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单片机课程设计(论文)-开关控制步进电机正反转


绪论
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构, 它的用途是将电脉 冲转化为角位移,通俗地说: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(及步进角) 。在 数控机床、医疗器械、仪器仪表、机器人以及其他自动设备中得到了 广泛应用,我们使用的计算机外围的一些设备,如软驱、打印机、扫 描仪等其运动部件的控制都采用了步进电机。 常见的步进电机

分三种:永磁式(PM) ,反应式(VR)和混合式 (HB) 永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为 7.5 , 度 或 15 度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一 般为 1.5 度,但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被 淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相 和五相:两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 这种步进电机的应用最为广泛。 0.72 度。

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目录
1 2 设计目的 ...................................................................................... 3 硬件电路设计及描述 .................................................................. 4 2.1 确定元器件的型号及参数 ................................................... 4 2.1.1 AT89C51 单片机 ......................................................... 4 2.1.2 ULN2003 芯片 ............................................................ 6 2.2 步进电机 ............................................................................ 7 永磁式步进电机 ....................................................... 7 步进电机原理以及原理图..................................... 10 功能说明 ................................................................. 11

2.2.1 2.2.2 2.2.3

2.2.4 步进电机的静态指标术语........................................ 11 2.2.5 步进电机动态指标及术语:................................... 12 3 程序设计 .................................................................................... 13 3.1 3.2 3.3 编程................................................................................... 13 流程图 ............................................................................ 14 程序清单 .......................................................................... 15 代码详解 ................................................................. 17 程序分析 ................................................................. 17

3.3.1 3.3.2 4 5

参考文献 .................................................................................. 18 结束语 ...................................................................................... 19

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1

设计目的

步进电机若加入适当的脉冲信号时,转子则会以一定的步数转动。如果加入 连续的脉冲信号,步进电机就会连续转动,转动的角度与脉冲频率成正比,正、 反转可由脉冲的顺序来控制。 本程序通过 K1、K2 和 K3 三个按钮开关控制步进电机转动和改变转向,电动 机使用 1-2 相激磁,编程时采用制表的方法。正转和反转的脉冲信号频率是相通 的,但由于使用激磁方式不一样,反转使用了 1-2 相激磁法,故反转速度为正转 的一半。

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2

硬件电路设计及描述

2.1 确定元器件的型号及参数
2.1.1 AT89C51 单片机
AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能 CMOS8 位微处理器,俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除 只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的 MCS-51 指令集和输出 管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器,AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片 机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。

图一 AT89C51 单片机
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1 主要特性: ·与 MCS-51 兼容 ·4K 字节可编程闪烁存储器 寿命:1000 写/擦循环 数据保留时间:10 年 ·全静态工作:0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 ·128*8 位内部 RAM ·32 可编程 I/O 线 ·两个 16 位定时器/计数器 ·5 个中断源 ·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路 2. 管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0 口:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时,被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储 器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时,P0 口作为原码输入 口,当 FIASH 进行校验时,P0 输出原码,此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口:P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后,被内部上拉为高,可用作输入,P1 口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时,P1 口作为第八位地址接收。 P2 口:P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 口缓冲器可接收, 输出 4 个 TTL 门电流,当 P2 口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作 为输入。并因此作为输入时,P2 口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于 内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行 存取时,P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势, 当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口: 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口, P3 可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输 入,由于外部下拉为低电平,P3 口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口,如下表所示: 口管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断 0) P3.3 /INT1(外部中断 1) P3.4 T0(记时器 0 外部输入)
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P3.5 T1(记时器 1 外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 FLASH 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外 部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时, 将跳过一个 ALE 脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时, ALE 只有在执行 MOVX,MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果 微处理器在外部执行状态 ALE 禁止,置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个 机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN 信 号将不出现。 /EA/VPP:当/EA 保持低电平时,则在此期间外部程序存储器 (0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时,/EA 将内 部锁定为 RESET;当/EA 端保持高电平时,此间内部程序存储器。在 FLASH 编程 期间,此引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 2.1.2 ULN2003 芯片

单片机的输出电流太小,不能直接连接步进电机,需要加驱动电路。对于电 流小于 0.5A 的步进电机,可以采用 ULN2003 类的驱动 IC. 如图二所示为 2001/2002/2003/2004 系列驱动器引脚图, 图左边 1-7 引脚为 输入端, 接单片机输入端, 引脚 8 接地; 右侧 10-16 引脚为输入端, 接步进电机, 引脚 9 接电源+5V,该驱动器可提供最高 0.5A 的电流

