的選擇與設計AT89C51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,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。時鐘電路是用于產生單片機

13、工作時所必需的時鐘信號。時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準的，有條不紊地一拍一拍地工作。時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。在本系統中采用外部時鐘方式的電路。如圖2.4所示： 圖2.4 時鐘電路復位電路的選擇與設計復位是單片機的初始化操作，只要給RESET引腳加上2個機器周期以上的高電平信號，即可使單片機復位。除了進入系統的正常初始化之外，當程序運行出錯或是操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為了擺脫死鎖狀態，也需要按復位鍵重新復位。在系統中，為了實現上述的兩項功能，采用常用的按鍵電平復位電路，這樣復位鍵有復位和停止兩個功能，如圖2.

14、5所示：圖2.5 復位電路從圖中可以看出，當系統得到工作電壓的時候，復位電路工作在上電自動復位狀態，通過外部復位電路的電容充電來實現，只要Vcc的上升時間不超過1ms就可以實現自動上電復位功能。當系統出錯時，直接按開關實現模擬系統上電復位的功能，從而實現系統重新復位啟動。 電源電路的選擇與設計該電機共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以和單片機共用一個電源。2.3 控制電路設計根據系統的控制要求，控制輸入部分設置了電機正轉，反轉，加速和減速按鍵，控制電路如圖2.6所示。通過正轉按鍵、反轉按鍵狀態變化來實現電機的正轉和反轉功能。 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

15、電機的脈沖頻率，從而控制電機的轉速。該電路控制電機加速和減速主要是通過加速和減速按鍵的狀態變化，進入不同子程序中，在子程序中給不同的延遲程序，達到控制脈沖頻率，從而改變了電機轉速。 圖2.6 控制電路2.4 驅動電路設計由單片機直接輸出的脈沖不足以驅動步進電機正常工作所以需要驅動電路給步進電機提供電源，在本設計中采用型號為ULN2003A的芯片，使步進電機正常工作。驅動信號由P2口的P2.0P2.3輸出，分別與驅動芯片的1B-4B相連，電路如圖2.7所示： 圖2.7 驅動電路第3章 系統軟件設計3.1 主程序設計圖3.1 主程序設計圖由主程序掃描四個按鍵，若正轉按鍵閉合，則跳轉到正轉子程序中，

16、輸出正序輸出脈沖，使電機正轉并掃描其它四個按鍵。若再次檢測到正轉按鍵閉合，則跳轉到初始化程序，電機停止轉動。若反轉按鍵閉合，則跳轉到反轉子程序中，輸出逆序輸出脈沖，使電機反轉并掃描其它三個按鍵。若加速按鍵閉合，則脈沖頻率加快，使電機加速轉動并掃描其它三個按鍵。若減速按鍵閉合，則脈沖頻率減慢，使電機減速轉動并掃描其它三個按鍵。 3.2 子程序設計 （1）延遲程序設計DELAY: MOV R5,#40 DD1: MOV R6,#10DD2: MOV R7,#100 DJNZ R7,$ DJNZ R6,DD2 DJNZ R5,DD1 RET本設計中延遲程序的功能有延時防按鍵抖動和控制脈沖頻率達到控制

17、電機轉速的目的。在加速和減速的子程序中，要控制電機加速或減速，只要控制脈沖頻率，修改一下延時時間即可。 （2）正轉和反轉程序設計FW : JNB P0.0,$ ACALL DELAY SJMP Z1Z1: MOV R4,#00HPOS1 : MOV A,R4 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR JZ Z1 MOV P2,A JNB P0.0,ZZJNB P0.1,RSJNB P0.2,S1 JNB P0.3,S2 ACALL DELAY INC R4 AJMP POS1 RETZZ: JNB P0.0,$ ACALL DELAY ACALL START以上為正轉的子程序，其

18、中這程序還有一個功能當正轉按鍵第二次按下時，電機停止轉動。反轉程序與正轉程序的差異性在于讀取TAB表中數據的順序不一樣。 （3）加速和減速程序設計S1: JNB P0.2,$ ACALL DELAY SJMP Z3Z3: MOV R4,#00POS3: MOV A,R4 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR JZ Z3 MOV P2,A JNB P0.1,RS JNB P0.0,FW JNB P0.3,S2 ACALL DELAY1 INC R4 AJMP POS3 RET以上為加速的子程序，其中加速和減速的核心在于脈沖頻率即延遲時間的設計。加速程序與減速程序的差異性在于調用

19、不同的延遲程序。 第4章 軟件仿真4.1 keil 軟件的簡介Keil軟件是目前最流行開發MCS-51系列單片機的軟件。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（uVision）將這些部份組合在一起。開發人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及C51編譯器編譯生成目標文件（.obj）。目標文件可由LIB51 創建生成庫文件，也可以與庫文件一起經L51 連接定位生成絕對目標文件(.abs）。abs文件由OH51 轉換成標準的hex 文件。HEX文件格式是Intel公司提出的按地址排列的數據信

