單片機原理與應用課程設計【項目名稱】基于AT89S52單片機控制的步進電機【指導教師】XXX【班級】XXX【學號】XXX【姓名】XXX目錄一、項目概述 4二、項目要求 4三、知識要點 6（一）AT89C52的資料 8（二）ULN2003資料 13四、系統(tǒng)設計 17（一）系統(tǒng)框圖設計 17（二）說明 17五、硬件設計 18(一)電路原理圖 181、按鍵功能 202、驅(qū)動電路 20（二）元件清單 23六、軟件設計 24（一）程序流程圖 24（二）源程序 26（三）系統(tǒng)仿真及調(diào)試 361、硬件調(diào)試 372、軟件調(diào)試 37七、總結 38（一）遇到的問題及其解決方法 381、硬件部分 382、軟件部分 39（二）功能擴展 411、已經(jīng)實現(xiàn)的擴展功能 412、暫未實現(xiàn)的擴展功能預想 42一、項目概述 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應角位移或線位移的電磁機械裝置，也是一種能把輸出機械位移增量和輸入數(shù)字脈沖對應的驅(qū)動器件。步進電機具有快速啟動、停止的能力，精度高，控制方便，因此，在工業(yè)上得到廣泛應用。二、項目要求基于AT89C52單片機的控制步進電機正反轉(zhuǎn)，具體要求如下：1、開始通電時，停止位指示燈亮，步進電機停止工作。2、單片機分別接有按鍵開關K1、K2、K3、K4、K5用來控制步進電機的轉(zhuǎn)動，具體要求如下：（1）K1為正轉(zhuǎn)按鈕。當按下K1時，步進電機正轉(zhuǎn)，同時正轉(zhuǎn)指示燈亮。（2）K2為反轉(zhuǎn)按鈕。當按下K2時，步進電機反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)指示燈熄滅，同時反轉(zhuǎn)指示燈亮。（3）K4為加速按鈕。當步進電機處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)時，每按下一次加速按鈕，步進電機將正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)加速一次，最高加速四次，達到最大速度后再按加速按鈕步進電機的狀態(tài)不再變化。（4）K5為減速按鈕。當步進電機處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)時，每按下一次減速按鈕，步進電機將正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)減速一次，最高減速四次，減到最小速度后再按減速按鈕步進電機的狀態(tài)不再變化。（5）K3為步進電機停止按鈕。當按下K3時，步進電機將停止轉(zhuǎn)動。3、一位數(shù)碼管用來顯示步進電機當前速度的檔位。當步進電機開始轉(zhuǎn)動或按下加速減速按鈕開關后數(shù)碼管都會顯示相應數(shù)字，數(shù)碼管顯示的數(shù)字表示步進電機當前工作檔位。4、正傳采用1相激磁方式，反轉(zhuǎn)采用1~2相激磁方式。三、知識要點通過學習和查閱資料，本項目需要掌握如下知識：1、+5電源原理設計，USB供電接口的連接。2、單片機復位電路工作原理及設計。3、按鍵電路的設計。4、光隔離電路、驅(qū)動電路的原理及設計。5、步進電機工作原理及控制設計。6、AT89C52單片機引腳。7、單片機控制步進電機C語言程序設計。（一）AT89C52的資料引腳說明：VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口作為AT89C51的一些特殊功能口，管腳備選功能：

P3.0RXD（串行輸入口）

P3.1TXD（串行輸出口）

P3.2/INT0（外部中斷0）

P3.3/INT1（外部中斷1）

P3.4T0（記時器0外部輸入）

P3.5T1（記時器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（二）ULN2003資料ULN2003的內(nèi)部結構和功能：ULN是集成達林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTLCOMS,由達林頓管組成驅(qū)動電路。ULN是集成達林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE約1V左右，耐壓BVCEO約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。

ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，但獨每個單元驅(qū)動電流最大可達350mA.資料的最后有引用電路，9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在VCC與16腳之間，不用9腳。

ULN2003的作用：ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。

ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。該電路的特點如下:ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)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。

ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)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(qū)動的系統(tǒng)。

ULN2003是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅NPN達林頓管組成的驅(qū)動芯片。經(jīng)常在以下電路中使用，作為：1、顯示驅(qū)動2、繼電器驅(qū)動3、照明燈驅(qū)動4、電磁閥驅(qū)動5、伺服電機、步進電機驅(qū)動等電路中。ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)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(shù)據(jù)。

ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)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DIP—16或SOP—16ULN2003在各種控制電路中常用它作為驅(qū)動繼電器的芯片，其芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。ULN2003的輸出端允許通過IC電流200mA，飽和壓降VCE約1V左右，耐壓BVCEO約為36V。輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器(SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。四、系統(tǒng)設計（一）系統(tǒng)框圖設計ATAT89C52單片機按鍵電路復位電路晶振電路電源電路驅(qū)動電路步進電機 圖4-1 基于AT89C52單片機的控制步進電機的控制框架（二）說明根據(jù)系統(tǒng)要求畫出基于AT89C52單片機的控制步進電機的控制框架如圖4-1所示。系統(tǒng)主要包括單片機、晶振電路，電源電路、按鍵電路、步進電機及驅(qū)動電路幾部分。五、硬件設計(一)電路原理圖根據(jù)圖4-1，可以設計出單片機控制步進電機的硬件電路圖，如4-2所示。其他各部分器件及功能如下：1、按鍵功能單片機分別接有按鍵開關K1、K2、K3、K4、K5用來控制步進電機的轉(zhuǎn)動，具體要求如下：（1）K1為正轉(zhuǎn)按鈕。當按下K1時，步進電機正轉(zhuǎn)，同時正轉(zhuǎn)指示燈亮。（2）K2為反轉(zhuǎn)按鈕。當按下K2時，步進電機反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)指示燈熄滅，同時反轉(zhuǎn)指示燈亮。（3）K4為加速按鈕。當步進電機處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)時，每按下一次加速按鈕，步進電機將正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)加速一次，最高加速四次，達到最大速度后再按加速按鈕步進電機的狀態(tài)不再變化。（4）K5為減速按鈕。當步進電機處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)時，每按下一次減速按鈕，步進電機將正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)減速一次，最高減速四次，減到最小速度后再按減速按鈕步進電機的狀態(tài)不再變化。（5）K3為步進電機停止按鈕。當按下K3時，步進電機將停止轉(zhuǎn)動。2、驅(qū)動電路單片機的輸出電流太小，不能直接與步進電機相連，需要增加驅(qū)動電路。對于電流小于0.5A的步進電機，可以采用UL2003類的驅(qū)動IC。ULN2003技術參數(shù)如下所示：最大輸出電壓：50V。最大連續(xù)輸出電流：0.5A。最大連續(xù)輸入電流：25mA。功耗：1W。如圖4-3所示為2001、2002、20030、2004系列驅(qū)動器引腳圖，左側(cè)1~7引腳為輸出端，接單片機P1口的輸出端，引腳8接地；右側(cè)10~16引腳為輸出端，接步進電機，引腳9接電源+5V，該驅(qū)動器可提供最高0.5A的電流。正轉(zhuǎn)采用1相激磁方式，反轉(zhuǎn)采用1~2相激磁方式。 1~7為輸入端 10~16為輸出端8號引腳接地 9號引腳接+5V電源驅(qū)動器引腳圖（二）元件清單AT89C52單片機控制步進電機系統(tǒng)元件清單如下表4-1所示。 表4-1 單片機控制步進電機系統(tǒng)元件清單六、軟件設計（一）程序流程圖程序設計流程圖如圖4-4所示,，主要包括鍵盤掃描模塊、步進電機正反轉(zhuǎn)切換模塊、步進電機停止及指示燈模塊。（二）源程序#include<REG52.H> //開始，只正轉(zhuǎn)，不反轉(zhuǎn)，用flag做全局變量來控制轉(zhuǎn)向#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlong#defineCLK_WISE0//順時針方向轉(zhuǎn)動#defineINVERSE1//逆時針方向轉(zhuǎn)動bitdirection=CLK_WISE;/***方向標志，取值為CLK_WISE或INVERSE*/staticuintspeedcount=0;//加速標志，越大轉(zhuǎn)速越快，最大到4，然后回歸到0，循環(huán)。 //程序中可以依據(jù)它來改變占空比//ucharstep[8]={0x01,0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03};//8個步ucharstep4[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x01,0x02,0x04,0x08};/*一相激磁，一整步*/ucharstep8[]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};/*一、二相激磁，半步*/ucharth_0[8]={0x5D,0x85,0x9E,0xAE,0xBA,0xC2,0xC9,0xCF};//8個定時器值，高8位uchartl_0[8]={0x3D,0xEE,0x58,0x9E,0x3E,0xF7,0xBF,0x2C};//8個定時器值，低8位ucharshuma[8]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66};//04//,0x7f ,0x66,0x6d,0x7d,0x07intstep_i=0;//當前處于哪一步sbitk1=P0^0; sbitk2=P0^1;sbitk3=P0^2;sbitD1=P0^5;sbitD2=P0^6;sbitD3=P0^7;ucharflag;//intstep_i=0;/***定時器t0***/voidtime0(void)interrupt1using1 //控制轉(zhuǎn)向 //方向反后，正轉(zhuǎn)快于反轉(zhuǎn)？？？