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图二 ULN2003
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.,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。 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。 该电 路的特点如下: 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。 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:

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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 下表列出了该电机的一些典型参数:

型号

步距 角

相数

电压

电流

电阻

最大 静转 矩

定位 转矩

转动 惯量

35BY48S03 7.5

4

12

0.26

47

180

65

2.5

有了这些参数,不难设计出控制电路,因其工作电压为 12V,最大电流为 0.26A,因此用一块开路输出达林顿驱动器(ULN2003)来作为驱动,通过 P1.4-P1.7 来控制各线圈的接通与切断,电路如图 3 所示。开机时,P1.4-P1.7 均为高电平,依次将 P1.4-P1.7 切换为低电平即可驱动步进电机运行,注意在切 换之前将前一个输出引脚变为高电平。 如果要改变电机的转动速度只要改变两次 接通之间的时间,而要改变电机的转动方向,只要改变各线圈接通的顺序。

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2.2

步进电机

2.2.1 永磁式步进电机
下面以电子爱好者业余制作中常用的永磁式步进电机为例, 来介绍如何用单 片机控制步进电机。 图三是该电机的接线图,从图中可以看出,电机共有四组线圈,四组线圈 的一个端点连在一起引出,这样一共有 5 根引出线。要使用步进电机转动,只要 轮流给各引出端通电即可。将 COM 端标识为 C,只要 AC、 C、BC、 C,轮流加电 就能驱动步进电机运转,加电的方式可以有多种,如果将 COM 端接正电源,那么 只要用开关元件(如三极管) ,将 A、 、B、 轮流接地。

图三 35BY48S03 型步进电机的接线图

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2.2.2 步进电机原理以及原理图
电路设计如图四所示。 K2 和 K3 按钮开关分别接在单片机的 P3.2~P3.4 K1、 引脚上,作为控制信号的输入端,输入端直接采用 ULN2003 驱动电路控制步进电 机的转向。

图四

开关控制步进电机的电路原理图
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2.2.3 功能说明
单片机的 P3.2~P3.4 引脚分别接有按钮开关 K1、K2 和 K3,用来控制步进 电机的转向。 开始供电时,步进电机停止。 按 K1 时,电动机正转;按 K2 时,电动机反转。 按 K3 时,电动机停止转动。

2.2.4 步进电机的静态指标术语
相数:产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。 拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 n 表示,或指电机 转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即 AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角:对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用 θ 表示。θ=360 度 (转子齿数 J*运行拍数),以常规二、四相,转子齿为 50 齿电机为例。四拍运 行时步距角为 θ=360 度/(50*4)=1.8 度(俗称整步),八拍运行时步距角为 θ=360 度/(50*8)=0.9 度(俗称半步)。 定位转矩:电机在不通电状态下,电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的 谐波以及机械误差造成的) 静转矩:电机在额定静态电作用下,电机不作旋转运动时,电机转轴的锁定 力矩。此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准,与驱动电压及驱动电源等无 关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比,与定齿转子间的气隙有关,但过份采 用减小气隙,增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的,这样会造成电机的发热及 机械噪音。

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2.2.5 步进电机动态指标及术语:
1、步距角精度: 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示:误差 /步距角*100%。不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在 5%之内,八拍运行时 应在 15%以内。 2、失步: 电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。称之为失步。 3、失调角: 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角,由失调角产生 的误差,采用细分驱动是不能解决的。 4、最大空载起动频率: 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不加负载的情况下,能够直接 起动的最大频率。 5、最大空载的运行频率: 电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机不带负载的最高转速频率。 6、运行矩频特性: 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩 频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机选择的根本依据。如下图 五所示:

图五

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。 电机一旦选定,电机的静力矩确定,而动态力矩却不然,电机的动态力矩取 决于电机运行时的平均电流(而非静态电流),平均电流越大,电机输出力矩越 大,即电机的频率特性越硬。

12

如下图六所示:

图六
其中,曲线 3 电流最大、或电压最高;曲线 1 电流最小、或电压最低,曲线 与负载的交点为负载的最大速度点。 要使平均电流大,尽可能提高驱动电压,使采用小电感大电流的电机。

