【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)平衡系統(tǒng) 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 基于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)平衡系統(tǒng) 摘 要 本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為目的，采用 89C52單片機(jī)為控制， 利用角度傳感器，跟蹤單擺的角度來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)平木板與地面保持水平的功能。我們利用步進(jìn) 電機(jī)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(dá)到各項(xiàng)功能。ST6 器件采用 16 引腳到 28 引腳封裝，內(nèi)部集成了 1 到 4KB 的 OTP（一次性可編程）或 ROM 存儲(chǔ)器。最高工作電壓 30V 方案二 ：采用北京中西泰技術(shù)服務(wù)有限公司所產(chǎn) GC03WDS36A90d 。（標(biāo)準(zhǔn)）可選 】。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般還應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象。通過編程就可以讓舵機(jī)從 90 度變化到 +90 度。 五、電源模塊 方案一 ：鉛酸電池供電，優(yōu)點(diǎn)電流大，缺點(diǎn)重量太沉。 L298芯片 是一種高壓、大電流雙 H 橋式驅(qū)動(dòng)器。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘（ CLK）輸入端輸入時(shí)鐘脈沖 ， DO/DI 端則使用DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。 晶振電路給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，這里選擇的晶振頻率為 ，外接兩個(gè)諧振電容。 在此設(shè)計(jì)圖中使用直通接法，數(shù)據(jù)傳輸過程如下： MAX232 的 10 腳 T1IN 接單片機(jī)的 TXD 端 ,TTL 電平從 單片機(jī)的 TXD 端發(fā)出，經(jīng)過 MAX232 轉(zhuǎn)換成 RS232 電平后從 MAX232 的 7 腳 T2out 發(fā)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(jī)的串口座的第 2 腳 RXD 端，直至計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)。由變換器產(chǎn)生 4個(gè)輸出信號(hào)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。引腳 4 為SUPPLY VOLTAGE Vs，即驅(qū) 動(dòng)部分輸入電壓。在可設(shè)計(jì)中就將它們大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 直接接地 。 8位分辨率； C to +70176。 CH1 模擬輸入通道 1， 或作為 IN+/使用。 CLK 芯片時(shí)鐘輸入。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。 二、系統(tǒng)功能 通過各硬件與軟件模塊使單擺在擺動(dòng)的過程中，讓步進(jìn)電機(jī)通過傳感器對(duì)角度的感應(yīng)來調(diào)整平板與水平面的角度從而實(shí)現(xiàn)平板始終保持與水平面齊平。該系統(tǒng)主要是通過寫入單片機(jī)中的程序進(jìn)行控制，從 I/O口輸出控制脈沖，經(jīng)過 L29 L298N驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行處理，輸出能直接控制 步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)，但 具有一定的測量精度，其方法的最大優(yōu)點(diǎn)是軟件簡單 、 計(jì)算量小 、 轉(zhuǎn)換速度快。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。 GND 芯片參考 0 電位（地）。C to +85176。 輸入輸出電平與 TTL/CMOS相兼容； 由于本芯片的工作電流比較大，發(fā)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。 它的引腳 2， 3， 13， 14 為 L298N 芯片輸入到電動(dòng)機(jī)的輸出端，其中引腳 2 和 3 能控制兩相電機(jī)，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，即可控制一個(gè)電動(dòng)機(jī)。 每個(gè)斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的 脈沖調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載電流提高時(shí)檢測電阻上的電壓相對(duì)提高，當(dāng)電壓達(dá)到Uref 時(shí) (Uref 是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的 )，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個(gè)振蕩脈沖到來、此線路的輸出 (即觸發(fā)器 Q 輸出 )是一恒定速率的 PWM 信號(hào)， L297的CONTROL 端的輸入決定斬波器對(duì)相位線 A， B， C， D 或抑制線 INH1和 INH2起作用。 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(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生 4相控制信號(hào)，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八 拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。 單片機(jī) :一片 AT89S51/52 或其他 51 系列兼容單片機(jī)特別注意 :對(duì)于 31 腳 (EA/Vpp),當(dāng)接高電平時(shí) ,單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部 ROM 的 0000H 開始執(zhí)行 。在第二、三個(gè)脈沖下沉之前 DI 端應(yīng)輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。利用單片機(jī)的并行 I/O 口的部分引腳（ ~）連接驅(qū)動(dòng)芯片，各個(gè)端口直接與驅(qū)動(dòng)芯片 L297 直接相連， L297 與 L298N 共用一個(gè) +5V 的電源，輸出 +36V 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓； L298N 的 1 14 四個(gè)輸出引腳直接與四相四拍的步進(jìn)電機(jī)相連。 經(jīng)比較，我們選擇方案二，用兩組 9V 電池組串聯(lián)給步進(jìn)電機(jī)供電，其中一組經(jīng)LM6210 轉(zhuǎn)換后給控制器、傳感器等模塊使用。傾斜度在 20176。步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象。 在滿足設(shè)計(jì)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。% （ 177。我們歸類了以下幾個(gè)方案： 方案一 ：采用 北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司生產(chǎn)的 GC03SP20xx，機(jī)械角度： 360176。在熟悉好各芯片的性能特點(diǎn)后，接下來就是分配好各芯片的控制任務(wù) 。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法及測試結(jié)果分析。本設(shè)計(jì)針對(duì)目前各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)化的需要，采用 STC89C51單片機(jī)與 L297， L298N驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)獨(dú)立工作，將它應(yīng)用于各種復(fù)雜的控制領(lǐng)域，能使許多半自動(dòng)控制的系統(tǒng)完全成為真正的全自動(dòng)，特別是用在機(jī)器人等領(lǐng)域，能極大的提高生產(chǎn)力和降低勞動(dòng)強(qiáng)度。 二、控制器模塊 方案一 ：采用 ATMEL 公司的 STC89C52RC。%。C） ，溫度系數(shù) 400ppm/176。 在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。但偏心輪的缺點(diǎn)是不善于傳遞動(dòng)力。舵機(jī)的速度決定于給予它的信號(hào)脈寬的變化速度。 下 圖為 L297和 L298組成的控制驅(qū)動(dòng)器的線路圖。但由于 DO 端與 DI 端在通信時(shí)并未同時(shí)使用并與單片機(jī)的接口是雙 向的，所以在I/O 口資源緊張時(shí)可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 五、單片機(jī)最小系統(tǒng) （一）單片機(jī)主模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng) ,或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng) ,是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng) .對(duì) 51 系列單片機(jī)來說 ,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括 :單片機(jī)、 電源、 晶振電路、復(fù)位電路 .下面給出一個(gè) 51 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電 路圖。所以，采用此芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V 電源就可以了。 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。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè) H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A 以下的電機(jī)。引腳 5， 7， 10， 12 為單片機(jī)輸入到 L298N 芯片的輸入引腳。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 一般功耗僅為 15mW； 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 二、任務(wù)流程圖和模塊框圖 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第五章 系統(tǒng)功能和調(diào)試 一、測試方法與儀器 （一）測試儀器 測試儀器包括秒表、數(shù)字萬用表、精度米尺，直流穩(wěn)