《单片机原理及应用》课程实验报告 实验名称：步进电机综合控制实验
一、摘要：本实验利用 8051 单片机达到控制步进电机的启动、停止、正转、反转、点动、转过指定角度、状态显示和数据指示的目的，使步进电机控制更加 灵活。步进电机驱动芯片采用 ULN2003，ULN2003 具有大电流、高电压，外电路 简单等优点。利用 ZLG7290 模块驱动 LED 数码管显示速度设定值。通过这个单片机控制系统的设计来掌握步进电机的工作原理和驱动过程以及 LED 显示原理 和 ZLG7290 模块的使用方法，用 LED 数码管显示实验要求的状态结果，设计电路的硬件接线图和实现上述要求的程序。 关键词：51 单片机 步进电机 ZLG7290 ULN2003
二、设计内容与要求：
1、任务介绍：实现步进电机按规定的速度正转、反转，转过指定的角度，要有点动 功能。所有命令通过键盘输入，步进电机在运行过程中要有状态和数据指示。
2、每套设计文档应包括： 系统原理说明、程序框图、电路原理图和程序清单。
三、实验器件介绍及原理： 本实验采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。 在单片机环境下， ULN2003 驱动芯片驱动步进电机，用 ZLG7290 芯片作用下 用 的按键控制步进电机的运行，从而达到实验要求。其控制框图（图一）为 ： ZLG7290 ULN2003A 按键控制 驱动芯片 驱动芯片 单片机 80C51 共阴极数码管 步进电机 图一：控制框图
1、系统硬件介绍 1.1 步进电机 1.1.1 相关的技术指标： a、相数：指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电 机，本实验用的是四相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同。 b、步距角：表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。本实验程 序运行前要先测量步进电机的步距角。 c、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个步 距角所需脉冲数。本实验用四相八拍运行方式，为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 1.1.2 工作原理： 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲 信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以 固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的 目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 在非超载的情况下，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。这一线性关系的存在， 加上步进电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 电机来控制变的非常的简单。 1.1.3步进电机的驱动： 步进电机的驱动可以选用专用的电机驱动模块，比如L29
8、FT5754等，这类驱动模 块接口简单，操作方便，它们既可以驱动步进电机，同时也可以驱动直流电机。但本实验使 用ULN2003a驱动器，下面介绍该芯片。 图二：步进电机及其驱动电路 1.2 ULN2003A 芯片 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 ULN2003 时，上拉 2K 的电阻较为合适，同时，COM 引脚应该悬空或接电源。 ULN2003 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，负载接在 VCC 与 16 脚之间，不用 9 脚。 图三：ULN2003A 原理图 1.2.1 ULN2003 的作用： ULN2003 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。 ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅 NPN 达林顿管组成。 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。 ULN2003 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。 1.2.3 ULN2003A 功能及引脚图: 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，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、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 。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。 显示电路主要包括大型 LED 数码管 BSI20-1(共阳极，数字净高 12 cm)和高电压大电流 驱动器 ULN2003，大型 LED 数码管的每段是由多个 LED 发光二极管串并联而成的，因此 导通电流大、导通压降高。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，他具有 7 个独 立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达 500 mA，导通时输出电压约 1 V，截止时 输出电压可达 50 V。ULN2003 的 1～7 脚为信号输入脚，依次对应的输出端为 16～10 脚，8 脚为接地端。当驱动电源电压为+12 V 时，若要求数码管每段导通电流为 40 mA，则每段的 限流电阻为 50。 则一块 ULN2003 恰好驱动一个 LED 数码管的 7 段。大数码管采用共阳极 接法，低电平有效。锁存器输出的电平经 NPN 三极管 9014 反相后，再由 ULN2003 放大后 推动大数码管显示 图四：ULN2003A 引脚图 1.3 ZLG7290 芯片 1.3.1 ZLG7290 作用及其功能介绍 ZLG7290 能够直接驱动 8 位共阴式数码管（或 64 只独立的 LED），同时还可 以扫描管理多达 64 只按键。其中有 8 只按键还可以作为功能键使用，就像电脑键盘 上的 Ctrl、Shift、Alt 键一样。另外 ZLG7290B 内部还设置有连击计数器，能够使 某键按下后不松手而连续有效。采用 I2C 总线方式，与微控制器的接口仅需两根信 号线。可控扫描位数，可控任一数码管闪烁。 引脚说明如下图： 图五：ZLG7290 引脚图 1.3.2 ZLG7290 使用说明 ZLG7290B 是基于 I2C 总线接口的芯片。主控单片机 ADUC831 作为主器件时， 内部没有 I2C 总线功能，因此需用 SPI 总线的引脚来模拟 I2C 总线。具体连接如下： ZLG7290B ADUC831 GND DGND SDA MOSI SCL SCLOCK /INT INT0 VCC DVDD 但是，这种连接不是唯一的，只是在所写的软件里需要这样连接。其实中断可以根据 自己所选的中断而定。地（GND）和电源（VCC）也可以另外从电源上接过来。所用电 源为 5V。 编译软件使用的是 WSD，这个软件主要是用于 AD 系列芯片的。只要下载扩 展名为 HEX 的文件即可。 1.3.3 ZLG7290 工作原理 ZLG7290 的核心是一块 ZLG7290B 芯片，它采用 I2C 接口，能直接驱动 8 位共 阴式数码管，同时可扫描管理多达 64 只按键，实现人机对话的功能资源十分丰富。 除具有自动消除抖动功能外，它还具有段闪烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计 数等强大功能，并可提供 10 种数字和 21 种字母的译码显示功能，用户可以直接向显 示缓存写入显示数据，而且无需外接元件即可直接驱动数码管，还可扩展驱动电压和 电流。此外，ZLG7290B 的电路简单，使用也很方便。 用户按下某个键时，ZLG7290 的 INT 引脚会产生一个低电平的中断请求信号，读 取键值后，中断信号就会自动撤销。正常情况下，微控制器只需要判断 INT 引脚就可 以得到键盘输入的信息。微控制器可通过两种方式得到用户的键盘输入信息。其一是 中断方式，该方式的优点是抗干扰能力强，缺点是要占用微控制器的一个外部中断源。 其二是查询方式，即通过不断查询 INT 引脚来判断是否有键按下，该方式可以节省微 控制器的一根 I／O 口线，但是代价是 I2C 总线处于频繁的活动状态，消耗电流多并 且不利于抗干扰。 1.3.4 ZLG7290 驱动数码管及按键开关连接线路图 图六：ZLG7290 电源部分接线图 图七：ZLG7290 驱动数码管电路图 图八：ZLG7290 驱动按键开关电路图 在本实验运用了十个按键其中：S1 按键控制步进电机的运转方向，S2 控制步进电机的 启动，S3 控制步进电机的关断，S4 控制步进电机的单步运行键，S5 为步数加键，S6 为步 数减键，S7 为速度加键，S8 为速度减键，S9 为连续运行与指定步数运行切换键。 1.4 总电路图： 电路图中包含最小系统、驱动电路和显示电路
