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1、基于proteus的步进电机控制系统设计与仿真目录目录1摘要2第一章 Proteus绘制仿真原理图31.1 Proteus简介31.2 Proteus ISIS简介3第二章 硬件电路设计42.1 步进电机52.1.1 步进电机简介52.1.2 步进电机的特点52.2 STC8951单片机62.2.1 总述62.2.2 性能72.2.3 结构概览72.2.4 芯片的引脚排列和说明82.3 ULN2003A介绍102.4 复位电路和时钟电路112.5 整个电路的原理12第三章 软件系统设计123.1 电路流程图13第四章 电路仿真134.1 Proteus原理图绘制过程134.2 仿真设置16第五
2、章 硬件电路的制作与调试195.1焊接准备与注意事项195.2单片机程序写入205.3 硬件安装215.4硬件调试22总结23参考文献24附录（程序）25摘要步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。本设计利用proteus仿真软件进行电路仿真，系统通过设置四个按键分别控制不进电机的起止、圈数、方向、不进速度，使用1602液晶显示以上参数。整个系统具有稳定性好，实用性强，操作界面友好等优点。本文应用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列，构建了集 步
3、进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。文中讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。步进电机控制系统的开发采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效地减少系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机控制系统的应用实例。第一章 Proteus绘制仿真原理图1.1 Proteus简介Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合
4、。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVis
5、ion2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。1.2 Proteus ISIS简介（1）Proteus ISIS的编辑环境1）双击桌面上的ISIS 6 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”“程序”“Proteus 6 Professional” “ISIS 6 Professional”，出现如图1-1所示屏幕，表明进入Proteus ISIS集成环境。图1-1启动时的屏幕Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Wind主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真
6、进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。ows界面，如图1-2所示。包括： 图1-2工作界面（2）Proteus ISIS的特点Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。该软件的特点： 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、1 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等
7、。 目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。第二章 硬件电路设计电路总体结构 整个设计以STC89C51单片机为中心，由复位电路，时钟电路，电机驱动，步进电机等组成，硬件模块如图2-1所示；图2-1 硬件模块图2.1 步进电机2.1.1 步进电机简介步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相
8、步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。2.1.2 步进电机的特点1.一般步进电机的精度为步进角
9、的3-5%，且不累积。2步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 2.2 STC8951单片
10、机2.2.1 总述在此嵌入式系统的设计中，主要用单片机进行控制现场，故采用目前最普遍、较便宜的ATMEL STC89C51RC单片机。该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计。由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash 程序存储器。全部支持12时钟和6时钟操作。其8051的内部功能模块如图2-2所示。图2-28051的内部功能模块图STC89C51RC包含512字节RAM 、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、8输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口（可用于多机通信、I/O扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（
11、频率可降至0）。可实现两个由软件选择的节电模式、空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存RAM的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据。运行可从时钟停止处恢复。2.2.2 性能1增强型6时钟机器周期，12时钟机器周期8051 CPU2工作电压：5. 5V -3.4V（5V单片机）3.工作频率范围：0 - 40 MHz相当于普通8051的 080MHz实际工作频率可达48MHz4.用户应用程序空间4K5.片上集成512字节RAM6通用I/O口（32个），复位后为： Pl/P2/P3
12、是准双向口弱上拉（普通8051传统I/O口）,P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。7ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器仿真器,可通过串口（ P3. O/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片8.EEPROM功能9看门狗10内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路11.共3个16位定时器计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用12.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒13.遁用异步串行口（U
13、ART），还可用定时器软件实现多个UART14.工作温度范围： 0 75-40 - +8515.封装：LQFP-44, PDIP-40，PLCC-44, PQFP-442.2.3 结构概览STC89C51RC 的结构如下图2-3所示。8051 CPU512字节SRAM4K Flash内置系统ISP监控程序IPA看门狗EEPROMData Flash集成MAX810专用复位电路UART（串口）3个定时器双数据指针高速A/D四个并行端口P0、P1、P2、P3图2-3 STC89C51RC系统结构2.2.4 芯片的引脚排列和说明STC89C51RC共有40个引脚，封装形式为PDIP40， 它的排列如
14、图2-4所示图2-4 STC89C51RC引脚原理图图2-5 STC89C51RC实物图在40个引脚功能说明如表2-1所示。表2-1 STC89C51RC 管脚功能说明VCC(40脚)+5V电源输入VSS(20脚)接地P0口(3932脚)P0口是一个8位漏极开路双向I/O端口。作I/O端口使用时，需加上拉电阻。作为一个输出端口，每个引脚作为8个TTL输入。 P0口也可以配置为复用地址/数据总线，访问外部程序和数据存储器。P1口(18脚)P1口是一个8位双向I/O端口的内部上拉端口，此外， P1.0和P1.1可配置为定时器/计数器2的外部计数输入（ P1.0/T2 ）和定时器/计数器2触发输入（
15、 P1.1/T2EX ）P1.0 T2(外部计数投入定时器/计数器2), 时钟输出P1.1 T2EX (定时器/计数器2捕捉/重载触发和方向控制)P2口(2128脚)P2口是一个8位双向I/O端口的内部上拉端口P2口也可以配置为复用地址总线，访问外部程序和数据存储器,输出地址的高8位P3口(1017脚)P3口是具有双重功能的8位接口P3.0 RXD(串行输入端口)P3.1 TXD(串行输出端口)P3.2 INT0(外部中断0,低电平有效)P3.3 INT1(外部中断1,低电平有效)P3.4 T0(定时器0外部输入)P3.5 T1(定时器1外部输入)P3.6 WR(外部数据存储器写选通,低电平有效)P3.7 RD(外部数据存储器读选通,低电平有效)RST(9脚)复位/备用电源引线。当该端加上超过24个时钟的高电平时，可使单片机复位；若在改引线上接+
