单片机课程设计 控 制 步 进 电 动 机 系 统 1 目录 章 概述 1. 1 1. 2 第2章 设计的目的与意义 单片机概述与应用 设计原理 2. 1 2. 2 2. 3 设计要求与基本思路 设计方案选择 设计框图 第3章 硬件电路设计 3. 1 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 时钟电路 复位电路 输入电路 输出电路 扩展电路 第4章 程序设计 4. 1 4. 2 4. 3 程序流程图 程序清单与代码 总原理图 第5章 元件明细表 总结与致谢 参考文献 2 章 概述 1.1、设计的目的与意义 1）了解系统的工作原理。 2）掌握 8051 单片机的工作原理和应用。 3）通过课程设计培养学生自学能力和分析问题、解决问题的能 力。 4）通过设计使学生具有一定的计算能力、制图能力以及查阅手 册、使用国家技术标准的能力和一定的文字表达能力。 1.2 单片机概述与应用 单片机概述 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支， 也是颇具生命 力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故 又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基 本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机 只需要和适当的软件及外部设相结合， 便可成为一个单片机控制系 统。 单片机经过 1、2、3、3 代的发展，目前单片机正朝着高性能和多 品种方向发展，它们的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引角的多 功能化，以及低电压底功耗。 3 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器 (RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及 数据总线、 地址总线和控制总线等三大总线， 现在我们分别加以说明： ?中央处理器： 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的 处理器，能处理 8 位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度 整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 ?数据存储器(RAM) 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器 单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据， 用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型 表。 ?程序存储器(ROM)： 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表 格。 ?定时/计数器(ROM)： 8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中 4 断用于控制程序转向。 ?并行输入输出(I/O)口： 8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的 传输。 ?全双工串行口： 8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设间的串行数据传 送， 该串行口既可以用作异步通信收发器， 也可以当同步移位器使用。 ?中断系统： 8051 具较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断 和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选 择。 单片机应用 8031 和 8051 是常见的 mcs51 系列单片机，是 inter 早 期的成熟的单片机产品， 应用范围涉及到各行各业,由于 8031 与 8051 兼容只是 8031 没有程序存储器，需要在片外扩展一片程序存储器。 下面介绍一下它的引脚图等资料。 5 MCS—51 系列单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图； (b) 引脚功能分类 6 MCS-51 系列单片机内部结构框图 MCS—51 系列单片机内部结构简化框图 单片机的应用范围很广，在以下各个领域有广泛的应用： 1、工业自动化。主要是过程控制技术、数据采集、测控技术 和机电一体 化技术（机器人） 7 2、智能仪器仪表。用于提高仪器的精度和准确度。混合式步进电机 3、消费类电子产品。主要是家电领域。像洗衣机、电冰箱、 空调、电视、 微波炉、手机、IC 卡、汽车电子设等。 4、通信方面。用于调制解调器、程控交换技术以及各种通信 设。 5、武器装。飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武 器装、航 天飞机导航系统等都有单片机深入其中。 第2章 设计要求： 设计原理 2.1 设计要求与基本思路 1.利用8051单片机控制电动机，按中断1进行电机的正转60秒。 2.按中断2进行电机的反转各30秒。 3.按 P1.0引脚进行电机的正转反转各30秒 基本思路： 1.搜集资料，研究步进电机的种类，工作原理以及运用场合。 2.掌握步进电机的机械运行特性。 3.查找步进电机驱动电路的种类，掌握一种常用的驱动电路。 4.温习单片机有关知识：常用程序语句、定时器的使用。 5. 研究步进电机的简单控制，写出正反转程序、调速程序。 8 2.2、设计方案选择（选择依据） 1、单片机的选择 选用 MCS-51 单片机，配 11.0592MHz 晶振，复 位电路采用上电复位 2、显示电路选择 采用软件译码动态显示，P1.0 做电动机的正反转 的位选口。