根据Proteus的步进电机的设计仿真

1、目录 目录 . 1 摘要 . 2 第一章Proteus绘制仿真原理图 . 3 1.1 Proteus 简介 . 3 1.2 Proteus ISIS 简介 . 3 第二章硬件电路设计 . 4 2.1步进电机 . 5 2.1.1 步进电机简介 . 5 2.1.2步进电机的特点 . 5 2.2 STC8951 单片机 . 6 2.2.1 总述 . 6 2.2.2 性能 . 6 2.2.3结构概览 . 7 2.2.4芯片的引脚排列和说明 . 8 2.3 ULN2003A 介绍 . 10 2.4 复位电路和时钟电路 . 11 2.5整个电路的原理 . 12 第三章软件系统设计 . 13 3.1电路流程

2、图 . 13 第四章电路仿真 . 13 4.1 Proteus 原理图绘制过程 . 13 4.2 仿真设置 . 16 第五章 硬件电路的制作与调试 . 19 5.1焊接准备与注意事项 . 19 5.2单片机程序写入 . 20 5.3硬件安装 . 21 5.4硬件调试 . 22 总结 . 23 参考文献. 24 附录（程序） . 25摘要 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中， 因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为 是理想的数控机床的执行元件。本设计利用 proteus仿真软件进行电路仿真，系统通过 设置四个按键分别控制

3、不进电机的起止、圈数、方向、不进速度，使用 1602液晶显示 以上参数。整个系统具有稳定性好，实用性强，操作界面友好等优点。本文应用单片机、 步进电机驱动芯片、字符型 LCD和键盘阵列，构建了集 步进电机控制器和驱动器为一 体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在 X/Y轴 方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调 速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系 统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。 第一章 Proteus 绘制仿真原理图 1.1 Proteus 简介 Prot

4、eus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Window操作 系统上， 可以仿真、分析(SPICE各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是： 实现了单片机仿真 和SPIC电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其夕卜围电路组成的系统的仿 真、RS23动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如 示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有:68000 系列、8051系列、AVRg列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC1系列以及各种 外围

5、芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可 以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持 第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之， 该软件是一款集单片机和SPIC分析于一身的仿真软件，功能极其强大。 1.2 Proteus ISIS 简介 (1) Proteus ISIS 的编辑环境 1)双击桌面上的ISIS 6 Professi onal 图标或者单击屏幕左下方的“开始 “程序” “ Proteus 6 Professional ” “ ISI S

6、 6 Professional ”，出现如图 1-1 所示屏幕，表明进入Proteus ISIS 集成环境。 图1-1启动时的屏幕 Proteus ISIS的工作界面是一种标准的 Wind主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、 状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象 OBUTITLID -1313 FwftMiLMiol 选择器窗口、图形编辑窗口。 ows界面，如图1-2所示。包括： Eik Qdil Ltr-arj.1 Cw-Gtl G ejJ 丨KIM型煌昌站|也 巾 z 將毛超諾出LJLJI蛍#黠 .1 0 2 四 标苗T县臂 c 厂芳* l 卜 I 1

7、iLi I .1 |Ro#i 、y KDO IK J1 预塚按方位时帳和 1 恳栏 图1-2工作界面 (2) Proteus ISIS 的特点 Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和 IC ,并支 持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。该软件的特点： 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。 具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、 RS 一 232 动态 仿真、1 C 调试器、SPI调试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能；有各种虚拟仪器

8、，如示波器、逻辑 分析仪、信号发生器等。 目前支持的单片机类型有： 68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、 PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯片。 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软 件，功能极其强大 ，可仿真 51、AVR、PIC。 第二章硬件电路设计 对象造涔窗可 OBUTITLID -1313 FwftMiLMiol 电路总体结构 整个设计以STC89C5仲片机为中心，由复位电路，时钟电路，电机驱动，步进电 机等组成，硬件模块如图2-1所示; 图2-1硬件模块图 2

9、.1 步进电机 2.1.1步进电机简介 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件， 它实际上是 一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小， 其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。 使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在 经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各 相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角） 。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲 时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格

10、的对应关系，不受电压波动和负载变化的 影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 2.1.2步进电机的特点 1. 一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 2 步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失 步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来 讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130度以上，有的甚至高达摄氏 200度以上，所 以步进电机外表温度在摄氏 80-90度完全正常。 3 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率

11、越高 反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小， 从而导致力矩下降。 4 步进电机低速时可以正常运转 ，但若高于一定速度就无法启动 ，并伴有啸叫声。 2.2 STC8951 单片机 2.2.1总述 在此嵌入式系统的设计中，主要用单片机进行控制现场，故采用目前最普遍、较便 宜的 ATMEL STC89C51RC片机。 该系列单片机是采用高性能的静态 80C51设计。由先进CMO工艺制造并带有非易失性 Flash程序存储器。全部支持12时钟和6时钟操作。其8051的内部功能模块如图2-2 所示。 P0 P1 P2 P3 串行通信 中断输入 图2-2 8051的内部功能模

