步进电机实验报告

论文题目： 步进电机的控制

课程名称： 计算机控制技术 学 院 信息工程学院 专业班级 应用电子技术（2）班 学 号 3109003108 姓 名 卢广彬 任课教师 黄国宏

2012年4 月 16 日

实验名称：步进电机的控制

实验目的：

1、 复习步进电机的工作原理，进一步加强对步进电机的应用方面的学习； 2、 了解芯片ULN2003A的工作原理，并利用单片机或者微机等对芯片加予控制； 3、 学会灵活编写单片机的控制及应用程序，进一步熟悉单片机的工作方式； 4、 学会用单片机及一外围设备组建具有独特功能的自动控制系统。

实验原理：

ULN2003A是一个具有16个引脚驱动芯片，其作用是将输入的较小电流放大，以便可以驱动一般的I/O无法驱动的较大功率的外围设备。下面将叙述ULN2003A的内部结构、芯片引脚功能、与单片机的连接方法及简单的应用。

一、ULN2003管脚排列如下图所示：ULN2003的内部结构和功能

ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003A时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。

ULN2003A是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA.资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。 比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。

ULN2003A的作用：

ULN2003A是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

ULN2003A是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2003A的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。

ULN2003A是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

ULN2003A引脚图及功能：

ULN2003 是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片。 经常在以下电路中使用，作为： 1、显示驱动 2、继电器驱动 3、照明灯驱动 4、电磁阀驱动

5、伺服电机、步进电机驱动等电路中。

ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它 能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来 处理的数据。

ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 ULN2003 的封装采用DIP—16 或SOP—16

ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。

ULN2003可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。

ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7kΩ的电阻，可直接与TTL或5V CMOS器件连接

ULN2003可以并联使用，在相应的OC输出管脚上串联几个欧姆的均流电阻后再并联使用，防止阵列电流不平衡。 2.1步进电机

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

2.2步进电机的控制

1.换相顺序控制： 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：混合式步进电机的工作方

式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。

2.控制步进电机的转向控制： 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

3.控制步进电机的速度控制：如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。 2.3步进电机的工作过程

开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图3.a、b、c所示：

a.单四拍 b. 双四拍 c.四相八拍

步进电机工作时序波形图

对步进电机四个绕组依次实现如下方式的循环通电控制： 1、单四拍运行：正转A-B-C-D； 反转D-C-B-A

2、双四拍运行：正转AB-BC-CD-DA；反转DC-CB-BA-AD 3、八拍运行： 正转A-AB-B-BC-C-CD-D-DA

本实验使用的四相八拍的工作方式

3、实验原理图：

单片机控制步进电机的原理图如下图所示：

单片机STC89C52上电后根据程序在P1.0—P1.3这四个I/O口输出上面步进电机工作时序图中的四相八拍时序方波，方波电流经ULN2003A芯片构成的驱动模块放大到一定的程度，以便提供可以满足步进电机工作所需的功率，即可使步进电机工作。如图所示的电路图中，步进电机有三种工作方式：一是仿照自动升降国旗的系统，当SA按下后，就进入自动升国旗的模式，国歌的长度是49秒，电机转过24.5圈时，蜂鸣器就响一下，与此同时，在LCD1602上会计数，并显示电机转过的圈数；当SB按下后，则是降国旗，其他方面的跟升国旗的情况一样。二是正转方向上的加减速，只有SC这个按键按下后，就进入正转模式；再按SC键，就可以循环加减束。三是反转方向的加减速，情况和第二种工作方式相类似。

实验步骤及结果：

1、 按照实验原理图连接好电路图；

2、 根据原理图编写程序；

3、 电路上电，调试程序，观察并控制电机使其按照预期的行为工作；

4、 当电机可以通过按键控制其仿照自动升降国旗系统、正转加减速、反转加减速时，程序

调试结束；

5、优化程序，整理实验结果

实验程序：

#include #include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define RS_CLR RS=0 #define RS_SET RS=1 #define RW_CLR RW=0 #define RW_SET RW=1 #define EN_CLR EN=0 #define EN_SET EN=1 #define DataPort P0

uint flag,N; uchar step=3;

sbit keyA=P1^4; sbit keyB=P1^5;

//正转键 //反转键

sbit keyC=P1^6; //加速键 sbit keyD=P1^7; //减速键

sbit beep=P3^6; //报警器开关口 sbit RS=P2^0; sbit RW=P2^1; sbit EN=P2^2;

uchar code table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //数码管显示 uchar code F[]={0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9}; //四相八拍正转 TABLE uchar code R[]={0xf1,0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3};

void delay(uint z) {

uint x,y; for(x=z;x>0;x--) }

void DelayUs2x(unsigned char t) {

while(--t); }

for(y=0;y<115;y++);

//延时子程序

//四相八拍反转 TABLE

void DelayMs(unsigned char t) {

while(t--)

{

//大致延时1mS DelayUs2x(245); DelayUs2x(245); } }

bit LCD_Check_Busy(void) {

DataPort= 0xFF; RS_CLR; RW_SET; EN_CLR; _nop_(); EN_SET;

return (bit)(DataPort & 0x80);

}

void LCD_Write_Com(unsigned char com) {

while(LCD_Check_Busy()); //忙则等待 RS_CLR; RW_CLR; EN_SET;