码管的段选口。考虑直接用单片机 I/O 口作位选时可能驱 动功率不够，可采用三极管 9012 作驱动， 共阳极数码管显示。 3、电源选择 采用交流 220V 电源供电 2.3、设计框图 2.4、设计原理 利用 8051 单片机以及其外扩、复位电路、时钟电路、电源电路 等硬件结构组成的完整系统来执行相应程序， 达到装饰、 美化等效果。 9 第三章 硬件电路设计 3.1、时钟电路 TAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器 可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部 时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。因为一个机器周期含有 6 个状态周 期，而每个状态周期为 2 个振荡周期，所以一个机器周期共有 12 个 振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为 12MHZ，一个振荡 周期为 1/12us，故而一个机器周期为 1us。如图 6 所示为时钟电路。 C1 30pf X1 CRYSTAL 19 U1 XTAL1 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD C2 30pf 18 XTAL2 9 RST 3.2、复位电路 29 30 31 PSEN ALE EA 1 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电 P1.0 源稳定后，撤销复位信号。通过某种方式，使单片机内存各寄存器的 值变为初始的操作称为复位(reset)。 2 3 4 5 6 7 8 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 AT89C51 10 在 RESB 端加上一个低电平就可令其复位。该电路具有手动和上 电复位两种功能。如图 2.19 所示是一个简单的复位电路。 当电源电压低于 2.2V 时，系统会变得不稳定且容易出错。导致 电源电压过低的原因很多，如电压的反跳、负载过重、电池电量不 足……。如果电源电压低于 2.2V 时，会在 4 个时钟周期之后产生一 个复位信号，使系统复位。 复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位， 单片机在时 钟电路工作以后, 在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平时就可 以完成复位操作。例如使用晶振频率为 12MHz 时，则复位信号持续时 间应不小于 2us[。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图所示 为复位电路。 复位电路图 11 3.3 输入电路 3.4 输出电路 3.5 扩展电路 8051 与 2764 程序块合用扩展为 8K 程序存储系统，其线 芯片内没有程序存储器， 因此它在应用中与程序块 2764 连用。 8051P0 口外接一个地址锁存器 ，8051 访问外部程序存储器时，低 8 位地址由 P0 输出， 并由 ALE 信号锁存到地址锁存器中， 地址锁存器输出地址信息 AB 0-7 接到 2764 的地址线，接到 2764 的 A22-25， P24-27， AB12-15 接址直译码器， 译出选择线） CE 、 （N） 8051 的外部程序存储器 ； 选通信号线 的数据允许输出端 OF。8051 的 P0 连接到 址锁存器的输入端和 2764 的数据线 通过十六位的地址线K 字节程序存储器 和 64K 字节 的数据存储器寻址，因为程序存储器 EPROM 用 8051 的 PSEN 信号选通，而数 据存储器 RAM 用 8051 的读信号 RD 和写信号 WR 选通的， CPU 取指令周期， 在 P2 口和 P0 口输出的是程序计数器 PC 的值，8051 的外部程序选通信号 PSEN， 在 ALE 返回电平后发生负跳变，混合式步进电机选通外部程序存储器，由地址线 确定外 部 EPROM 中指令字节传送到 P0 口供 CPU 读取，读写信号线 WR、RO 始终为 13 高电平，即 RAM 数据存储器不会被 选通，而在 8031 访问外部 RAM 数据存储 器的周期内，WR 发生负跳变，程序选通信号，PSEN 始终为高电平，CPU 只和 外部 RAM 传送数据，EPROM 没有被选通。 3.6、混合式步进电机MCS-51 中断系统的结构 MCS-51 系列单片机有 5 个中断请求源，两个中断优先级，可两 级嵌套。 中断请求源 五个中断请求源 ： （1）INT0—外部中断请求 0，由引脚 INT0 输入，中断请求标志 为 IE0。 （2）INT1—外部中断请求 1，由引脚 INT1 输入，中断请求标志 为 IE1。 （3）定时器/计数器 T0 溢出中断请求，中断请求标志为 TF0。 （4）定时器/计数器 T1 溢出中断请求，中断请求标志为 TF1。 （5）串行口中断请求，中断请求标志为 TI 或 RI。 标志位分别由特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 的相应位锁存。 14 TCON 为定时器/计数器的控制寄存器，字节地址为 88H。包含： （1）T0 和 T1 的溢出中断请求标志位 TF1 和 TF0 （2）外部中断请求标志位 IE1 与 IE0。 中断优先级寄存器 IP 两个中断优先级，可实现两级中断嵌套。一个正在执行的低优先 级中断程序能被高优先级的中断源所中断， 但不能被另一个低优先级 的中断源所中断。若 CPU 正在执行高优先级的中断，则不能被任何中 断源所中断。 可归纳为下面两条基本规则： （1）低优先级可被高优先级中断，反之则不能。 （2）同级中断不会被它的同级中断源所中断。 