3
3.1 编程

程序设计

13

编程采用制表的方法,步进电机正转采用二相激磁方式,时序如表所示 2 相激磁方式正转时序 步进 0FCH 0F9H 0F3H 0F6H 1 2 3 4 P0.3 1 1 0 0 P0.2 1 0 0 1 P0.1 0 0 1 1 P0.0 0 1 1 0

步进电机反转采用 1-2 相激磁方式,时序如表

1-2 相激磁反转时序 步进 0F7H 0F3H 0FBH 0F9H 0FDH 0FCH 0FEH 0F6H 1 2 3 4 5 6 7 8 P0.3 0 0 1 1 1 1 1 0 P0.2 1 0 0 0 1 1 1 1 P0.1 1 1 1 0 0 0 1 1 P0.0 1 1 1 1 1 0 0 0

3.2

流程图

程序设计流程如图所示

14

开始

按键扫描

按 K1 正转

按 K2 反转

按 K3 停止

读取表格

输出

结束

3.3

程序清单

15

01 K1 EQU P3.2 02 K2 EQU P3.3 03 K3 EQU P3.4 04 05 STOP: MOV P0,#OFFH 06 LOOP: JNB K1,Z_M2 07 JNB K2,F_M2 08 JNB K3,STOP1 09 JMP LOOP 10 11 STOP1: ACALL DELAY 12 JNB K3,$ 13 ACALL DELAY 14 JMP STOP 15 16 Z_M2: ACALL DELAY 17 JNB K1,$ 18 ACALL DELAY 19 JMP Z_M 20 21 F_M2: ACALL DELAY 22 JNB K2,$ 23 ACALL DELAY 24 JMP F_M 25 ;正转子程序 26 Z_M: MOV R0,#00H 27 Z_M1: MOV A,R0 28 MOV DPTR,#TABLE 29 MOVC A,@A+DPTR 30 JZ Z_M 31 MOV P0,A 32 JNB K3,STOP1 33 JNB K2,F_M2 34 ACALL DELAY 35 INC R0 36 JMP Z_M1 37 RET 38 ;反转子程序 39 F_M: MOV R0,#05 40 F_M1: MOV A,R0 41 MOV DPTR,#TABLE 42 MOVC A,@A+DPTR 43 JZ F_M 44 MOV P0,A
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;设定 P3.2 以 K1 表示 ;设定 P3.3 以 K2 表示 ;设定 P3.4 以 K3 表示 ;步进电机停止 ;是否按 K1,是则正传 ;是否按 K2,是则反转 ;是否按 K3,时则停止 ;跳转至 LOOP 处 ;按 K3 的消除抖动 ;K3 放开否 ;放开消除抖动 ;电机停止 ;按 K1 的消除抖动 ;K1 放开否 ;放开消除抖动 ;转至 Z_M 处 ;按 K2 的消除抖动 ;K2 放开否 ;放开消除抖动 ;转至 F_M 处,循环 ;正转到 TABLE 取码指针初值 ;到 TABLE 取码 ;存表 ;取表代码 ;是否取到结束码? ;输出至 P0,正转 ;是否按 K3,是则停止运转 ;是否按 K2,是则反转 ;步进电机转速 ;取下一个码 ;转至 Z_M 处,循环

;反转到 TABLE 取码指针初值 ;到 TABLE 取码 ;存表 ;取表代码 ;是否取到结束码? ;输出至 P0,反转

45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

JNB JNB ACALL INC JMP RET DELAY: D1: MOV MOV DJNZ DJNZ RET ;控制码表 TABLE DB DB DB DB DB END

K3,STOP1 K1,Z_M2 DELAY R0 F_M1

;是否按 K3,是则停止运转 ;是否按 K1,是则正转 ;步进电机转速 ;取下一个码 ;转至 F_M1 处,循环

R6,#40 R7,#248 R7,$ R6,D1

;延时时间 20ms

0FCH, 00H 0F7H, 0FDH, 00H

OF9H, 0F3H, 0FCH,

0F3H, 0FBH, 0FEH,

0F6H 0F9H 0F6H

;正转 ;反转结束码 ;反转 ;反转结束码 ;程序结束

3.3.1 代码详解
主要标号说明 LOOP: 按键扫描 STOP1: K3 键消除抖动 Z_M2: K1 键消除抖动 F_M2: K2 键消除抖动 Z_M: 反转子程序 F_M: 正转子程序 DELAY: 延时子程序 TABLE: 控制码表

