2022年基于步进电机的自动平衡系统.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 基于步进电机地自动平稳系统名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 基于步进电机地自动平稳系统摘 要本系统以设计题目地要求为目地,采纳89C52 单片机为掌握,利用角度传感器,跟踪单摆地角度来掌握步进电机转地角度,实现平木板与地面保持水平地功能 .整个系统地电路结构简洁,牢靠性能高 .试验测试结果满意要求,本文着重介绍了该系统地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,STC89C52RCAbstractThe 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Abstract .2目 录 .2第一章 前言 .4其次章 方案设计与论证 .4一、实现方法与框架 .4（一）实现方法 .4（二）系统设计框架 .4二、掌握器模块 .5三、角度检测模块 .5四、角度调整模块 .6五、电源模块 .6第三章电路硬件设计.7一、步进电机驱动系统 .7（一） L297 与单片机接口图 .7（二）步进电机驱动电路 .7二、角度传感器 .8三、 AD 转换系统 .8四、硬件支架图 .9五、单片机最小系统 .10（一）单片机主模块 .10名师归纳总结 （二）通讯模块 . 11第 2 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 六、其他元器件简介 .12（一） L297 地工作原理介绍 .12（二） L298N 引脚图 .14（三） L297/L298 组合应用实例 .15（四） ADC8032 资料 .15 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 .18第五章 系统功能和调试 .19一、测试方法与仪器 .19（一）测试仪器 .19（二）测量方法 .19二、系统功能 .19第六章 总结 .19致谢 .19参考文献 .19附录 A 程序清单 .20名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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地掌握电机.目前,数字技术、运算机技术和永磁材料地快速进展,推动了步进电机地进展 .本设计针对目前各个领域对自动化地需要,采纳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地掌握领域,能使很多半自动掌握地系统完全成为真正地全自动,特殊是用在机器人等领域,能极大地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地应用 . 其次章 方案设计与论证一、实现方法与框架（一）实现方法此题要求做一个单摆,摆杆不得受重力以外地任何外力掌握,在单摆被给任意角度后,做自由摇摆,期间,单摆下部地平板时刻保持与水平面平稳 .我们利用步进电机与角度传感器来保持下部地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地目地是实现单片机能能掌握步进电机地起/停、转向、加/减速和位置掌握.在熟识好各芯片地性能特点后,接下来就是安排好各芯片地掌握任务 依据设定地方式运转,通过程序设定,从单片机地.单片机主要完成脉冲地安排,使步进电机 I/O 口输出一系列有规律地脉冲信号；由于直接输出地脉冲信号驱动功率有限,很难直接驱动步进电机运转,所以必需经过驱动器进行脉冲放大,本设计采纳地 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 .利用单片机程序安排好掌握字地储备单元,以及相应地内存地址赋值,使单片机能掌握步名师归纳总结 进电机地起停、换向次序、速度和位置变化.第 4 页,共 22 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 二、掌握器模块方案一：采纳 ATMEL 公司地 STC89C52RC.52 单片机价格廉价,应用广泛,但是功能单一,假如系统需要增加语音播报功能,仍需外接语音芯片,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：采纳 8 位 ST62T 系列, ST6 系列始终以来都是面对简洁强劲地成本敏锐型应用地安全并受到广泛欢迎地挑选,其中包括家庭应用、数字消费类设备和电机掌握 .ST6 器件采纳 16 引脚到 28 引脚封装,内部集成了 1 到 4KB 地 OTP（一次性可编程）或 ROM 储备器 . 依据此题地要求,我们挑选第一种方案三、角度检测模块角度检测模块在这个系统中起到了肯定重要地作用,由于单摆地过程中角度地变化以及变化地速度都是不同地,为了让步进电机跟随单摆而不停地转变平板地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：采纳北京中西远大科技有限公司生产地GC03-SP2000 ,机械角度：360° 线性度±0.5% ,±0.2%.额定功率 2W（70°C）.最高工作电压 30V方案二：采纳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 （另名师归纳总结 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%高精度需说第 5 页,共 22 页明）,额定功率 2W （70°C）,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：采纳自己制作地由一个47K 地电位器加一个电压跟随器,型号OP177 和 ADC0832组合单摆地轴承,通过电压地转变来确定单摆摆过平稳位置地角度.- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 在满意设计要求地前提下,考虑到接口、安装便利等因素,我们挑选了方案三.四、角度调整模块方案一：选用步进电动机调整倾斜角度,使平台平稳,步进电机步距角一般为 3.6 °、 1.8 °, 在低速时易显现低频振动现象.振动频率与负载情形和驱动器性能有关,一般认为振动频率为电机空载起跳频率地一半.步进电机地工作原理所打算地低频振动现象对于机器地正常运转特别不利.当步进电机工作在低速时,一般仍应采纳阻尼技术来克服低频振动现象.步进电机地输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降 .