某一中断源被设置为高优先级中断， 则不能被任何其它的中断源 的中断请求所中断。中断优先级寄存器 IP，其字节地址为 B8H。 15 第4章 程序设计 4.1 程序流程图 16 4.2 程序清单与代码 fosc=12MHZ (1)按中断 1 进行电机正转 60s. =1， CPU 申请中断， 向 电机正转。定时时间 60ms，延时 1000ms。采用模式 1，定时器 T0 x=5536D=15A0H. (2)按中断 1 进行电机反转 30s，INT=1，向 CPU 申请中断电机反转， 定时时间 30ms， 延时 10000s。 采用模式 0， 定时器 T1 x=5192D=1448H. (3)按 P1.0 引脚进行电机正、反转各 60s,设高电平进行电机正转，低 电平进行电机反转。定时时间 60ms ，延时 1000ms,采用模式 1 x=5536D=15A0H. ORG LJMP INO: PUSH PUSH JB JB JB EXIT: POP POP REIT I0 : MOV MOV MOV 0H INO PSW A P2.0,I1 ;查询三个装置，转入相应的自服务程序 P2.0, I1 P1.0，I2 A PSW ;返回指令 TMOD,#01H；工作模式设置 TL0，#0AH ;装入 T0 计数初值 TH0，#15H 17 ；跳转 ；保护现场 SETB LOOP0:JBC AJMP DELAY0:MOV PE0: MOV MOV OPL AJMP $ ORG I1: MOV MOV MOV SETB LOOP1:JBC TR0 TF0，PE LOOP ;置位 1，启动 T0 ;TF0=1，溢出转移 PE0，否则循环 R1,#03E8H ;延时子程序 TLO,#0A0H ;重装计数处置 TH0,#15H P2.0 LOOP0 0013H TMOD,#OOH ;工作模式设置 TL1,#48H TH1,#14H TR1 TF1,PE1 ;置位 1，启动 T1 ;TF1=1 时溢出，转移 PE1，否则循 环 ;装入 T1 计数初值 AJMP DELAY1:MOV PE1: MOV MOV CPL LOOP1 R1,#2710H TL1,#48H TH1,#14H P2.1 ;延时 10000 次 ;装入 T1 计数器 AJMP LOOP1 18 $ I2: MOV MOV MOV SETB LOOP2:JBC AJMP DELAY:MOV CPL PE2: MOV MOV CPL AJMP $ REIT TMOD,#OOH TL0,#0A0H ;装入 T0 计数初值 TH0，#15H TR0 TF0，PE LOOP2 TL0，#03E8H;延时子程序 P1.0 ;取反，反转 ;置位 1，启动 T0 ;TF0=1 溢出，转移 PE2，否则循环 TL0，#0A0H ;重装 TH0，#25H P1.0 LOOP0 ;取反，停止正反转 ; 无条件转移 19 4.3 总原理图 20 第5章 35BY48S03 型 步 机 电 机 元件明细表 1 个 1个 若干 3个 3只 1 个 3只 1个 1个 1个 1个 MCS8051 单片机及其简单的外围器件 电阻 5.1K 功率晶体管 稳压二极管 锁 存 器 74LS373 二极管 +5V 直流电源 AC0809 时钟电路 复位电路 21 总结与致谢 本次设计研究的内容是单片机对步进电机的控制， 主要研究了单 片机对步进电机的正反转、速度的控制。 此次设计中我们用的控制器是单片机，而对步进电机的控制，我们 还可以使用 PLC。PLC 的优点在于使用方便、可靠性高、抗干扰性 强，但其价格较贵，性价比的综合考虑之下，在稳定性、可靠性要求 不是太高的场合，选用单片机作为控制器，便是一明智的选择。 步进电机作为一种特殊的电机，它对电源的要求是很高的，控制 精度主要的因素取决于电源。 在第 3 节中我们只是简单提到了常见 的驱动电路：单电压供电、高低压切换供电、调频调压供电，设计中 只对单电压供电做了详尽的介绍， 对后两种高级的驱动电路没做过多 介绍。 在设计过程当中,不可制止地遇到了许多问题,多亏了老师及同 学们的热肠的帮助，在这里表示衷心感谢! 一周的课程设计很快就 过去了，此中感受多的还是自己的实践动手能力不太好，而且对 学过的常识的运用还不太熟，学过的东西不知道该怎么应用，不可 制止地遇到了不少的问题，也学会了自己去思考怎样分析问题和解 决问题，熬炼了自己动脑、动手的积极性，同时也是动学过的常识 的一种温习和加深，同时也让自己学会了如何运用已学过的知道来 解决实际问题，对自己也是一种提高和熬炼。在整个设计中我懂得 了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力 22 的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大 大提高了动手能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和 成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不很好，但是在设计过程中所 学到的东西是这次设计的收获和财富，使我终身受益。 我会带着这份求学精神，带着老师和同学们寄予我的厚望，好好 地把握机会，在以后的生活、工作岗位上发挥自己的优势，实现 自己的人生价值。 在设计过程当中,不可制止地遇到了许多问题,多亏了老师及同学 们的热肠的帮助，在这里表示衷心感谢! 23 参考文献 刘宝录.电机拖动与控制.西安.西安电子科技大学出版社，2006.3 曹承志.电机、拖动与控制.沈阳工业大学，2000.3 王季秩，曲家骐.执行电动机.北京.机械工业出版社，1997.7 何立民.单片机应用技术选编.北京.北京航空航天大学出版社， 1996.11 黄庆华， 张永格.单片机开发技术与实训.北京.电子工业出版社， 2006.7 汪德彪.MCS-51 单片机原理及接口技术.北京.电子工业出版社， 2003.8 24 25 26
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