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大学本科毕业设计（论文）基于步进电机的自动平衡系统基于步进电机的自动平衡系统摘 要本系统以设计题目的要求为目的，采用89C52单片机为控制，利用角度传感器，跟踪单摆的角度来控制步进电机转的角度，实现平木板与地面保持水平的功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。关键词：角度传感器，步进电机，STC89C52RCAbstract The system requirements for the purpose of a design, using 89C52 microcontroller to control the use of angle sensors, tracking the angle of the pendulum to control the angle of the stepper motor turn Maintain the level of wood to achieve the level with the surface features. The whole system simple circuit structure, high reliability. Real Test results meet the requirements, this article focuses on the system hardware design and test results. Keywords: angle sensor, stepper motor, STC89C52RC目 录Abstract2目 录3第一章 前言4第二章 方案设计与论证5一、实现方法与框架5（一）实现方法5（二）系统设计框架5二、控制器模块5三、角度检测模块6四、角度调整模块6五、电源模块7第三章 电路硬件设计8一、步进电机驱动系统8（一）L297与单片机接口图8（二）步进电机驱动电路8二、角度传感器9三、AD 转换系统9四、硬件支架图10五、单片机最小系统11（一）单片机主模块11（二）通讯模块13六、其他元器件简介13（一）L297的工作原理介绍13（二）L298N引脚图15（三）L297/L298组合应用实例16（四）ADC8032资料16第四章 软件设计17一、软件设计说明17二、任务流程图和模块框图19第五章 系统功能和调试20一、测试方法与仪器20（一）测试仪器20（二）测量方法20二、系统功能20第六章 总结21致谢22参考文献23附录A 程序清单2426第一章 前言 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的控制电机。目前，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电机的发展。本设计针对目前各个领域对自动化的需要，采用STC89C51单片机与L297，L298N驱动芯片驱动多台步进电机同时独立工作，将它应用于各种复杂的控制领域，能使许多半自动控制的系统完全成为真正的全自动，特别是用在机器人等领域，能极大的提高生产力和降低劳动强度。由于步进电机具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。 第二章 方案设计与论证一、实现方法与框架（一）实现方法 本题要求做一个单摆，摆杆不得受重力以外的任何外力控制，在单摆被给任意角度后，做自由摆动，期间，单摆下部的平板时刻保持与水平面平衡。我们利用步进电机与角度传感器来保持下部的平板始终保持与水平面齐平，从而达到各项功能。（二）系统设计框架 本设计的目的是实现单片机能能控制步进电机的起/停、转向、加/减速和位置控制。在熟悉好各芯片的性能特点后，接下来就是分配好各芯片的控制任务。单片机主要完成脉冲的分配，使步进电机按照设定的方式运转，通过程序设定，从单片机的I/O口输出一系列有规律的脉冲信号；由于直接输出的脉冲信号驱动功率有限，很难直接驱动步进电机运转，所以必须经过驱动器进行脉冲放大，本设计采用的L297与L298N芯片能解决这个问题，它可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机。利用单片机程序分配好控制字的存储单元，以及相应的内存地址赋值，使单片机能控制步进电机的起停、换向顺序、速度和位置变化。二、控制器模块方案一：采用ATMEL 公司的STC89C52RC。52单片机价格便宜，应用广泛，但是功能单一，如果系统需要增加语音播报功能，还需外接语音芯片，实现较为复杂；另外52 单片机需要仿真器来实现软硬件调试。方案二：采用8位ST62T系列，ST6系列一直以来都是面向简单强劲的成本敏感型应用的安全并受到广泛欢迎的选择，其中包括家庭应用、数字消费类设备和电机控制。ST6器件采用16引脚到28引脚封装，内部集成了1到4KB的OTP（一次性可编程）或ROM存储器。 根据本题的要求，我们选择第一种方案三、角度检测模块 角度检测模块在这个系统中起到了绝对重要的作用，由于单摆的过程中角度的变化以及变化的速度都是不同的，为了让步进电机跟随单摆而不停的改变平板的角度实现平板与水平面齐平。我们归类了以下几个方案：方案一：采用北京中西远大科技有限公司生产的GC03-SP2000，机械角度：360线性度 0.5% ，0.2%。额定功率 2W（70C）。最高工作电压 30V方案二：采用北京中西泰技术服务有限公司所产GC03-WDS36-A-90d 。输出信号 4-20 mA （另有0-5V/0-10V输出可选），工作电压 12-24V DC，线性度 0.5% （0.2%，0.1%高精度需说明），额定功率 2W（70C），温度系数 400ppm/C，绝缘电压 750V，电气角度 90【30，60，90，180，300，345（标准）可选 】。方案三：采用自己制作的由一个47K 的电位器加一个电压跟随器，型号OP177和ADC0832组合单摆的轴承，通过电压的改变来确定单摆摆过平衡位置的角度。在满足设计要求的前提下，考虑到接口、安装方便等因素,我们选择了方案三。四、角度调整模块方案一：选用步进电动机调整倾斜角度，使平台平衡，步进电机步距角一般为3.6、 1.8， 在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般还应采用阻尼技术来克服低频振动现象。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。运用步进电机，需要与伸缩杆连用，步进电机控制伸缩杆伸缩来达到调整角度的目的。方案二：选用偏心轮带动桌面从而来调整倾斜角度当单片机把桌面倾斜的信息传给偏心轮，偏心轮带动桌面做回转运动，以此来调整角度。但偏心轮的缺点是不善于传递动力。方案三：选用金属齿轮微型舵机调整桌面的倾斜舵机具有以下一些特点：1) 体积紧凑，便于安装； 2) 输出力矩大，稳定性好； 3) 控制简单，便于和数字系统接口，用单片机来控制。 舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，因为在脉冲信号的输出可以用定时器的溢出中断函数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。通过编程就可以让舵机从-90度变化到+90度。题目中对于角度精度的要求是3。倾斜度在20范围之内。所以金属微型舵机完全能够满足题目要求。舵机的速度决定于给予它的信号脉宽的变化速度。将脉宽变化值线性到要求的时间内，一点一点的增加脉宽值，就可以控制舵机的速度。 因此，我们选择方案三。五、电源模块方案一：铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。方案二：电池组供电，可提供800mAh电流，重量很轻。经比较，我们选择方案二，用两组9V电池组串联给步进电机供电，其中一组经LM6210转换后给控制器、传感器等模块使用。第三章 电路硬件设计一、步进电机驱动系统（一）L297与单片机接口图（二）步进电机驱动电路L297加驱动器组成的步进电机控制电路具有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且计算机(或单片机)硬件 费用大大减少。L297与L298配合使用控制双极步进电机工作电流可达2.5A；如与L293E配套使用，步进电机绕组电流。下图为L297和L298组成的控制驱动器的线路图。L297的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻计算机(或单片机)和程序设计的负担。L298芯片是一种高压、大电流双H桥式驱动器。系统的总电路设计如下图所示，此电路由STC89C51、L297、L298N、4相4拍步进电机器以及相关的电路组成。利用单片机的并行I/O口的部分引脚（P0.0P0.6）连接驱动芯片，各个端口直接与驱动芯片L297直接相连，L297与L298N共用一个+5V的电源，输出+36V的步进电机驱动电压；L298N的2、3、13、14四个输出引脚直接与四相四拍的步进电机相连。 二、角度传感器 采用自己制作的由一个47K 的电位器加一个电压跟随器（型号OP177）和ADC0832组合单摆的轴承，通过电压的改变来确定单摆摆过平衡位置的角度。三、AD 转换系统ADC0832 与单片机的接口电路： 正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时使用并与单片机的接口是双向的，所以在I/O口资源紧张时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（CLK）输入端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能。四、硬件支架图 设计并制作一个自由摆上的平板控制系统，其结构下图所示。摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，平板固定在电机转轴上；当摆杆摆动时，驱动电机可以控制平板转动。五、单片机最小系统（一）单片机主模块单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、电源、晶振电路、复位电路.下面给出一个51单片机的最小系统电路图。说明1、复位电路:此处用RC谐振电路构成上电复位电路。当输入连续两个机器周期以上高电平有效时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作，复位后，单片机从新开始执行程序。2、晶振电路给单片机提供时钟信号，这里选择的晶振频率为11.0592MHz，外接两个谐振电容。该电容选择30pF。3、单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.因此可以看出,其实要熟悉51单片机的40个引脚功能也很容易，总共40个脚,电源用2个(Vcc和GND),晶振用2个,复位1个,EA/Vpp用1个,剩下还有34个.29脚PSEN,30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处,一般情况下不用考虑,这样,就只剩下32个引脚,这32个引脚就是要经常跟它们打交道的了.它们是:P0端口P0.0P0.7共8个P1端口P1.0P1.7共8个P2端口P2.0P2.7共8个P3端口P3.0P3.7共8个（二） 通讯模块MAX232芯片引脚结构和外围电路连接如图所示：本系统采用MAX232实现TTL电平与RS-232电平的转换。MAX芯片内部有一个电源电压变压器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232输出电平所需的+12V电压。所以，采用此芯片的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。MAX232的电容C301, C302，C303，C304,及V+，V-是电源变换电路部分。按照芯片资料，此处选用0.1uF的非极性瓷片电容来设计电路，在具体设计电路时，这四个电容要靠近MAX232芯片，以提高抗干扰能力。 在此设计图中使用直通接法，数据传输过程如下：MAX232的10脚T1IN接单片机的TXD端P3.1,TTL电平从单片机的TXD端发出，经过MAX232转换成RS-232电平后从MAX232的7脚T2out发出，在连接到串口座的第2脚，再通过平行串口线连接到PC机的串口座的第2脚RXD端，直至计算机接收到数据。PC机发送数据时从PC机串口座的第3脚TXD端发出数据，再逆向流向单片机的RXD端P3.0接收数据。六、其他元器件简介（一）L297的工作原理介绍 L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。L297的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插20脚塑封封装，其引脚见下图。 在L297的内部，变换器是一个重要组成部分。变换器由一个三倍计算器加某些组合逻辑电路组成，产生一个基本的八格雷码。由变换器产生4个输出信号送给后面的输出逻辑部分，输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过2个PWM斩波器控制电动波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻，晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节，当负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高，当电压达到Uref时(Uref是根据峰值负载电流而定的)，将触发器重置，切断输出，直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出(即触发器Q输出)是一恒定速率的PWM信号，L297的CONTROL端的输入决定斩波器对相位线A，B，C，D或抑制线INH1和INH2起作用。