步进电机地掌握为开环掌握,启动频率过高或负载过大易显现丢步或堵转地现象,停止时转速过高易显现过冲地现象 步进电机掌握伸缩杆伸缩来达到调整角度地目地 .运用步进电机,需要与伸缩杆连用,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地信息传给偏心轮,偏心轮带动桌面做回转运动,以此来调整角度.但偏心轮地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地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,稳固性好；3 掌握简洁,便于和数字系统接口,用单片机来掌握 . 舵机地掌握信号是一个脉宽调制信号,由于在脉冲信号地输出可以用定时器地溢出中断函数来处理,时间很短,因此在精度要求不高地场合可以忽视 .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地要求是 <3°.倾斜度在 20°范畴之内 .所以金属微型舵机完全能够满意题目要求 .舵机地速度打算于赐予它地信号脉宽地变化速度增加脉宽值,就可以掌握舵机地速度 .因此,我们挑选方案三 .五、电源模块.将脉宽变化值线性到要求地时间内,一点一点地名师归纳总结 方案一：铅酸电池供电,优点电流大,缺点重量太沉.LM6210 转换第 6 页,共 22 页方案二：电池组供电,可供应800mAh 电流,重量很轻.经比较,我们挑选方案二,用两组9V 电池组串联给步进电机供电,其中一组经后给掌握器、传感器等模块使用.- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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 加驱动器组成地步进电机掌握电路具有以下优点：使用元件少,组件地损耗低,牢靠性高体积小,软件开发简洁,并且运算机 或单片机 硬件 费用大大削减 .L297 与 L298协作使用掌握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 组成地掌握驱动器地线路图 .L297 地特性是只需要时钟、方向和模式输入信号 .相位是由内部产生地,因此可减轻运算机 或单片机 和程序设计地负担 .L298 芯片是一种高压、大电流双 H 桥式驱动器 .系统地总电路设计如下图所示,此电路由STC89C51、 L297、L298N 、 4 相 4 拍步进电机器以名师归纳总结 及相关地电路组成.利用单片机地并行I/O 口地部分引脚（P0.0P0.6）连接驱动芯片,各个端口直接第 7 页,共 22 页与驱动芯片L297 直接相连, L297 与 L298N 共用一个 +5V 地电源,输出 +36V 地步进电机驱动电压； L298N 地 2、3、13、14 四个输出引脚直接与四相四拍地步进电机相连.- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 二、角度传感器采纳自己制作地由一个 47K 地电位器加一个电压跟随器（型号 OP177）和 ADC0832 组合单摆地轴承,通过电压地转变来确定单摆摆过平稳位置地角度 .三、 AD 转换系统ADC0832 与单片机地接口电路：名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 正常情形下ADC0832 与单片机地接口应为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地接口是双向地,所以在 I/O 口资源紧急时可以将 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 地电平可任意 .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终止 .此时芯片开头转换工作,同时由处理器向芯片时钟（CLK ）输入端输入时钟脉冲, DO/DI 端就使用 DI 端输入通道功能挑选地数据信号 .在第一个时钟脉冲地下沉之前 DI 端必需是高电平,表示启始信号 .在其次、三个脉冲下沉之前 DI 端应输入两位数据用于挑选通道功能 .四、硬件支架图设计并制作一个自由摆上地平板掌握系统,其结构下图所示.摆杆地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；当摆杆摇摆时,驱动电机可以掌握平板转 动.名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 五、单片机最小系统（一）单片机主模块名师归纳总结 单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少地元件组成地单片机可以工作地系统.对第 10 页,共 22 页51 系列单片机来说,最小系统一般应当包括:单片机、电源、晶振电路、复位电路.下面给出一个51单片机地最小系统电路图.- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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,用来完成单片机地复位初始化操作,复位后,单片机从新开头执行程序 .2、晶振电路给单片机供应时钟信号,这里挑选地晶振频率为 11.0592MHz ,外接两个谐振电容 .该电容挑选 30pF.3、单片机 :一片 AT89S51/52 或其他 51 系列兼容单片机特殊留意:对于 31 脚EA/Vpp, 当接高电平常 ,单片机在复位后从内部 ROM 地 0000H 开头执行；当接低电平常 ,复位后直接从外部 ROM 地 0000H开头执行 .因此可以看出 ,其实要熟识 51 单片机地 40 个引脚功能也很简洁,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,剩下仍有34 个.29 脚 PSEN,30 脚 ALE 为外扩数据/程序储备器时才有特定用处,一般情形下不用考虑,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地了.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下列图：名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 本系统采纳 MAX232 实现 TTL 电平与 RS-232 电平地转换 .MAX 芯片内部有一个电源电压变压器,可以把输入地 +5V 电源电压变换成为 RS-232 输出电平所需地 +12V 电压 .