20、息,數據寬度為字節,所有數據使用16進制數字表示, 常用來保存單片機或其他處理器的目標程序代碼。它保存物理程序存儲區中的目標代碼映象。一般的編程器都支持這種格式。4.2 Proteus 軟件的簡介Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：實現了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232動態仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波

21、器、邏輯分析儀、信號發生器等。支持主流單片機系統的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調試功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如Keil C51 uVision2等軟件。具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。可仿真51、AVR、PIC。 4.3 仿真電路圖 圖

22、4.1 四相八拍步進電機從仿真電路圖中我們可以看出四相八拍步進電機是由最小系統，按鍵控制系統，AT89C51和電機驅動系統構成。最小系統為AT89C51單片機提供工作電源和脈沖信號。使得單片機正常工作。按鍵控制系統為單片機的輸入I/O口提供工作信號，信號通過單片機的輸出I/O口傳遞給驅動系統，最后控制步進電機的工作狀態。4.4 仿真結果與分析 圖4.2 步進電機正轉運行圖圖4.3 步進電機正轉運行圖圖4.4 步進電機正轉運行圖圖4.5步進電機正轉運行圖由4.2到4.5四幅圖可以看出步進電機是加速轉動。在仿真時當正轉按鍵閉合時，電機順時針轉動，在電機轉動時點擊暫停仿真，電機停止，當再點暫停仿真時

23、，兩者數字變化大概在40度。再當正轉按鍵再次閉合時，電機停止轉動。當反轉按鍵閉合時，電機逆時針轉動，轉速與正轉時速度相同。當加速按鍵閉合時，電機轉速加快，明顯比正轉時速度快，在電機轉動時點擊暫停仿真，電機停止，當再點暫停仿真時，兩者數字變化大概60度。當減速按鍵閉合時，電機轉速變慢，明顯比正轉時速度慢，在電機轉動時點擊暫停仿真，電機停止，當再點暫停仿真時，兩者數字變化大概在20度。 小 結經過小組成員的逐步摸索，我們在多次失敗后終于達到了預期設計目的，圓滿的完成本次課程設計。本次課程設計主要以單片機為基礎，用單片機來控制步進電機的轉動，熟悉單片機的一般搭建電路，了解單片機最小系統，一般電子電路

24、與單片機構成簡單系統及簡單編程的方法。熟練掌握了KeilC51集成開發環境的使用方法，進 一步加深對單片機常用指令的理解與運用。能夠較熟練的運用Proteus繪制電路原理圖以及進行仿真。以及KeilC51和Proteus的聯合調試。在設計過程中，我們開始采用了一種方法，其缺點不能實現電機加速與減速，必須在重新改寫程序代碼后再次加載到原理圖中才能實現電機加速與減速，在此基礎上，經小組成員著力改進，解決了上述問題和不足，設計出了最后的電路原理圖和程序。在不斷改進過程中，使我在單片機的基本原理、單片機應用系統開發過程，以及常用編程設計思路技巧的掌握方面有了很大的提高。在這次課程設計中，通過用單片機控

25、制步進電機的正、反轉，我也對單片機的知識也進行了復習和鞏固。這次課程設計，真正的將理論和實踐結合起來，讓我們更深刻理解到了實踐的重要性。提醒我們在今后的學習過程中更要注意理論、實踐相結合，同時鍛煉了我們團隊合作精神。最后，尤其感謝老師在設計期間對我們的細心指導和耐心答疑，讓我們在遇到不能解決的問題時能得到極大的幫助！參考文獻1張毅剛，劉杰. MCS-51系列單片機原理及應用M. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004. 2張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應用M.西安電子科技大學出版社,2005. 3汪道輝.單片機系統設計與實踐M.電子工業出版社出版,2009.&

26、#160;4胡輝. 單片機原理及應用設計M.中國水利水電出版社,2014. 5高洪志. MCS51單片機原理及應用技術教程 M北京：人民郵電出版社，2009.6程國鋼.Proteus原理圖設計與電路仿真就這么簡單M北京：電子工業出版社，2014.附錄A Proteus仿真電路圖 附錄B 程序： ORG 0100HSTART: MOV DPTR,#TAB MOV R0,#3 MOV R4,#0 MOV P2,R0 WAIT: MOV P0,#0FFH JNB P0.0,FWJNB P0.1,RSJNB P0.2,S1 JNB P0.3,S2 SJMP WAITFW : JNB P0.0,$ ACALL DELAY SJMP Z1Z1: MOV R4,#00HPOS1 : MOV A,R4 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR JZ Z1 MOV P2,A JNB P0.0,ZZJNB P0.1,RSJNB P0.2,S1 JNB P0.3,S2 ACALL DELAY INC R4 AJMP POS1 RETZZ: JNB P0.0,$ ACALL DE