单片机课程设计报告

课程设计报告

实习名称： 单片机原理及应用课程设计 学生姓名： 陈亚男 学 号： 1311411203 专业班级： 计算机1342 指导教师： 丁柏秀 柯洪昌 完成日期： 2016年6月24日

《课程设计报告》文档规范及注意事项

一、按照《任务书》中“设计报告要求”模式写。

二、文档格式为A4纸、页边距上下2.54cm，左3.7cm，右2.7cm；正文通篇段落1.5倍行距，宋体五号；一级标题 4号黑体，二级标题小四黑体。

三、图、表应有标号和名称，且图名位于图下，表名位于表格上方；表格：表名用小五号黑体，表头用小五号黑体，表内数字、字母用小五号Times New Roman体，表内汉字用小五号宋体；表框线两端不封。图解：图名用小五号黑体。图表的大小要适中。

四、参考文献格式为：

序号 作者，书名，出版地：出版社名称，出版社年份

序号 作者．论文题名．期刊名称，年份，卷号（期号）：起至页码 五、附录中的源代码应有适当的注释（可没有附录，但是提交的源代码电子文档中应有适当的注释）。

六、按照格式要求填写《课程设计报告》封面及《成绩评定表》中学生应填写的内容。

七、课程设计结束后，学生应提交的文档包括纸质文档和电子文档。 纸质文档包括：

1．《课程设计报告》1份（左侧装订）。 2．设计原理图1份（A3纸）。 电子文档包括： 1．课程设计报告 2．源程序 指导教师：

计算1341 王文涛 张东辉 计算1342 丁柏秀 柯洪昌

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《单片机原理及应用课程设计》成绩评定表

设计题目 设计时间 设计内容简介： 本设计系统利用51单片机及步进电机原理，设计实现对三相六拍步进电机启停及正反转控制，通过程序修改转向，或通过外部开关改变步进电机正反转。 步进电机是一种将电脉冲转换成角位移和线位移的电磁机械装置，也是一种能把输出解析为唯一增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得非常的简单。步进电动机通常用于数控机床、绘图机、自动控制和记录仪表等。 模块中用到的45BC340型步进电机为三相反应式步进电机，外部和结构图如下：它分成转子和定子两大部分，定子是由硅钢片叠成的，两个相邻定子齿之间的夹角为60°，转子由软磁材料制成。步进电动机三个励磁绕阻绕过相对的两个定子齿，构成一相（A-A’，B-B’，C-C’），定子齿上有5 个均匀分布的矩形小齿；转子上没有绕组，而有40 个小齿均匀分布在其圆周上。当某相绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S 极，产生磁场，并与转子形成磁路。 三相步进电机控制系统设计 2016年 6月20日 至 2016 年 6月 24日 图1 三相反应式步进电动机的外部图 2

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图2 三相反应式步进电动机的结构图 进步电机分单三拍、六拍及双三拍三种通电方式。本设计需用六拍通电方式的基本原理：按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称六拍方式。 a.A相通电 b.A、B相通电 c.B相通电 d.B、C相通电 图3 六拍通电时转子位置 设计表现（20%）（出勤、设计过程） 报告（20%）（报告格式规范，内容充实、图表齐全、数据处成 绩 理正确、结构合理、文字通畅） 评 定 答辩（60%）（答辩简明扼要，准确流利地回答各种问题，能 阐明自己的观点） 总成绩（五级分制）

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目 录

第1部分 课程设计目的 ..................................................................................... 1 第2部分 课程设计内容与要求 ......................................................................... 2 第3部分 设计方案 ............................................................................................. 3

3.1 系统原理设计 ............................................................................................................. 3 3.2 系统结构设计 ............................................................................................................. 4

第4部分 系统硬件设计 ..................................................................................... 5

4.1 单片机最小系统 ......................................................................................................... 5 4.2 模块设计原理图 ......................................................................................................... 6

第5部分 系统软件设计 ..................................................................................... 8

5.1 程序流程图 ................................................................................................................. 8 5.2 汇编程序 ..................................................................................................................... 9

第6部分 参考文献 ........................................................................................... 11 第7部分 课程设计总结 ................................................................................... 12

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第1部分 课程设计目的

本课程设计是本门课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。通过本课程设计，使学生进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，进一步巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能；培养学生自主、综合分析的思维与创新能力，最终使学生初步具有设计小型计算机控制系统的硬件及软件的能力。同时，通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写的一系列过程，使学生得到一次科学研究工作的初步训练。从而，在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。

1．灵活运用单片机的基础知识，依据课程设计内容，能够完成从硬件电路图设计，再到软件编程及系统调试实现系统功能，完成课程设计，加深对单片机基础知识的理解，并灵活运用，将各门知识综合应用。

