基于Proteus的步进电机控制系统设计

毕业设计说明书XXX学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2016 年 5 月德州学院 系 届 专业 毕业论文基于Protues的步进电机控制系统设计摘要本文设计了一种基于 Protues 软件的步进电机控制系统，该系统由 AT89C52主控模块，LCD1602 液晶显示模块，按键控制模块，步进电机模块，步进电机驱动模块构成，由 AT89C52 单片机产生驱动脉冲信号，来控制步进电机的运动状态，按键设定可以控制步进电机的步进方向和步进速度，并在 LCD1602 液晶上实时显示步进角度，步进方向以及当前速度，该设计采用仿真软件 protues 进行电路图的绘制并进行仿真，整个系统采用模块化设计，结构简单，具有很强的可靠性以及稳定性。关键词： AT89C52；步进电机；LCD1602；Protues；按键德州学院 系 届 专业 毕业论文Based on protues stepping motor control system designAbstractThis paper designs a kind of stepping motor control system based on Protues software, the system consists of main control module, AT89C52 LCD1602 LCD display module, the key control module, stepper motor module, stepper motor driver module, drive pulse signal generated by the single chip microcomputer AT89C52, to control the movement of step motor, set keys can control the stepper motor step and direction and step speed, and real-time display on the LCD1602 LCD stepper Angle, step and direction and the current speed, the design adopts the Protues simulation software of circuit diagram drawing and carry on the simulation of the whole system USES modular design, simple structure, strong reliability and stability.Keywords: AT89C52; Stepping motor; LCD1602; Protues；keys德州学院 系 届 专业 毕业论文第 I 页 共 II 页目 录1 引言 .12 系统方案设计及论证 .12.1 设计要求 .12.2 系统总体方案 .12.3 设计方案的论证 .22.3.1 单片机模块的选择与论证 .22.3.2 电机驱动模块的选择与论证 .23 硬件电路设计 .33.1 硬件设计概述 .33.2 AT89C52 单片机最小系统设计 .33.3 步进电机驱动模块设计 .43.3.1 步进电机 .43.3.2 步进电机原理 .43.3.3 L297 介绍 .63.2.4 L298 简介 .73.3.5 步进电机驱动模块设计 .83.4 液晶显示模块设计 .93.5 控制电路设计 .103.6 总体电路图 .114 程序设计及仿真 .114.1 主程序框图 .124.2 程序下载以及软件说明 .134.3 仿真结果 .135 总结 .17附录 A 部分程序代码 .17参考文献 .24致谢 .25系 届 专业 毕业论文第 1 页 共 31 页1 引言随着经济和科学技术的发展，步进电机的应用范围越来越广泛。步进电机是一种高精度的电机执行元件，在农业、工业、智能控制领域应用的非常广泛。它的使用能提高系统的可靠性。