12、块图 STC89C51R包含512字节RAM、32条I/O 口线、3个16位定时/计数器、8输入4 优先级嵌套中断结构、1个串行I/O 口（可用于多机通信、I/O扩展或全双工UART以 及片内振荡器和时钟电路。 此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频率可降至 0）。可实现 两个由软件选择的节电模式、空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结 CPU但RAM定时 器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存 RAM勺内容，但是冻结振荡器，导致所有 其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行 可从时钟停止处恢复。 2.2.2性能 1增强型6时钟/机器周期，1

13、2时钟/机器周期8051 CPU 2. 工作电压：5. 5V -3.4V （5V单片机） 3. 工作频率范围：0 -40 MHz相当于普通8051的0 80MHZ实际工作频率可达 48MHz 4. 用户应用程序空间4K 5. 片上集成512字节RAM 6. 通用I/O 口（ 32个），复位后为：P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉（普通 8051传统 I/O 口），P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时， 需加上拉电阻。 7. ISP （在系统可编程）/IAP （在应用可编程），无需专用编程器/仿真器,可通过串口 （P3. O/P3.1 ）直接下载用户程序，

14、8K程序3秒即可完成一片 8. EEPRO功能 9. 看门狗 10. 内部集成MAX81C专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复 位电路 11. 共3个16位定时器/计数器，其中定时器 0还可以当成2个8位定时器使用 12. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电 平触发中断方式唤醒 13. 遁用异步串行口（ UART，还可用定时器软件实现多个 UART 14. 工作温度范围： 0 - 75C/ -40 - +85C 15. 封装：LQFP-44, PDIP-40，PLCC-44, PQFP-44 2.2.3结构概览 STC89

15、C51RC勺结构如下图2-3所示。 图2-4 STC89C51RC引I脚原理图图2-3 STC89C51R（系统结构 224芯片的引脚排列和说明 STC89C51R共有40个引脚，封装形式为PDIP 40,它的排列如图2-4所示 IX IX IX IX IX IX IX IX pppppppp pppppppp R . TP 0 12 3 4 5 6 7 一一于壬一 一一1 2 4 2 3 3 3 4 3 5 8031 3 6 8051 3 7 3 78 8751 3 9 3 SX32 3 TlX51 3 W52 2 c 0.0 TXkL TXkL VSS 16R 2 1WD 2 18 2 1

16、9 2 2 0 2 pp p p p p p k/N LE/P SEN 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 ROG 图 2-5 STC89C51R（实物图 在40个引脚功能说明如表2-1所示 表2-1 STC89C51RC管脚功能说明 VCC（4（脚） +5V电源输入 VSS（2（脚） 接地 P0口 （39 32脚） P0口是一个8位漏极开路双向I/O端口。作I/O端口使 用时，需加上拉电阻。作为一个输出端口，每个引脚作 为8个TTL输入。 P0 口也可以配置为复用地址/数据总线，访问外部程 序和数据存储器。 P1 口 （1 8脚） P1 口是一个8位双向I/O端口

17、的内部上拉端口，此外， P1.0和P1.1可配置为定时器/计数器2的外部计数输入 （P1.0/T2 ）和定时器/计数器2触发输入 （P1.1/T2EX ） P1.0 T2（外部计数投入定时器/计数器2）,时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器2捕捉/重载触发和方向控制） P2 口 （21 28 脚） P2口是一个8位双向I/O端口的内部上拉端口 P2 口也可以配置为复用地址总线，访问外部程序和数据 存储器,输出地址的高8位 P3口 （10 17脚） P3口是具有双重功能的8位接口 P3.0 RXD（串行输入端口） P3.1 TXD（串行输出端口） P3.2 INT0（外部中断0,低电平有

18、效） P3.3 INT1（外部中断1,低电平有效） P3.4 T0（定时器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通,低电平有效） RST（9脚） 复位/备用电源引线。当该端加上超过24个时钟的高电平 时，可使单片机复位；若在改引线上接+5V备用电源，贝U 当VC（掉电时，该备用电源可保护片内RAh中的信息。 XTAL1（19脚） XTAL2（18脚） 外部晶体连线，片外石英晶体连与此二端与片内电路构 成振荡器。 EA（31 脚） 允许访问片外ROM编程高电压引线。当EA=1时，访问片 内ROM若EA=0访问片外ROM ALE（30脚） 地址锁存。当

