基于AVR单片机的步进电机控制器设计.doc

1、http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 毕业实习 毕业设计 毕业论文 题 目 ： 基于 AVR 单片机的 步进电机控制器 设计 年 级： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： I 摘 要 介绍了步 进电动机的发展史 ,及国内的现状和步进电动机未来的应用前景。并且阐述了步进电动机转速、角度、转矩的控制原理。 本文阐述了一种步进电机控制器的设计方案，并绘制了原理图和 PCB 板图，撰写了程序源代码。实现了对步进电动机转速、角度的控制，并完成了实物的制作。这期间主要使用 protel99se 软件绘制原理图和制板，使用proteus7.1 软件进行程序代码的仿真和功能的理

2、论验证。最后通过硬件的调试验证程序代码的实际功能，完成对控制器的设计。 关键词 AVR 单片机 ； 步进电动机；控制器 。 II Abstract Introduction step enter electric motor of development history, and local present condition and step enter electric motor future of application foreground.And elaborated a step to enter electric motor to turn soon, angle, turn

3、Ju of control principle.This text elaborated a kind of step enter electrical engineering controller of design project, and drew principle diagram and PCB plank diagram, composed a procedure source a code.Realization to step enter the electric motor turn soon, angle of control, and completion real ob

4、ject of creation.This period main usage the protel 99 se the software draw principle diagram and make plank, usage proteus 7.1 softwares carry on an imitate of procedure code true with the theories of the function verification.The end experiment certificate procedure a code through an adjust of hard

5、ware of actual function, completion design controller. Key words AVR MCU; Stepper Motor; Controller. 目 录 摘要 Abstract 第一章、引 言 1 1.1步进电机发展史 1 1.2 我国步进电机发展 1 1.3步进电机应用的前景 1 第二章、步 进电机控制系统 2 2.1步进电机控制系统 2 2.2控制单元 2 2.3驱动电路 2 2.4通信端口 3 2.5其它 3 第三章、 Atmega16L 单片机 4 3.1 Atmega16L 主要功能 4 3.2 Atmega16L 引脚功能 4

6、 第四章、 控制器电路图 6 第五章、 步进电动机原理与控制 8 5.1步进电动机的结构 8 5.2步进电动机的控制原理 8 5.3 L297/L298 8 5.3.1 L297 芯片简介 8 5.3.2 L298 芯片简介 9 5.3.3 L297 298 步进电机控制 9 5.3.4 控制机制 10 第 六 章、 实现 11 6.1 main 主程序 流程 图 11 6.2 程序 代码 12 第 七 章、 结构 图 30 结论 31 参考文献 32 致谢 33 附录 34 基于 AVR 单片机的 步进电机 控制 器 1 第一章、引 言 1.1 步进电机发展史 步进电机又称电动机或阶跃电动机

7、，国外一般称为 Step motor 或 Stepping motor 等。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于 1830 年至 1860 年间。 1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶 和飞机等独立系统中广泛使用。 20 世纪 60 年代后期，随着永磁性材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。 在近 30 年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异

8、步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。 1.2 我国步进电机发展 我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪 50 年代后期。从 50年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进 电动机为主。 70 年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。 70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80 年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产

9、品广泛利用。 1 3 步进电机的应用前景 目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。步进电机必然会成为机电一体化元件组件的必然趋 势 。 由于步进电机具有控制方 便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，为步进电动机的应用开辟了广阔前景，使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构，但价格都偏高。应用 SGS 公司推出的 L297 和 L298 两芯片

10、可方便的组成步进电机驱动器， 并结合 Atmega16L 单片机可以构成很好的步进电机控制系统。 基于 AVR 单片机的 步进电机 控制 器 2 第二章、步进电机控制系统 2.1 步进电动机 控制 系统 步进电动机本体、步进电动机驱动电路 和控制 单元 构成步进电动机系统不可分割的三大部分。系统框图见下 图 2-1： 图 2-1 步进电动机系统框图 2 2 控制单元 控制单元 、 驱动电路为控制系统的核心部分。 控制单元是整个系统最核心的部分 ,是系统的指挥中心。用于协调各部分的运行，主要负责接收通信端口或输入电路送来的信息，并对其进行识别，译码，并做出相应的动作，发出控制信号用以控制步进电动

11、机。 控制单元实质上是具有处理能力的微 处理器芯片。 控制单元可以由：单片机、 DSP、 PLC 等充当。 本文 选用由 ATEML公司生产的 Atmega16l单片机。 2 3 驱动电路 驱动电路是负责将控制单元送来的微电流信号进行放大用以驱动步进电动机运转， 驱动电路实质上是功率放大器 。 常 见的 驱动电路 ：单电压型功放电路、高低压切换型功放电路、斩波恒流功放电路等再就是采用专用的集成芯片。 本文 采用 L297/L298 芯片，由这两种芯片构成的驱动电路 具有控制方便、精度高、并且不需要外围扩展。 基于 AVR 单片机的 步进电机 控制 器 3 2 4 通信端口 通信端口是步进电机控

12、制器与上位 机（主要是指计算机）进行通信的接口， PC 机串口采 用 的通信标准 RS-232 标准。 使用单片机的 USART 端口 与计算机的串口（ 9 芯） 相连进行通信。 2 5 其它 显示屏：人机交互的窗口，使用 JHD162A 液晶屏。 输入电路：用于输入控制信息，告诉控制器如何运转。 基于 AVR 单片机的 步进电机 控制 器 4 第三章 、 Atmega16L 单片机 Atmega16L是由 ATMEL公司生产的高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器芯片，具有16KB 系统内可编程 Flash。 3.1 Atmega16L主要功能 Atmega16L单片机的功能及特点 简述

13、如下 ： 1、 16KB的系统内编程 flash、 512B的 EEPROM、 1KB的 SRAM； 2、 四通道的 PWM； 3、 两个可编程串行 USART； 4、 可工作于主机 /从机模式的 SPI； 5、 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 ； 6、片内 /片外中断源 ； 7、 32个双向 I/O端口，可单独控制 ； 8、 TWI模块； 9、 3个定时计数器等。 3.2 Atmega16L引脚功能 Atmega16L双列直插式 (PDIP)引脚 如图 3-1： 图 3-1 Atmega16L(PDIP)图 基于 AVR 单片机的 步进电机 控制 器 5 引脚功能简述如下： A/VCC: 模拟 /数字 电源 ; AREF: A/D转换参考电压； XTAL1/2：晶振； RESET： 复位； AREF： A/D转换参考电压； PAPD： 双向 I/O口； TXD： USART输出引脚； RXD： USART输入引脚； OC1A： PWM波形输出端 ； 注： USART， 是一个高度灵活的串行通讯设备 ,通用同步和异步串行接收器和转发器 的英文缩写。