所以,采纳此芯片地串行通信系统只需单一地 +5V 电源就可以了 .MAX232 地电容 C301, C302, C303,C304,及 V+ ,V-是电源变换电路部分 .依据芯片资料,此处选用 0.1uF 地非极性瓷片电容来设计电路,在详细设计电路时,这四个电容要靠近 MAX232 芯片,以提高抗干扰才能 .在此设计图中使用直通接法,数据传输过程如下：MAX232 地 10 脚 T1IN 接单片机地 TXD 端P3.1,TTL 电平从单片机地 TXD 端发出,经过 MAX232 转换成 RS-232 电平后从 MAX232 地 7 脚T2out 发出,在连接到串口座地第 2 脚,再通过平行串口线连接到 PC 机地串口座地第 2 脚 RXD端,直至运算机接收到数据 .PC 机发送数据时从 PC 机串口座地第 3 脚 TXD 端发出数据,再逆向流向单片机地 RXD 端 P3.0接收数据 .六、其他元器件简介（一） L297 地工作原理介绍名师归纳总结 - - - - - - - L297是意大利 SGS 半导体公司生产地步进电机专用掌握器,它能产生4相掌握信号,可用于运算机掌握地两相双极和四相单相步进电机,能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式掌握步进电机.芯片内地 PWM 斩波器电路可开关模式下调剂步进电机绕组中地电机绕组中地电流.该集成电路采纳了SGS 公司地模拟 /数字兼容地I2L 技术,使用 5V 地电源电压,全部信号地连接都与TFL/CMOS 或集电极开路地晶体管兼容.L297 地芯片引脚特殊紧凑,采纳双列直插20脚塑封封装,其引脚见下图.第 12 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在 L297 地内部,变换器是一个重要组成部分.变换器由一个三倍运算器加某些组合规律电路组成,产生一个基本地八格雷码 .由变换器产生 4个输出信号送给后面地输出规律部分,输出规律供应禁止和斩波器功能所需地相序 .为了获得电动机良好地速度和转矩特性,相序信号是通过 2个 PWM斩波器掌握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,晶片内部地通用振荡器供应斩波频率脉冲 .每个斩波器地触发器由振荡器地脉冲调剂,当负载电流提高时检测电阻上地电压相对提高,当电压达到 Uref 时Uref 是依据峰值负载电流而定地 ,将触发重视置,切断输出,直至其次个振荡脉冲到来、此线路地输出 即触发器 Q 输出 是一恒定速率地 PWM 信号, L297地CONTROL 端地输入打算斩波器对相位线A,B,C,D 或抑制线 INH1 和 INH2 起作用 .CONTROL名师归纳总结 为高电平常,对A ,B,C,D 有抑制作用；为低电平常,就对抑制线INH1 和 INH2 有抑制作用,第 13 页,共 22 页从而可对电动机和转矩进行掌握.- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - （二） L298N 引脚图 L298 是 SGS通标标准技术服务有限公司公司地产品,比较常见地是15 脚 Multiwatt封装地L298N ,内部包含 4 通道规律驱动电路 .是一种二相和四相电机地专用驱动器,即内含二个 H 桥地高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准 TTL 规律电平信号,可驱动 46V 、2A 以下地电机 .其引脚排列如上图中所示 .L298N 地引脚 9 为 LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss,即规律供应电压 .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 ,但经过我地试验,Vs 电压应当比 Vss 电压高,否就有时会显现失控现象 .它地引脚 2,3,13,14 为 L298N 芯片输入到电动机地输出端,其中引脚 2 和 3 能掌握两相电机,对于直流电动机,即可掌握一个电动机 .同理,引脚 13 和 14 也可掌握一个直流电动机 .引脚 6和 11 脚为电动机地使能接线脚 .引脚 5,7,10,12 为单片机输入到 L298N 芯片地输入引脚 .下表是其使能、输入引脚和输出引脚地规律关系：EN A （B）IN1 （IN3 ）IN2 （IN4 ）电机运行情形H H L 正转H L H 反转H 同 IN2 （IN4）同 IN1 （IN3 ）快速停止L X X 停止掌握使能引脚 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 桥地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名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 器,形成电流传感信号.接错无法掌握电机.引脚 8 为芯片地接地引脚,它与L298N 芯片地散热片连接在一起 .由于本芯片地工作电流比较大,发热量也比较大,所以在本芯片地散热片上又连接了一块铝合金,以增大它地散热面积 .该芯片地一些参数如下：1 规律部分输入电压：67V2 驱动部分输入电压 Vs：4.846V3 规律部分工作电流 Iss： 36mA4 驱动部分工作电流 Io： 2A5 最大耗散功率：25W（T=75）6 掌握信号输入电平（高电平：2.3V Vin Vss,低电平： -0.3V Vin 1.5V7 工作温度： -25 1308 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组合掌握驱动地步进电机可用于如打印机地托架位置、记录仪地进给机构,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地一种 8 位辨论率、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,其目前已经有很高地普及率 .学习并使用ADC0832 可以使我们明白 A/D 转换器地原理,有助于我们单片机技术水平地提高 .ADC0832 具有以下特点：· 8位辨论率；· 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 32 S；· 一般功耗仅为 15mW ；名师归纳总结 · 8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装；- 40°C