難道是一二相激磁的原因？{ //P1=step4[step_i];//輸出電機控制信號 if(flag==1) //順時針轉(zhuǎn) { P1=step4[step_i];//輸出電機控制信號 TR0=1; step_i++; } else if(flag==2) //反時針轉(zhuǎn) { P1=step8[step_i];//輸出電機控制信號 TR0=1; step_i++; } if(step_i>7)//順時針到最后一步，需要調(diào)整到第一步 step_i=0; if(step_i<0)//順時針到第一步，需要調(diào)整到最后一步 step_i=7; TH0=th_0[speedcount];//根據(jù)當前速度設定定時器初值 TL0=tl_0[speedcount];}/****速度標志*****/voidint0_srv(void)interrupt0using0 //外部中斷0服務程序 //加速與減速結果相反，調(diào)整后，減速最小后，電機停止運動 ，難道是因為我把TR0設置取消了？{ if(INT0==0) //加速 { //TR0=1; while(!INT0); if(flag==1) {speedcount++; if(speedcount>4) { speedcount=4; } } if(flag==2) {speedcount++; if(speedcount>4) { speedcount=4; } }//最大為7，然后從0開始循環(huán) //沒次調(diào)速度，電機就會回到原來的位置，如果連續(xù)按加速，電機一直上下運動，因此把三句放到前面，值先調(diào)整變化，再改變速度 P2=shuma[speedcount]; TH0=th_0[speedcount];//根據(jù)當前速度設定定時器初值 TL0=tl_0[speedcount]; }}voidint1_srv(void)interrupt2using2 //外部中斷1服務程序{ if(INT1==0) { //TR0=1; while(!INT1); if(flag==1) {speedcount--; if(speedcount<=0) { speedcount=0; } } if(flag==2) {speedcount--; if(speedcount<=0) { speedcount=0; } } P2=shuma[speedcount]; TH0=th_0[speedcount];//根據(jù)當前速度設定定時器初值 TL0=tl_0[speedcount]; }}/*******加速********/voidmain(){P2=0x00; EA=1; TMOD=0x01; ET0=1;//定時器0初始化 //TR0=1; EX0=1; IT0=1;//外部中斷0 EX1=1; IT1=1;//外部中斷1 TH0=th_0[0]; TL0=th_0[0];//定時器0初始值 D3=0; while(1) { if(k3==0)//停止位 { P2=0x3f; flag=0; TR0=0; D1=1; D2=1; D3=0; speedcount=0; } if(k1==0)//正轉(zhuǎn){ flag=1; TR0=1; D1=0; D2=1; D3=1; } if(k2==0)//反轉(zhuǎn){ flag=2; TR0=1; D1=1; D2=0; D3=1; } }}（三）系統(tǒng)仿真及調(diào)試1、硬件調(diào)試硬件的調(diào)試主要是把電路各種參數(shù)調(diào)整到符合設計要求。具體步驟如下：先檢查排除硬件電路故障，包括設計性錯誤和工藝性障礙。一般原則是先靜態(tài)再動態(tài)利用萬能板或邏輯測試儀器，檢查電路中的各器件以及引腳是否連接正確，是否有短路故障。先要將AT89C52取下，對電路板進行通電檢查，通過觀察看是否有異常，然后用萬能表測試各電源電壓，若這些都沒有問題，則接上仿真機進行聯(lián)機調(diào)試觀察各接口電路是否正常。2、軟件調(diào)試軟件調(diào)試是利用仿真工具如PROTUES等進行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯誤外，也可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。七、總結（一）遇到的問題及其解決方法1、硬件部分（1）焊接過程中芯片底座某個引腳不慎弄斷，不過整個電路設計中沒有用到那個引腳，所以影響不大。（2）有很多地方要接高電平或低電平，為了防止導線雜亂無章或方便檢測電路，我將焊接電路板的上面固定一條接高電平的導線，在下面固定一條接低電平的導線，采用這種方式后，電路板上的導線布局比較合理美觀了，電路性能檢測也非常方便。（3）連接用導線的絕緣皮非常薄，不耐高溫，焊接時容易被電烙鐵的高溫熔化從而導致線路短路，為避免此問題，焊接時盡量少用純金屬絲，不是焊接點的地方均需要有絕緣皮包裹導線，同時注意焊接時的細節(jié)，不要將非焊接點的絕緣皮熔化了。（4）焊接發(fā)光二極管時犯了一個低級錯誤，本來應該二極管的正極接高電平負極接I/O口的，全部搞成了正極接I/O口負極接低電平，后來又得修改，造成了不小的麻煩。（5）完成設計作品后在使用過程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的某一段始終不能顯示，即那一段始終是暗的，用萬用表檢查之后確定為焊接地方出現(xiàn)了技術上的問題，于是對癥下藥，對其重新焊接，將其他地方也進行了檢測及鞏固，之后產(chǎn)品性能總體效果不錯。2、軟件部分（1）開始的時候，步進電機只是振動，沒有轉(zhuǎn)動。程序中通過控制TR