常见的仪器如复印机、传真机、打字机、FDD、监视摄影机、照明装置、自动机械、游戏机、医疗机械等都用到了步进电机本次毕业设计中使用了电路分析与仿真软件-Protues，设计者可以根据设计需要搭建开发平台，可以将在编译器中编译好的程序加载到芯片中运行。Protues软件目前支持的编译器有 Keil、IAR 等。Protues 软件有大量的元件库，支持大型设计，在仿真中可以观察各元件的状态。将需要的程序在 Protues 软件中仿真，调试好功能，再导入到相应的硬件电路中，这样可以缩短开发产品周期，降低研发成本。2 系统方案设计及论证2.1 设计要求本次设计，通过编程控制单片机，实现对四相步进电机转动的控制，控制电机实现正转、反转、加速与减速运行。整个控制系统的工作过程是：通电之后，电机按照程序设计的转速和转动方向转动。当按下正（反）转按键时，通电后电机实现正（反）转；按下加速按键电机加速转动；按下减速按键电机减速转动2.2 系统总体方案图 2.1 总体设计方案系 届 专业 毕业论文第 2 页 共 31 页本次设计了使用 AT89C52 单片机作为控制核心的四相步进电机的开环控制系统。系统总体设计方案如图 2.1 所示，整个步进电机控制系统以单片机为控制核心，单片机产生的脉冲信号通过功率放大器放大之后驱动步进电机转动。通过控制键盘控制部分的四个按键，可以控制步进电机正转、反转、加速、减速。为了提高控制的准确性，本次设计使用了两个外部中断， 本设计通过单片机与硬件相结合实现了单片机对步进电机的精确控制和旋转方向的控制。从步进电机控制系统的设计要求可知，需要控制步进电机的转动速度和方向。对于加减速的变化控制，通常采用按键来控制速度，所以只要 2 个电源线，再加上一个方向线框，一根启动线可以了，所以键盘控制部分设置需要四个按键。四个键分别控制电机的正转、反转以及电机的加速和减速运行。2.3 设计方案的论证2.3.1 单片机模块的选择与论证从学校实验室现有的设备和单片机的性价比考虑，本次设计可以选择的单片机有 AT89S52 单片机和 AT89C52 单片机。AT89C52 是一种低功耗，高性能 CMOS 8 位 8K 的闪存可编程和可擦除只读存储器（PEROM）字节的微型计算机。单片机本身带有 8K 字节闪存，256Kb 的RAM，32 个 I / O 接线端，两个 16 位的定时器/计数器，二个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，片上振荡器和时钟电路。掉电模式保存 RAM 的内容，但冻结振荡器关闭，直到下一个硬件复位芯片其它功能。通过比较 AT89S52 单片机和 AT89C52 单片机两种单片机的性能和价格，AT89C52 单片机 CPU 集成在单片机的 8 位闪存芯片上，这样提供了一个高度灵活的嵌入式应用系统。所以本次电路设计中选用 AT89C52 型号的单片机。2.3.2 电机驱动模块的选择与论证方案一：集成驱动芯片。L298N 是高电压和高电流全桥驱动。具有高频率、低静态电流、输出电流大、电路简单、散热效果好等特点，不容易烧坏，而且还带有控制使能端。L298N 芯片抗干扰能力强，具有信号指示和续流保护功能。光电隔离技术的应用，使 L298N 芯片可以控制 2 台直流电机或步进电机，速度控制，可以很容易系 届 专业 毕业论文第 3 页 共 31 页实现正反转。该芯片是用于电动马达驱动，操作方便，稳定性好，性能好。方案二：分立元件组成驱动电路。使用三极管元件搭建电路，电路比较复杂，并且静态电流较大，参数需要调试。搭建的电路功率小，散热性能也不好，同时饱和导通压降小。但是由分立元件构成电路价格低廉，所以在实际中应用比较广泛。但是这种电路存在工作性能不够稳定的缺点。基于以上的分析和比较，我们发现，方案 2 采用分立元件构成驱动 H 桥电路相应的功率管驱动电路和匹配，虽然功率较大，但电路复杂，不符合应用程序的要求。故本系统采用方案一的芯片。3 硬件电路设计3.1 硬件设计概述本次设计的硬件电路主要包括单片机最小系统、步进电机驱动电路、显示电路及控制电路四大部分。单片机最小系统主要是为了让单片机正常工作。步进电机驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。显示电路可以显示转速和电机的工作状态。