CONTROL为高电平时，对A，B，C，D有抑制作用；为低电平时，则对抑制线INH1和INH2有抑制作用，从而可对电动机和转矩进行控制。（二）L298N引脚图 L298是SGS(通标标准技术服务有限公司)公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如上图中所示。L298N的引脚9为LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即逻辑供应电压。引脚4为SUPPLY VOLTAGE Vs，即驱动部分输入电压。Vss电压要求输入最小电压为4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，但经过我的实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。它的引脚2，3，13，14为L298N芯片输入到电动机的输出端，其中引脚2和3能控制两相电机，对于直流电动机，即可控制一个电动机。同理，引脚13和14也可控制一个直流电动机。引脚6和11脚为电动机的使能接线脚。引脚5，7，10，12为单片机输入到L298N芯片的输入引脚。下表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系：EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止 控制使能引脚ENA或者ENB就可以实现PWM脉宽速度调整。1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可以直接接地。在可设计中就将它们直接接地。L298N是内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器可驱动46v,2A以下电机,1和15脚可单独引出接电流采样电阻器,形成电流传感信号.接错无法控制电机.引脚8为芯片的接地引脚，它与L298N芯片的散热片连接在一起。由于本芯片的工作电流比较大，发热量也比较大，所以在本芯片的散热片上又连接了一块铝合金，以增大它的散热面积。该芯片的一些参数如下：(1) 逻辑部分输入电压：67V(2) 驱动部分输入电压Vs：4.846V(3) 逻辑部分工作电流Iss：36mA(4) 驱动部分工作电流Io：2A(5) 最大耗散功率：25W（T=75）(6) 控制信号输入电平（高电平：2.3VVinVss，低电平：-0.3VVin1.5V）(7) 工作温度：-25130(8) 驱动形式：双路大功率H桥驱动（三）L297/L298组合应用实例L297和L298组合控制驱动的步进电机可用于如打印机的托架位置、记录仪的进给机构，以及打字机、数控机床、软盘驱动器、机器人、绘图机、复印机、阀门等设备和装置。（四）ADC8032资料 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可以使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832 具有以下特点： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C； 芯片顶视图：芯片接口说明： CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0 电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。第四章 软件设计一、软件设计说明 在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。 为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：1、单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；2、模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；3、模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序定时子程序、避障子程序中断子程序显示子程序调速子程序算法子程序构成。二、任务流程图和模块框图第五章 系统功能和调试一、测试方法与仪器（一）测试仪器测试仪器包括秒表、数字万用表、精度米尺，直流稳压电源等。（二）测量方法1、用精度米尺按要求测量好平板的长度宽度，确保平板长度为10cm X 6cm。2、用数字万用表对电路每个输出端进行测量保证电路不出任何问题。二、系统功能 通过各硬件与软件模块使单摆在摆动的过程中，让步进电机通过传感器对角度的感应来调整平板与水平面的角度从而实现平板始终保持与水平面齐平。第六章 总结 本设计首先分析了STC89C51单片机、L297、L298N驱动电路以及步进电机的基本原理和特点，其次逐步分析各自的连接原理及步进电机实现启停、加速、转向、位置控制的方案，接着综合性地阐述整个系统的设计思路及组成框图。该系统主要是通过写入单片机中的程序进行控制，从I/O口输出控制脉冲，经过L297、L298N驱动电路进行处理，输出能直接控制步进电机的信号，但具有一定的测量精度，其方法的最大优点是软件简单、计算量小、转换速度快。致谢 参考文献1 陈海宴，51单片机原理与应用 北京航空航天出版社2 张义和 例说51单片机（C语言版）（第3版）人民邮电出版社3 何希才,新型实用电子电路400例,电子工业出版社,2000年,60654 赵负图,传感器集成电路手册,第一版,化学工业出版社,2004,5905915 陈伯时,电力拖动自动控制系统,第二版,北京:机械工业出版社,2000年6月,1271306 张毅刚,彭喜元,新编MCS-51 单片机应用设计,第一版,哈尔滨工业大学出版社,2003,2527,411417附录A 程序清单PUSH A ；保护现场 MOV R4，#N ；设置步长计数器 CLR C ；转向标志为1，转移ORL C,D5HJC ROTEMOV R0,#20H ；正转控制字首址AJMP LOOPROTE: MOV R0,27H ；反转控制字首址LOOP: MOV A，R0MOV P1，A ；输出控制脉冲ACALL DLY ；调用延时程序INC R0 ；控制字存储地址增1MOV A，#00H. ORL A，R0 ；是结束标志转移JZ TPL LOOP1： DJNZ R4，LOOP ；步数不为0，转移POP ARERTPL： MOV A，R0 ；恢复控制字首址CLR CSUBB A，#06HMOV R0，AAJMP LO