2．能够上网查询器件资料，培养对新知识新技术的的学习能力和应用能力。 3．完成一个小的系统设计，从硬件设计到软件设计，增强分析问题、解决问题的能力。

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第2部分 课程设计内容与要求

设计题目 :三相步进电机控制系统设计

步进电机是一种将电脉冲转换成角位移和线位移的电磁机械装置，也是一种能把输出解析为唯一增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。步进电机具有启动、停止的能力，精度高，控制方便，因此，在工业上得到广泛应用。

利用51单片机及步进电机原理，设计实现对三相六拍步进电机启停及正反转控制，通过程序修改步数及转向，或通过外部开关改变步进电机正反转。

设计系统内容具有如下：用K3为启动/停止控制开关、启动时绿灯亮，否则红灯亮；K2方向控制（正反转），正转时不亮灯，反转红灯亮；K1速度控制（快慢两档）。

要求完成的主要任务:

1．系统硬件设计：系统总原理图及各部分模块详细原理图。

2．系统软件设计：系统总体流程图、单片机最小系统、步进电机三相六拍模块流程图、显示模块流程图等。

3．编写程序：能够完成上述任务。

4．根据系统设计注意事项，完成符合要求的设计说明书。

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第3部分 设计方案

3.1 系统原理设计

3.1.1驱动电路： 本模块采用星型接发，三相绕阻的公共端接+12V，另三端控制信号先经74HC04反相后

驱动NPN三极管2N2222A，由三极管输出驱动步进电机，原理如下：

图4 三相进步电机的驱动电路图

3.1.2三相六拍步进电机启停控制：

步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机的转轴不能自由转动。

3.1.3正反转控制：

如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相,即则电机就反转。其他方式情况类似。

1）、通过程序实现： 2）、通过外部开关实现：

3.1.4、转速快慢：

步进电动机运转的速度是由输入到A、B、C三相绕组的频率所决定的。脉冲的频率越高，电动机运转的速度越快，否则，速度就越慢。因而通过延时程序控制输出脉冲的频率，就可以实现对步进电机速度的控制。

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3.2 系统结构设计

下图为系统总体设计整体框图，由单片机80C51、45BC340C型步进电机及其驱动电路、3个按键开关、3个LED显示灯等一些电路模块组成。

三相步进电机及其驱动电路 80C51单片机 开关选择电机工作，模式

图5 控制系统总框图

LED灯显示电机工作状态 4

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第4部分 系统硬件设计

4.1 单片机最小系统

51单片机最小系统电路是指能过使单片机工作时的最小电路，主要包括：电源电路、复位电路、时钟电路。

1：电源电路

电源电路就是单片机的供电电路，一般是3.3V或者5V，具体多少要参考各种型号的单片机的工作电压，通常情况下是5V，这里是指通常情况下。

2：复位电路：包括上电复位和手动复位

a：上电复位：就是指在单片机启动电源后，启动上电自动复位。

在接通电源瞬间，电容上的电压不能“跃变”，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。当复位按键按下后电容C1通过R5放电。当电容C1放电结束后，RST端的电位由R1与R2分压比决定。由于R11<复位电路是电容与电阻串联构成，由图并结合\"电容电压不能突变\"的性质，可知当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般推荐C取10uF，R取4.7K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机器周期的高电平。

b：手动复位：单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。如下图，手动复位RST的波形，时间为1.37S-1.09S=028S，满足高电平24个时钟周期的要求。

3：时钟电路：就是晶振电路

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一般选择12Mhz的晶振，方便使用定时器、计数器的功能。80C51中有高增益的反相放大器，它是是构成内部振荡器的主要单元，XTAL2和引脚XTAL1分别是该放大器的输出端和输入端。片外石英晶体或陶瓷谐振器和放大器共同构成自激振荡器，旁路电容Cl、C2与外接石英晶体（或陶瓷谐振器）接在具有反馈功能的放大器中，构成了并联反馈振荡电路。对外接旁路电容Cl、C2即使没非常严厉的要求，但是电容容量的大小也会轻微影响振荡器频率的稳定性、振荡频率的幅值、起振的难易程序程度和温度稳定性等等。加入使用石英晶体，通常电容选择30pF±10pF，而如果使用陶瓷谐振器，通常选择电容40pF±10F。

51单片机对应40只引脚双列直插封装(DIP)。40只引脚按功能分为3类：

(1)电源及时钟引脚: Vcc：电源+5V输入、Vss：GND接地;XTAL1、XTAL2外接晶振引脚。 (2)控制引脚： PSEN*外部程序存储器读选通信号、EA*编程脉冲：30脚、ALE编程电压（25V）：31脚、RESET (即RST)。

(3)I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。P3.0~P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

4.2 模块设计原理图

图6 三相进步内部原理图

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图6 74LS273原理图

图7 平推开关原理图

图7 80C51单片机引脚原理图

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第5部分 系统软件设计

5.1 程序流程图

设计说明：首先复位单片机，然后从P1.0口读出开关状态，判断是否启动，启动绿灯亮，否则红灯亮，重新确认启动。启动后读取P1.1口开关状态，平推开关来控制步进电机的正反转，如果是正转则灯不亮，反转则红灯亮。读取P1.2口开关状态，平推开关来控制步进电机的转速。如果状态信息改变了，就需要重新返回程序的开端，对电机的运行状态进行判断，让电机重新以新的状态运行。由此，开关的状态在程序运行后都会查询一遍，做到实时地反映。