DataPort= com; _nop_(); EN_CLR; }

void LCD_Write_Data(unsigned char Data) {

while(LCD_Check_Busy()); //忙则等待 RS_SET; RW_CLR; EN_SET; DataPort= Data; _nop_(); EN_CLR; }

void LCD_Clear(void) {

LCD_Write_Com(0x01); DelayMs(5); }

void LCD_Write_String(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s) {

if (y == 0) { LCD_Write_Com(0x80 + x); //表示第一行 }

else

{

LCD_Write_Com(0xC0 + x); //表示第二行 } while (*s)

{

LCD_Write_Data( *s); s ++; } }

void LCD_Write_Char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data) {

if (y == 0) {

LCD_Write_Com(0x80 + x); } else

{

LCD_Write_Com(0xC0 + x);

}

LCD_Write_Data( Data); }

void LCD_Init(void)

{

LCD_Write_Com(0x38); /*显示模式设置*/ DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38);

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38);

LCD_Write_Com(0x08); /*显示关闭*/ LCD_Write_Com(0x01); /*显示清屏*/

LCD_Write_Com(0x06); /*显示光标移动设置*/ DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x0C); /*显示开及光标设置*/ }

void display() { P0=0xFF; //P1口置1 LCD_Init();

LCD_Clear();//清屏

LCD_Write_String(0,0,\ LCD_Write_String(10,0,\ LCD_Write_String(12,0,\

LCD_Write_String(0,1,\LCD_Write_Char(7,1,0+0x30);

LCD_Write_Char(9,1,0x7e ); }

void STEP_F(uchar n) {

uint i;

for(i=0;i<8;i++) {

if(keyC==0)

{ while(!keyC); n--; if(n==0) }

{ n=3;

beep=0; delay(100); beep=1;

}

P1=F[i]; delay(n); }

}

void STEP_R(uchar n) {

uint i;

for(i=0;i<8;i++) {

if(keyD==0) {

while(!keyD); n--; if(n==0)

{ n=3;

beep=0; delay(100);

}

beep=1; }

P1=R[i]; delay(n);

} }

void keyboard() {

if(keyA==0)

{ }

flag=0; N=0;

LCD_Write_String(12,0,\

else if(keyB==0) {

flag=1; N=0;

LCD_Write_String(12,0,\

}

else if(keyC==0) {

while(!keyC);

flag=2; N=0; LCD_Write_String(12,0,\

}

}

else if(keyD==0) {

while(!keyD); flag=3; N=0; }

LCD_Write_String(12,0,\

void main() {

uint i,j;

//主程序

display(); while(1)

{

keyboard(); {

for(j=0;j<32;j++) {

for(i=0;i<8;i++)

{

P1=F[i]; delay(2); } }

N++;

if(N==245) {

beep=0;

delay(300); beep=1; break;

if(flag==0)

//电机转过45°

}

LCD_Write_Char(10,1,N/1000+0x30); LCD_Write_Char(11,1,N00/100+0x30 ); LCD_Write_Char(12,1,N000/10+0x30 ); LCD_Write_String(13,1,\

LCD_Write_Char(14,1,N000+0x30 ); }

else if(flag==1)

{ for(j=0;j<32;j++) { for(i=0;i<8;i++)

{

P1=R[i]; delay(2); } }

N++;

if(N==245) {

beep=0;

delay(300); beep=1;

//电机转过45°

break; }

LCD_Write_Char(10,1,N/1000+0x30); LCD_Write_Char(11,1,N00/100+0x30 ); LCD_Write_Char(12,1,N000/10+0x30 ); LCD_Write_String(13,1,\

LCD_Write_Char(14,1,N000+0x30 ); }

else if(flag==2) {

while(keyA&keyB&keyD) { for(j=0;j<9*step;j++) { STEP_F(step);

} N++;

LCD_Write_Char(10,1,N/1000+0x30);

LCD_Write_Char(11,1,N00/100+0x30 ); LCD_Write_Char(12,1,N000/10+0x30 ); LCD_Write_String(13,1,\

LCD_Write_Char(14,1,N000+0x30 );

} }

else if(flag==3) {

while(keyA&keyB&keyC)

{

for(j=0;j<9*step;j++) { STEP_R(step); }

N++;

LCD_Write_Char(10,1,N/1000+0x30);

LCD_Write_Char(11,1,N00/100+0x30 ); LCD_Write_Char(12,1,N000/10+0x30 ); LCD_Write_String(13,1,\

LCD_Write_Char(14,1,N000+0x30 ); } }

else break;

} P1=0xf0; }

心得体会：

俗话说“好的开始是成功的一半”。说起课程设计，我认为最重要的就是对实验的原理要一丝不苟的去研究，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。最后，要重视程序的模块化，修改的方便，也要注重程序的调试，掌握其方法。

虽然自己有实验板，但是部分硬件的设计跟焊接都要我们自己动手去焊，软件的编程也要我们不断的调试，最终一个能完成课程设计的劳动成果出来了，很高兴它能按着设计的思想与要求运动起来。

当然，这其中也有很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意焊错了线，由于对课本理论的不熟悉导致编程出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。对于这次单片机综合课程实习，我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。

在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。通过题目选择和设计电路的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。在方案设计选择和芯片的选择上，培养了我们综合应用单片机的能力，对单片机的各个管脚的功能也有了进一步的认识。还锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题，解决问题的能力。并且我们熟练掌握了有关器件的性能及测试方法。

再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/im3r.html