1、大學本科畢業設計（論文）基于步進電機的自動平衡系統基于步進電機的自動平衡系統摘 要本系統以設計題目的要求為目的，采用89C52單片機為控制，利用角度傳感器，跟蹤單擺的角度來控制步進電機轉的角度，實現平木板與地面保持水平的功能。整個系統的電路結構簡單，可靠性能高。實驗測試結果滿足要求，本文著重介紹了該系統的硬件設計方法及測試結果分析。關鍵詞：角度傳感器，步進電機，STC89C52RCAbstract The system requirements for the purpose of a design, using 89C52 microcontroller to control the use

2、 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 o

3、n the system hardware design and test results. Keywords: angle sensor, stepper motor, STC89C52RC目 錄Abstract2目 錄3第一章 前言4第二章 方案設計與論證5一、實現方法與框架5（一）實現方法5（二）系統設計框架5二、控制器模塊5三、角度檢測模塊6四、角度調整模塊6五、電源模塊7第三章 電路硬件設計8一、步進電機驅動系統8（一）L297與單片機接口圖8（二）步進電機驅動電路8二、角度傳感器9三、AD 轉換系統9四、硬件支架圖10五、單片機最小系統11（一）單片機主模塊11（二）通訊模塊13六

4、、其他元器件簡介13（一）L297的工作原理介紹13（二）L298N引腳圖15（三）L297/L298組合應用實例16（四）ADC8032資料16第四章 軟件設計17一、軟件設計說明17二、任務流程圖和模塊框圖19第五章 系統功能和調試20一、測試方法與儀器20（一）測試儀器20（二）測量方法20二、系統功能20第六章 總結21致謝22參考文獻23附錄A 程序清單2426第一章 前言 步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的控制電機。目前，數字技術、計算機技術和永磁材料的迅速發展，推動了步進電機的發展。本設計針對目前各個領域對自動化的需要，采用STC89C51單片機與L297，L298N驅

5、動芯片驅動多臺步進電機同時獨立工作，將它應用于各種復雜的控制領域，能使許多半自動控制的系統完全成為真正的全自動，特別是用在機器人等領域，能極大的提高生產力和降低勞動強度。由于步進電機具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。 第二章 方案設計與論證一、實現方法與框架（一）實現方法 本題要求做一個單擺，擺桿不得受重力以外的任何外力控制，在單擺被給任意角度后，做自由擺動，期間，單擺下部的平板時刻保持與水平面平衡。我們利用步進電機與角度傳感器來保持下部的平板始終保持與水平面齊平，從而達到各項功能。（二）系統設計框架 本設計的目的是實現單片機能能控

6、制步進電機的起/停、轉向、加/減速和位置控制。在熟悉好各芯片的性能特點后，接下來就是分配好各芯片的控制任務。單片機主要完成脈沖的分配，使步進電機按照設定的方式運轉，通過程序設定，從單片機的I/O口輸出一系列有規律的脈沖信號；由于直接輸出的脈沖信號驅動功率有限，很難直接驅動步進電機運轉，所以必須經過驅動器進行脈沖放大，本設計采用的L297與L298N芯片能解決這個問題，它可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機。利用單片機程序分配好控制字的存儲單元，以及相應的內存地址賦值，使單片機能控制步進電機的起停、換向順序、速度和位置變化。二、控制器模塊方案一：采用ATMEL 公司的STC89C52RC

7、。52單片機價格便宜，應用廣泛，但是功能單一，如果系統需要增加語音播報功能，還需外接語音芯片，實現較為復雜；另外52 單片機需要仿真器來實現軟硬件調試。方案二：采用8位ST62T系列，ST6系列一直以來都是面向簡單強勁的成本敏感型應用的安全并受到廣泛歡迎的選擇，其中包括家庭應用、數字消費類設備和電機控制。ST6器件采用16引腳到28引腳封裝，內部集成了1到4KB的OTP（一次性可編程）或ROM存儲器。 根據本題的要求，我們選擇第一種方案三、角度檢測模塊 角度檢測模塊在這個系統中起到了絕對重要的作用，由于單擺的過程中角度的變化以及變化的速度都是不同的，為了讓步進電機跟隨單擺而不停的改變平板的角度

8、實現平板與水平面齊平。我們歸類了以下幾個方案：方案一：采用北京中西遠大科技有限公司生產的GC03-SP2000，機械角度：360線性度 0.5% ，0.2%。額定功率 2W（70C）。最高工作電壓 30V方案二：采用北京中西泰技術服務有限公司所產GC03-WDS36-A-90d 。輸出信號 4-20 mA （另有0-5V/0-10V輸出可選），工作電壓 12-24V DC，線性度 0.5% （0.2%，0.1%高精度需說明），額定功率 2W（70C），溫度系數 400ppm/C，絕緣電壓 750V，電氣角度 90【30，60，90，180，300，345（標準）可選 】。方案三：采用自己制作的

