1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 Proteus 的直流步进电机控制系统设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 直流步进电机在生产设备和过程自动化中发挥着日益重要的作用，它直接关系到对整个生产系统的控制，因此直流 步进电机控制的研究具有重要的现实意义。由于微型计算机与微电子技术的发展，使得步进电机的应用更加广泛，在数控机床、机器人、遥控、航天等领域都能见到步进电机的身影。 直流步进电动机启动快、制动性能良好，适合在需要快速调节的场合使用。本系统针对直流步进电机的特点，设计了一种基于 Proteus环境的直流步进电机控制系
2、统。该系统主要包括硬件设计、软件设计和仿真调试三部分。 系统利用单片机 低功耗、处理能力强的特点来对直流步进电机进行控制。设定速度后，对设定的速度和旋转方向采用脉冲分配器对电机进行调节，输出的控制信号传递 给速度控制电路，从而实现速度的控制与正反转的控制。系统具有操作简便、控速精度高、自动化程度高等特点，有效的实现了直流步进电机的速度控制，具有良好的实用价值。 关键词： 直流步进电机； Proteus； AT89C51 单片机 - 3 - Abstract DC (direct current) stepper motor in production equipment and process
3、 automation is playing an increasingly important role, It is directly related to the control of the entire production system, DC stepper motor control therefore has important practical significance. Because micro-computer and microelectronics technology, making more extensive application of the step
4、per motor in CNC machine tools, robots, remote control, aerospace and other fields could be seen stepping motor on the scene. DC stepper motor start fast, good braking performance, the need for rapid adjustment to suit the occasion. This system according to the characteristics of dc stepping motor,
5、design a kind of the dc stepping motor control system based on Proteus The system includes three parts, hardware design, software design and simulation debugging. System with a microcontroller to control the DC stepper motor, because of its low power consumption, processing power is good. After sett
6、ing the speed， rotation speed and direction set by adjusting the motor pulse distributor, output control signals to the speed control circuit, in order to achieve speed control and reversing control. System has many features, such as simple operation, high control accuracy, high automation, it effec
7、tively realized the dc stepping motor speed control, has the good practical value. Key Words： DC stepper motor;Proteus;AT89C51 microcontroller - 4 - 目 录 1 引言 . 1 2 系统方案设计 . 3 3 硬件设计 . 4 3.1 微处理器系统 . 4 3.1.1 时钟电路 . 4 3.1.2 复位电路 . 5 3.2 步进电机驱动模块 . 5 3.2.1 电机驱动模块选择 . 5 3.2.2 电机驱动模块介绍 . 6 3.2.3 直流步进电机驱动
8、电路图 . 7 3.3 液晶显示模块 . 8 3.3.1 显示模块选择 . 8 3.3.2 液晶显示器介绍 . 8 3.3.3 液晶显示电路 . 9 3.4 键盘控制模块 . 9 3.4.1 键盘控制模块元件选择 . 9 3.4.2 键盘控制 模块电路 . 10 4 软件设计 . 11 4.1 主程序 . 11 4.2 转速控制程序 . 12 4.3 方向控制程序 . 14 4.4 液晶显示模块 . 15 4.5 按键控制模块 . 16 5 仿真和调试 . 17 5.1 调试工具与平台 . 17 5.2 系统调试与仿真 . 17 5.3 测试结果与分析 . 20 5.3.1 设计所达到的性能指
9、标 . 20 5.3.2 结果分析论述 . 20 7 结论 . 21 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 1 引言 步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。它有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转动一定的角度 1。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时 间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态，因此非常适合予单片机控制。步进电机作为一种高可控性的特种电机
10、，利用其没有误差积累的特点，广泛应用于各种开环控制 2。 步进电机在简单的开环工作方式下能够达到相当高的定位精度，且低速运行时又可输出很大的转矩，因此在运动控制中得到了广泛的应用 3。步进电机在使用中三个主要的电机结构是：永久磁铁式，可变磁阻式和混合式 4。直流步进电机是最常见和成本最低的小型步进电机，具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流步进电机的特性使它成为调速系统最容易使用的电机。目前，随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流步进电机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更
11、高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 Proteus 软件是来自英国 Labcenter electronics 公司的 EDA 工具软件，组合了高级原理布图、混合模式 SPICE 仿真， PCB 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计统 5。 Proteus 与其他单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。这样就弥补了实验和工程应