开始 再次判断 =1

判断步进电机是否启动 P1.0是否为1 红灯亮 绿灯亮 判断步进电机正反转 P1.1是否为1 是 否 再次判断反转，红灯亮 快速 慢速 正转 判断步进电机转速 P1.2是否为1 慢速 快速 8

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5.2 汇编程序

1.原程序：;CS0-CS273 O0-A O1-B O2-C

;单片机模块上的P1.0接试验箱上平推开关KK8的输出K8。

;全速运行程序，电机开始转动，改变平推开关KK8的状态，电机的转动方向也随着改变。

ORG ORG

4000H ;首地址 LJMP

START ; 主程序

4100H ; 主程序存储的首地址

START: JNB P1.0,STAR ;反转

MOV A,#03H LCALL DRIVE

MOV A,#05H

LCALL DRIVE

MOV A,#06H LCALL DRIVE LJMP START

STAR: MOV A,#06H ;正转 LCALL DRIVE

MOV A,#05H LCALL DRIVE

MOV A,#03H LCALL DRIVE JMP

START

DRIVE: MOV DPTR,#0CFA0H ;数据传送

MOVX

@DPTR,A

LCALL DELAY RET

DELAY: MOV R3,#100 ;延时 MOV DLYB: DJNZ

R2,#0H

R2,DLYB DJNZ R3,DLYB

RET END

2.更改后程序：

;CS0-CS273 O0-A O1-B O2-C

;单片机模块上的P1.0接试验箱上平推开关KK1的输出K1，P1.1接K2，P1.2接LED2，p1.7接K3，平推开关k1接LED1，平推开关k2接LED2

;全速运行程序，电机开始转动，改变平推开关KK1的状态，电机的转动方向也随着改变。

ORG LJMP

4000H ;首地址 START1 ; 主程序

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ORG

4100H ;主程序存储的首地址

START1: JB P1.0,START ;判断进步电机开关，控制启停 SETB P1.2

MOV A,#00H ;进步电机不工作，红灯亮 LCALL DRIVE ;调用DRIVE

LJMP START1 ;循环START1

START: CLR P1.2 ; P1.2清零，绿灯亮 JNB P1.1,STAR ;正反转控制

MOV A,#05H LCALL DRIVE ;进步电机顺时针转

MOV A,#03H

LCALL DRIVE

MOV A,#06H LCALL DRIVE LJMP START1

STAR: MOV A,#06H LCALL DRIVE ;进步电机逆时针转

MOV A,#03H LCALL MOV A,#05H LCALL

JMP START1

DRIVE DRIVE

DRIVE: MOV DPTR,#0CFCFH ;数据传送

MOVX

@DPTR,A

LCALL DELAY RET

DELAY: ;延时程序 JNB P1.7,DLYB1 ;选择快慢速度 MOV R3,#100 ;慢速 MOV

R2,#0H

R2,DLYB DJNZ R3,DLYB RET

DLYB: DJNZ

MOV R3,#255 ;快速 MOV R2,#0H DLYB1: DJNZ

R2,DLYB1 DJNZ R3,DLYB1

RET END

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第6部分 参考文献

1. 新编单片机原理与应用 .潘永雄 编著.西安. 西安电子科技大学出版社, 2014.1 2. MCS-51系列单片机原理与应用.刘淑荣等 编著.北京.中国电力出版社，2013.5 3. 单片机原理与应用. 西安李建忠 编著..西安电子科技大学出版社, 2012.6 4. MCS-51单片机应用设计张毅刚等 编著.哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社,2014.1 5. 单片机原理及接口技术.余锡存等 编著. 西安. 西安电子科技大学出版社, 2014.8

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第7部分 课程设计总结

经过为期一周的时间，我们进行了单片机课程设计，说实话时间很紧，我们学习设计了三相步进电机系统设计，主要是以单片机为基础，用单片机来控制电机的转动，熟悉单片机的一般搭建电路，了解一般电子电路与单片机构成简单系统及简单编程的方法。进一步加深对单片机常用指令的理解与运用。在课设过程中，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题、全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及常用编程设计思路技巧的掌握方面有了很大的提高。同时在老师的悉心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，单片机领域对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助，使我们积累实际操作经验，达到学以致用的目的，真正的把理论和实践结合起来，让我们进一步体验到实践的重要性。同时在实践过程中和分组伙伴一起讨论互相帮助，同时锻炼了我们团队合作精神。同时非常感谢老师的细心指导，当我们遇到困难时，能及时给予我们帮助，让我真正进一步的了解单片机结构，只要付出就有收获。

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