9、由一個47K 的電位器加一個電壓跟隨器，型號OP177和ADC0832組合單擺的軸承，通過電壓的改變來確定單擺擺過平衡位置的角度。在滿足設計要求的前提下，考慮到接口、安裝方便等因素,我們選擇了方案三。四、角度調整模塊方案一：選用步進電動機調整傾斜角度，使平臺平衡，步進電機步距角一般為3.6、 1.8， 在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般還應采用阻尼技術來克服低頻振動現象。步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降

10、。步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象。運用步進電機，需要與伸縮桿連用，步進電機控制伸縮桿伸縮來達到調整角度的目的。方案二：選用偏心輪帶動桌面從而來調整傾斜角度當單片機把桌面傾斜的信息傳給偏心輪，偏心輪帶動桌面做回轉運動，以此來調整角度。但偏心輪的缺點是不善于傳遞動力。方案三：選用金屬齒輪微型舵機調整桌面的傾斜舵機具有以下一些特點：1) 體積緊湊，便于安裝； 2) 輸出力矩大，穩定性好； 3) 控制簡單，便于和數字系統接口，用單片機來控制。 舵機的控制信號是一個脈寬調制信號，因為在脈沖信號的輸出可以用定時器的溢出中斷函數來處理，

11、時間很短，因此在精度要求不高的場合可以忽略。通過編程就可以讓舵機從-90度變化到+90度。題目中對于角度精度的要求是3。傾斜度在20范圍之內。所以金屬微型舵機完全能夠滿足題目要求。舵機的速度決定于給予它的信號脈寬的變化速度。將脈寬變化值線性到要求的時間內，一點一點的增加脈寬值，就可以控制舵機的速度。 因此，我們選擇方案三。五、電源模塊方案一：鉛酸電池供電，優點電流大，缺點重量太沉。方案二：電池組供電，可提供800mAh電流，重量很輕。經比較，我們選擇方案二，用兩組9V電池組串聯給步進電機供電，其中一組經LM6210轉換后給控制器、傳感器等模塊使用。第三章 電路硬件設計一、步進電機驅動系統（一）

12、L297與單片機接口圖（二）步進電機驅動電路L297加驅動器組成的步進電機控制電路具有以下優點：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高體積小，軟件開發簡單，并且計算機(或單片機)硬件 費用大大減少。L297與L298配合使用控制雙極步進電機工作電流可達2.5A；如與L293E配套使用，步進電機繞組電流。下圖為L297和L298組成的控制驅動器的線路圖。L297的特性是只需要時鐘、方向和模式輸入信號。相位是由內部產生的，因此可減輕計算機(或單片機)和程序設計的負擔。L298芯片是一種高壓、大電流雙H橋式驅動器。系統的總電路設計如下圖所示，此電路由STC89C51、L297、L298N、4相4拍步進電

13、機器以及相關的電路組成。利用單片機的并行I/O口的部分引腳（P0.0P0.6）連接驅動芯片，各個端口直接與驅動芯片L297直接相連，L297與L298N共用一個+5V的電源，輸出+36V的步進電機驅動電壓；L298N的2、3、13、14四個輸出引腳直接與四相四拍的步進電機相連。 二、角度傳感器 采用自己制作的由一個47K 的電位器加一個電壓跟隨器（型號OP177）和ADC0832組合單擺的軸承，通過電壓的改變來確定單擺擺過平衡位置的角度。三、AD 轉換系統ADC0832 與單片機的接口電路： 正常情況下ADC0832 與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與

14、DI端在通信時并未同時使用并與單片機的接口是雙向的，所以在I/O口資源緊張時可以將DO和DI并聯在一根數據線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘（CLK）輸入端輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第一個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第二、三個脈沖下沉之前DI端應輸入兩位數據用于選擇通道功能。四、硬件支架圖 設計并制作一個自由擺上的平板控制系統，其結

15、構下圖所示。擺桿的一端通過轉軸固定在一支架上，另一端固定安裝一臺電機，平板固定在電機轉軸上；當擺桿擺動時，驅動電機可以控制平板轉動。五、單片機最小系統（一）單片機主模塊單片機最小系統,或者稱為最小應用系統,是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統.對51系列單片機來說,最小系統一般應該包括:單片機、電源、晶振電路、復位電路.下面給出一個51單片機的最小系統電路圖。說明1、復位電路:此處用RC諧振電路構成上電復位電路。當輸入連續兩個機器周期以上高電平有效時為有效，用來完成單片機的復位初始化操作，復位后，單片機從新開始執行程序。2、晶振電路給單片機提供時鐘信號，這里選擇的晶振頻率為11.0592

16、MHz，外接兩個諧振電容。該電容選擇30pF。3、單片機:一片AT89S51/52或其他51系列兼容單片機特別注意:對于31腳(EA/Vpp),當接高電平時,單片機在復位后從內部ROM的0000H開始執行;當接低電平時,復位后直接從外部ROM的0000H開始執行.因此可以看出,其實要熟悉51單片機的40個引腳功能也很容易，總共40個腳,電源用2個(Vcc和GND),晶振用2個,復位1個,EA/Vpp用1個,剩下還有34個.29腳PSEN,30腳ALE為外擴數據/程序存儲器時才有特定用處,一般情況下不用考慮,這樣,就只剩下32個引腳,這32個引腳就是要經常跟它們打交道的了.它們是:P0端口P0.