19、P0口工作在第二功能时，从该口可以送出 A0A7和传送D0D7,利用ALE可以将A0A7锁存在地址 锁存器。 PSEN（2脚） 片外ROM!通信号，常用作片外ROI的读控制信号， 低电 平有效。 2.3 ULN2003A 介绍 ULN2003 高耐压、大电流达林顿管 IC ULN2003概述与特点 图2-5 ULN2003A实物图 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来处理的数据。 UL

20、N2003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采用DIP 16或SOF 16塑料封装。 图2-7封装外形图 ULN2003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

21、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 VCE 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

22、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!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。 2.4 复位电路和时钟电路 图2-8复位电路 2.5 整个电路的原理 步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。因为步进电机的运动不产 生旋转量的误差累积。 由单片机实现的步进电机控制系统如图所示 图2-10系统

23、原理图4SV ；EA ej _ 11 _ ，RESET K SCSI R1 丄 S?!L 图2-9时钟电路 B； J心 PO J ADI PttJ-ADl P? 1 4 PDt WT P3 *血 M * B 2 AIS i A1+ 7 A-lT W * ID BEj_ri PJf匹 RD * * * 5 -4 - -Mrs 士 T=FHT 畑汕； lluEZ 灯AU 111 ms- KO A5 Pll A9 1 A All 第三章 软件系统设计 软件部分采用模块化结构设计。对步进电机转速的控制是通过定时器工作在中断方 式实现的。定时器定时中断产生周期性脉冲序列，不是采用软件延时的方式，这样不占

24、 用CPU的时间。CPU在非中断时间内可以处理其他事件，只有在中断发生时才驱动步进 电机转动一步。根据步进电机励磁状态转换，采用查表法求出所需的输出状态，并以二 进制码的形式依次存入单片机内部的存储器中； 然后按照正向或反向顺序依次取出地址 的状态字，送给STC12C4052AD输出各励磁状态，从而实现环形分配器的功能。 3.1 电路流程图 图3-1电路流程图 第四章电路仿真 4.1 Proteus 原理图绘制过程 1 进入工作界面，打开ProteusISIS编辑环境，按表1-1所列的元件清单添加元件 元件名称 所属类 所属子类 STC89C51 Microproccessor ICs 805

25、1 Family CAP Capacitors Gen eric XAP-POL Capacitors Gen eric CRYSTAL Miscella neous - RES Resistors Gen eric BUTTON Switches&Relays Switches MOTOR-STEPPER Electromecha nical - ULN2003A An alog ICs Miscella neous 表4-1 2 .在如图4-2所示的元件库中添加表4-1中的元件 St p4 ul De 图4-2元件库r PI Lndk R=a RAAPI. Desies Jbrav

26、 j*3SirtBn Ox4C：crq cHC34000seits： Cs惟駡师 Det Caiiscrt?- r) )rh.rininrT rfl* DE Lin ui5ni=$ FlftsTTitfik-al 汕 iirMD L 二丄 u; =iii.i/?5 卜 e I-E H：; IM1 o r e y 匸： 卜iuupv器疔IC： kixelargju? 忖 MPIM -rntw Hr Arm Anril=s Ocice?ctm PIXlL m“nT丸 -5 3 SI fcj 3 _ I I, 7li- 71-05 7H.OO 71-12 71.15 71J4 7M5 TO TWO

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31、IS的编辑区域中画出如图4-4所示的原理图 * I卜 F .V沁. 图5-1 RF-X1开发板 i 9 9 电容 20pF 2 按照元件清单取得所有电路中用到的硬件，并将事先写好程序的单片机 AT89C51以 及A/D转换ADC0809及其他的一些控制器件进行焊接连接! 5.4 硬件调试 所有硬件安装好后我们开始运行调试。调试结果如图 5-3所示 图5-3硬件电路调试 总结 在整个毕业设计过程中， 我学到很多东西， 并且让我意识到自己对单片机方面的知 识了解的还不够，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，尤其是对程序设计语句的理 解和运用，不能够充分理解每个语句的具体含义，导致编程的程序过于复杂，使得需要 的存储空间增大。损耗了过多的内存资源 通过此次毕业设计，我不仅将知识融会贯通，而且在查找资料的过程中也了解了许多 课外知识，开拓了视野，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了很大的提高，让我 学会了理论到实践的转化，即如何将自己学到的运用到以后的生活和工作中，同时，也 让我意识到团队精神的重要性。 此外，感谢王老师的悉心教导以及同学的帮助，正是王老师细心的辅导和提供的一些 参考资料还有同学们的互相帮助，让我顺利的完成了毕业设计，相信这对我以后的生活 和工作都会有很大的帮助 参考文献 1 谢自美电子线路