3.3.2 程序分析
01~03: 将 P3.2、P3.3、P3.4 引脚分别用 K1、K2、K3 表示。 05: 使步进电机停止转动。
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06~09: 对按键扫描。当按键开关未按下时,相应引脚为高电平;当开关按下 时,相应引脚为低电平。所以通过循环检测按键开关所连接的引脚电平的高低, 就可以判断出开关状态。 11: 按 K3 时,调延时子程序,延时一小段时间来消除按键时的抖动。 12: 按键未开放时,程序将在此等待,只有按键开放后,程序才会向下运行。 13:按键放开时,调延时子程序,延时一小段时间来消除按键放开时的抖动。 14: 当确定 K3 按键被按下又被放开后,才认定是一次有效按键,程序将跳转到 STOP 处,执行停机语句,使电机停止转动。 16~19: 与上述 11-14 行语句原理相同,是对 K1 键按下和放开时消除抖动的处 理,并跳转到 Z_M 处,执行正传子程序。 21~24: 对按 K2 键时消除抖动的处理,并跳转到 Z_M 处,执行反转子程序。 26: 正转子程序开始,将 R0 赋值为 0,使取表指针指向表 TABLE 的第一个码位 置。 27: 将 R0 值送入累加器 A。 28: 将编制的电机控制码表 TABLE 存入特殊寄存器 DPTR。 29: 从特殊寄存器 DPTR 中取出第一个控制码。 30: 检查是否取到结束码,结束码为 00H。如果取到结束码 00H,JZ 指令会使 程序跳转到标号 Z_M 处,从第一个码开始读取;如果取到的不是结束码 00H,程 序向下运行。 31: 将取到的数据由 P0 端输出。 32: 检查是否按 K3,是则停止运转。 33: 检查是否按 K2,是则反转。 34: 调用延时子程序。此处调用延时子程序与前边调用的不同,前边调用延时 子程序是为了消除按键的抖动。 此处调用延时子程序是电机运转两步之间的间隔时间,决定电机的转速, 延时时间长,送入电机的脉冲信号频率低,电机转速慢;延时时间短,送入电机 的脉冲信号频率高, 电机转速快。 所以在此处改变延时时间就可以改变电机转速。 35: 使 R0 的值为 1,取下一个码。 36:跳转到 Z_M 处,开始新的循环。 37:正转子程序返回。 39~50:反转子程序。其中,第 39 行语句将 R0 赋值为 5,是为了取码时从反转 控制码中第一个码开始读取。 52~56:延时子程序,延时的时间为 20ms。 58~63:步进电机激磁信号编码表。其中第 59 行为电机正转两相激磁码;第 60 行为正转结束码;第 61、62 行为反转 1-2 激磁码;第 63 行为反转结束码。 65:程序结束。

4
《单片机应用技术》

参考文献
倪志莲

北京理工大学出版社
18

《单片机实训教程》 《单片机原理与应用设计》

北京大学出版社 电子工业出版社

张营辉、贡雪梅 张毅刚、彭喜元 江世明 王守中、聂元铭

《基于 Proteus 的单片机应用技术》 《51 单片机开发入门与典型实例》

电子工业出版社 人民邮电出版社

5

实训感悟

在做本次课程设计的过程中,我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为 了让自己的设计更加完善,查阅这方面的设计资料是十分必要的,同时也是必不
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可少的。我们是在做单片机课程设计,但我们不是艺术家,他们可以抛开实际尽 情在幻想的世界里翱翔,而我们一切都要有据可依,有理可寻,不切实际的构想 永远只能是构想,永远无法升级为设计。要做好一个课程设计,就必须做到:在 设计程序之前,对所用单片机的内部结构有一个系统的了解,知道该单片机内有 哪些资源;要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图;在设计程序时,不 能妄想一次就将整个程序设计好,反复修改、不断改进是程序设计的必经之路; 要养成注释程序的好习惯,一个程序的完美与否不仅仅是实现功能,而应该让人 一看就能明白你的思路,这样也为资料的保存和交流提供了方便;在设计课程过 程中遇到问题是很正常德, 但我们应该将每次遇到的问题记录下来, 并分析清楚, 以免下次再碰到同样的问题。 通过这次课程设计,我对单片机有了更深一步的了解,掌握了很多以前没 太听懂的地方。这次的单片机课程设计重点是理论与实际的相结合,不单单只是 书上的一条条分离的指令。 通过这次设计让我更系统的了解了个个指令以及单片 机的扩展内容,为以后学习有了进一步的准备。

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