17、0P0.7共8個P1端口P1.0P1.7共8個P2端口P2.0P2.7共8個P3端口P3.0P3.7共8個（二） 通訊模塊MAX232芯片引腳結構和外圍電路連接如圖所示：本系統采用MAX232實現TTL電平與RS-232電平的轉換。MAX芯片內部有一個電源電壓變壓器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS-232輸出電平所需的+12V電壓。所以，采用此芯片的串行通信系統只需單一的+5V電源就可以了。MAX232的電容C301, C302，C303，C304,及V+，V-是電源變換電路部分。按照芯片資料，此處選用0.1uF的非極性瓷片電容來設計電路，在具體設計電路時，這四個電容要靠近MAX232

18、芯片，以提高抗干擾能力。 在此設計圖中使用直通接法，數據傳輸過程如下：MAX232的10腳T1IN接單片機的TXD端P3.1,TTL電平從單片機的TXD端發出，經過MAX232轉換成RS-232電平后從MAX232的7腳T2out發出，在連接到串口座的第2腳，再通過平行串口線連接到PC機的串口座的第2腳RXD端，直至計算機接收到數據。PC機發送數據時從PC機串口座的第3腳TXD端發出數據，再逆向流向單片機的RXD端P3.0接收數據。六、其他元器件簡介（一）L297的工作原理介紹 L297是意大利SGS半導體公司生產的步進電機專用控制器，它能產生4相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相

19、步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。芯片內的PWM斬波器電路可開關模式下調節步進電機繞組中的電機繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數字兼容的I2L技術，使用5V的電源電壓，全部信號的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。L297的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插20腳塑封封裝，其引腳見下圖。 在L297的內部，變換器是一個重要組成部分。變換器由一個三倍計算器加某些組合邏輯電路組成，產生一個基本的八格雷碼。由變換器產生4個輸出信號送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電動機良好的速度和轉矩特性，相序信號是通過2個PW

20、M斬波器控制電動波器包含有一個比較器、一個觸發器和一個外部檢測電阻，晶片內部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。每個斬波器的觸發器由振蕩器的脈沖調節，當負載電流提高時檢測電阻上的電壓相對提高，當電壓達到Uref時(Uref是根據峰值負載電流而定的)，將觸發器重置，切斷輸出，直至第二個振蕩脈沖到來、此線路的輸出(即觸發器Q輸出)是一恒定速率的PWM信號，L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對相位線A，B，C，D或抑制線INH1和INH2起作用。CONTROL為高電平時，對A，B，C，D有抑制作用；為低電平時，則對抑制線INH1和INH2有抑制作用，從而可對電動機和轉矩進行控制。（二）L298N引

21、腳圖 L298是SGS(通標標準技術服務有限公司)公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。其引腳排列如上圖中所示。L298N的引腳9為LOGIC SUPPLY VOLTAGE Vss，即邏輯供應電壓。引腳4為SUPPLY VOLTAGE Vs，即驅動部分輸入電壓。Vss電壓要求輸入最小電壓為4.5V，最大可達36V；Vs電壓最大值也是36V，但經過我的實驗，Vs電壓應該比Vss電壓高，否則有時會出現失控現象

22、。它的引腳2，3，13，14為L298N芯片輸入到電動機的輸出端，其中引腳2和3能控制兩相電機，對于直流電動機，即可控制一個電動機。同理，引腳13和14也可控制一個直流電動機。引腳6和11腳為電動機的使能接線腳。引腳5，7，10，12為單片機輸入到L298N芯片的輸入引腳。下表是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關系：EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）電機運行情況HHL正轉HLH反轉H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止 控制使能引腳ENA或者ENB就可以實現PWM脈寬速度調整。1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可以直接接地。在可設計中就

23、將它們直接接地。L298N是內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器可驅動46v,2A以下電機,1和15腳可單獨引出接電流采樣電阻器,形成電流傳感信號.接錯無法控制電機.引腳8為芯片的接地引腳，它與L298N芯片的散熱片連接在一起。由于本芯片的工作電流比較大，發熱量也比較大，所以在本芯片的散熱片上又連接了一塊鋁合金，以增大它的散熱面積。該芯片的一些參數如下：(1) 邏輯部分輸入電壓：67V(2) 驅動部分輸入電壓Vs：4.846V(3) 邏輯部分工作電流Iss：36mA(4) 驅動部分工作電流Io：2A(5) 最大耗散功率：25W（T=75）(6) 控制信號輸入電平（高電平：2.3VVinVs