12、用间脱节的矛盾和现象。也避免因硬件电路设计过程错误引起的程序异常或硬件实验条件限制影响开发 6。 Proteus 软件提供了大量的仿真设备和元器件，比如有 30 多个元件库，以及数千种数字和模拟元件，还包括各种单片机、常用逻辑电路，各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，还有各种调试信号直流、交流、脉冲及各种变化信号 7。通过 Proteus 中各虚拟仪器所构建硬件电路，调试所设计程序的控制效果，达到虚拟硬件调试、虚拟系统调试程序的目的，为步进电机控制系统开发提供有效的理论实践依据。 2 系统方案设计 在制定直流电动机的控制系统总体方案的时，首先考虑软件与硬件的合理分配，以达到速度与
13、灵活性的均衡。硬件 的优势在于响应速度快，可靠性高，而软件的特点则是灵活、适应性强。具体到本设计中考虑到要求对直流步进电动机能够灵活精确的调速，因此选用软硬件相结合的方式。直流电动机驱动和控制的系统的结构图如图 2-1所示。 A T 8 9 C 5 1复 位步 进 电 机液 晶 显 示键 盘 控 制功 率 驱 动图 2-1 系统结构图 本设计是实现一个由 51单片机控制的直流步进电机系统，单片机产生驱动脉冲信号，产生的脉冲信号传递给直流步进电机的驱动器，由于单片机产生的驱动脉冲信号是设定好的，则步进电机将会按照设定好的方向转动一个固定的角度，将脉冲信号变成角 位移。直流步进电机的转速是由脉冲信
14、号频率控制的，改变单片机产生的驱动脉冲就能够控制步进电机的转速与角位移量，以此来达到调速的目的。同样，改变脉冲信号的方向就能够改变步进电机的旋转方向。 将单片机 AT89C51产生的驱动脉冲通过 L297/L298芯片进行功率放大，从而驱动步进电机。通过设置好的按键，实现步进电机的正转、反转、加速、减速等功能，其控制方法是通过软硬件相结合的方法，来实现了运用单片机对步进电机的稳定控制，最终达到设计要求。系统采用 LM016L液晶显示屏即时显示控制电动机的转动信息。系统软件编写遵循 模块化设计的原则，代码具有良好的易维护性和可移植性。 3 硬件设计 本系统硬件主要有五大模块组成：微处理器系统、电
15、机驱动模块、液晶显示模块、键盘控制模块。 3.1 微处理器系统 系统采用 AT89C51作为微处理器系统。 AT89C51是一种带 4K字 节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS 8位微处理器。该器件与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 8。 3.1.1 时钟电路 单片机内部有一个高增益反相放大器，输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。在芯片外部 XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，构成了一个稳定的
16、自激振荡器。 这里使用 振 荡频率为 12MHz的石英晶体。其电路图如图 3-1 所示。 在晶振两端加了 2 个 300pF 的起振电容 C1、 C2，电容的作用是补偿和保护，这也就使晶振能够方便快速的起振。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1
17、. 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 1X1CR Y S T A LC
18、13 0 0 pC23 0 0 p图 3-1 晶振时钟电路 3.1.2 复位电路 为确保微机系统中 电路 稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V5%，即 4.75 5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当 VCC 超过 4.75V 低于 5.25V 以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。 为了避免复位时间过长，单片机处于循环复位状态，复位电路中的 R、 C 的值的选择必须适当。本设计采用按键电平复位，电平复位是通过 RST 端经电阻与 VCC 接通
19、而实现的，其电路图如图 3-2 所示。 RST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。 EARS TC31uR81 0 0 RR91 0 k图 3-2 单片机复位电路 3.2 步进电机驱动模块 3.2.1 电机驱动模块选择 步进电机驱动模块可以从两种方案中选择。 方案一：采用 H 桥式驱动。 H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管，每个三极管接一个电机的绕组，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。因为电机的转速是通过对励磁绕组的导通与截止实现的，所以根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的旋转方向和速度。这种方案 在实际设计用分立元件制作
20、H 桥比较复杂，需要控制器件也太多，不符合设计简洁的要求。 方案二：采用专用集成电路芯片 LM18200T 驱动电机，用单片机控制LM18200T 的输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。电子开关的速度很快，稳定性也极强。采用集成电路芯片，节省空间和元器件。缺点是电机启动时，由于突然施加的电压比较高，电机容易失步；而且价格较昂贵。 方案三：使用 L298 芯片驱动电机 9 L298 既可以驱动直流电机也可以驱动步进电机，本设计中电动机为直流步进电机。 L298 芯片输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使
21、用比较方便。 通过三种方案的比较分析，使用 L298 芯片充分发挥了它的调节功能，能通过电源电压调节输出电压来稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用 L298 驱动电机。 3.2.2 电机驱动 模块 本系统的电机驱动模块是由 L297 与 L298 组合方式实现的。 L297 是步进电机控制器，应用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制，可有半步、正步和波状三种驱动模式。片内 PWM 斩波电路允许开关式控制绕组电流。 L297的一个显著特 点是仅需时钟、方向和模式输入信号。由于步进电机所需相位由电路内部产生，这样就很好的减轻了单片机的负担。 L298 是 SGS 公司的产品，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 10。 因为系统所用的电机为四相电机，所以 L297 与 L298 的组合电路能满足设计要求。这种组合的驱动方式为定电流驱动，每相电流的峰值可达 2A。在驱动电路中， L297 作为步进电机的控制器，用来产生驱动信号与电机电流的 设定。L298 则作为驱动步进电机的电力输出，是双全桥连接方式驱动。因为驱动电路采用的是双极性驱动，因此电机线圈能够被完全利用，这就使得步进电机可以达到最佳的驱动效果。