控制电路主要由开关和按钮组成，由设计人员根据相应的工作操作。3.2 AT89C52 单片机最小系统设计图 3.1 单片机最小系统系 届 专业 毕业论文第 4 页 共 31 页最小系统是一个可以用最少的组件来工作的系统。本次设计中单片机最小系统主要由单片机、晶振电路、复位电路三部分组成。晶振频率为 12MHz。图 3.1为本次设计中单片机最小系统。3.3 步进电机驱动模块设计3.3.1 步进电机（1）步进电机 步进电机可以将电脉冲信号转换为线位移或角位移。给步进电机一个脉冲信号，它就可以转动一个角度，这种工作方式比较适合用单片机进行控制。由于步进电机工作原理的特殊性，它必须通过调节脉冲信号的频率和个数来控制。由于步进电机的转动角度和转速取决于脉冲信号的频率和个数，它每接收到一个脉冲信号，就转动一个角度。所以步进电机的精度很高，在系统开环情况下就能实现高精度的控制，在工业控制领域获得了广泛的应用。由于步进电机的旋转角度是由脉冲输入的数量决定的，所以步进电机也叫数字角转换器。目前，步进电机的控制主要是由环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等组成。本次毕业设计中采用了低功耗、性价比高的单片机进行电机转动控制，并且使用了软件进行环形脉冲分配。步进电机有多种工作方式。在每个工作模式中，脉冲频率越高，速度越快，但在一定程度上，步进电机不能跟上电机的频率会出现失步现象，因此，脉冲频率必须控制在步进电机允许的范围内。3.3.2 步进电机原理步进电机在接收到脉冲信号后才能工作，所以不可以直接与交流或者直流电源连接，需要使用驱动器才可以工作。通过程序设计和控制，单片机可以产生环形分配器需要的脉冲序列。脉冲序列是按一定规律分布的，由功率放大器放大的脉冲序列，然后被加载到输入端的步进电机驱动步进电机工作。环形分配器分两大类：第一类，软环形分配器，并通过计算机软件的脉冲序列分配。第二类，硬环形分配器，用硬件构成环形分配器，分配脉冲序列。步进电机在结构上分为三相三步和三三相双拍和三相六拍。（1）步进电机的速度控制 .系 届 专业 毕业论文第 5 页 共 31 页如果步进电机送一个控制脉冲，它将是一个步骤，然后发送一个脉冲，这将是一个进一步的步骤。调整步进电机的脉冲频率，可以实现对步进电机进行速度的控制。（2）步进电机的起停控制 步进电机由于其结构和工作原理的特殊性，运行时会有步进感。为了提高步进电机转动时的平滑性，减小机械振动，可以通过在脉冲信号的上升沿和下降沿采用细分的梯形波来改善这一状况。这样可以减小步进电机的步进角，使得步进电机运行更平稳。（3）步进电机的加减速控制 在使用脉冲信号驱动步进电机进行工作时，如果脉冲信号变化太快，步进电机的机械结构会由于惯性跟不上脉冲信号的变化，这时候会产生失步和赌转的现象。步进电机起动过程中，输入波形有一个加速过程，在结束时同样存在一个减速波形。步进电机加速加速曲线最理想的指数曲线，整个加速过程和加速过程中频率变化的规律是一个互逆的过程。为了充分利用步进电机的转矩，选定脉冲信号的加减速曲线需要符合步进电机升降过程的运行规律，这样可以缩短升降速时间，防止失步现象。（4）步进电机换向的控制 步进电机的换向动作必须在电机降速停止或降到突跳频率范围之内进行，这样可以避免产生冲击而损坏电机。脉冲信号需要有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度、高低电平方式。步进电机工作时正反向的切换是是由降速换向加速3 个过程组成的。步进电机有如下特点： 步进电机精度很高，适合于开环控制系统。 步进电机动态响应快，脉冲信号便于控制，使得步进电机容易启动、停止、正反转和变速。 步进电机的速度可以在一个比较宽的范围内进行平滑调整，低速运行仍然可以得到大量的转矩，所以步进电机可以直接驱动负载。步进电机带惯性负载的能力比较强。系 届 专业 毕业论文第 6 页 共 31 页3.3.3 L297 介绍 L297 是一款可专门用于步进电机控制的控制芯片，这款芯片可以产生 4 相的控制信号，芯片本身需要 5v 电压供电才可以正常工作。通过单片机编程可以来控制步进电机的转速。L297 芯片采用双列直插式 20 引脚封装。引脚图见下图 3