24、s，低電平：-0.3VVin1.5V）(7) 工作溫度：-25130(8) 驅動形式：雙路大功率H橋驅動（三）L297/L298組合應用實例L297和L298組合控制驅動的步進電機可用于如打印機的托架位置、記錄儀的進給機構，以及打字機、數控機床、軟盤驅動器、機器人、繪圖機、復印機、閥門等設備和裝置。（四）ADC8032資料 ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業歡迎，其目前已經有很高的普及率。學習并使用ADC0832 可以使我們了解A/D轉換器的原理，有助于我們單片機技術水平的提高。ADC083

25、2 具有以下特點： 8位分辨率； 雙通道A/D轉換； 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； 5V電源供電時輸入電壓在05V之間； 工作頻率為250KHZ，轉換時間為32S； 一般功耗僅為15mW； 8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝； 商用級芯片溫寬為0C to +70C，工業級芯片溫寬為40C to +85C； 芯片頂視圖：芯片接口說明： CS_ 片選使能，低電平芯片使能。 CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。 CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。 GND 芯片參考0 電位（地）。 DI 數據信號輸入，選擇通道控制。 DO 數據信號輸出，轉換數據輸出。

26、CLK 芯片時鐘輸入。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。第四章 軟件設計一、軟件設計說明 在進行微機控制系統設計時，除了系統硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機控制系統設計中占重要地位。對于本系統，軟件更為重要。 在單片機控制系統中，大體上可分為數據處理、過程控制兩個基本類型。數據處理包括：數據的采集、數字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產。 為了完成上述任務，在進行軟件設計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質上就是所完成一定功能，

27、相對獨立的程序段，這種程序設計方法叫模塊程序設計法。模塊程序設計法的主要優點是：1、單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調試；2、模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務在不同條件下調用；3、模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序，為設計者提供方便。本系統軟件采用模塊化結構，由主程序定時子程序、避障子程序中斷子程序顯示子程序調速子程序算法子程序構成。二、任務流程圖和模塊框圖第五章 系統功能和調試一、測試方法與儀器（一）測試儀器測試儀器包括秒表、數字萬用表、精度米尺，直流穩壓電源等。（二）測量方法1、用精度米尺按要求測量好平板的長度寬度，確保平板長度為10cm X 6cm。2、用數字萬用表對電路每個

28、輸出端進行測量保證電路不出任何問題。二、系統功能 通過各硬件與軟件模塊使單擺在擺動的過程中，讓步進電機通過傳感器對角度的感應來調整平板與水平面的角度從而實現平板始終保持與水平面齊平。第六章 總結 本設計首先分析了STC89C51單片機、L297、L298N驅動電路以及步進電機的基本原理和特點，其次逐步分析各自的連接原理及步進電機實現啟停、加速、轉向、位置控制的方案，接著綜合性地闡述整個系統的設計思路及組成框圖。該系統主要是通過寫入單片機中的程序進行控制，從I/O口輸出控制脈沖，經過L297、L298N驅動電路進行處理，輸出能直接控制步進電機的信號，但具有一定的測量精度，其方法的最大優點是軟件簡

29、單、計算量小、轉換速度快。致謝 參考文獻1 陳海宴，51單片機原理與應用 北京航空航天出版社2 張義和 例說51單片機（C語言版）（第3版）人民郵電出版社3 何希才,新型實用電子電路400例,電子工業出版社,2000年,60654 趙負圖,傳感器集成電路手冊,第一版,化學工業出版社,2004,5905915 陳伯時,電力拖動自動控制系統,第二版,北京:機械工業出版社,2000年6月,1271306 張毅剛,彭喜元,新編MCS-51 單片機應用設計,第一版,哈爾濱工業大學出版社,2003,2527,411417附錄A 程序清單PUSH A ；保護現場 MOV R4，#N ；設置步長計數器 CLR C ；轉向標志為1，轉移ORL C,D5HJC ROTEMOV R0,#20H ；正轉控制字首址AJMP LOOPROTE: MOV R0,27H ；反轉控制字首址LOOP: MOV A，R0MOV P1，A ；輸出控制脈沖ACALL DLY ；調用延時程序INC R0 ；控制字存儲地址增1MOV A，#00H. ORL A，R0 ；是結束標志轉移JZ TPL LOOP1： DJNZ R4，LOOP ；步數不為0，轉移POP ARERTPL： MOV A，R0 ；恢復控制字首址CLR CSUBB A，#06HMOV R0，AAJMP LO