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1、大学本科毕业设计（论文）毕业设计论文基于步进电机的自动平衡系统基于步进电机的自动平衡系统摘 要本系统以设计题目的要求为目的，采用89C52单片机为控制，利用角度传感器，跟踪单摆的角度来控制步进电机转的角度，实现平木板与地面保持水平的功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。关键词：角度传感器，步进电机，STC89C52RCAbstract The system requirements for the purpose of a design, using 89C52 microcontroller to control t
2、he use 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 foc
3、uses on the system hardware design and test results. Keywords: angle sensor, stepper motor, STC89C52RC目 录Abstract2目 录3第一章 前言4第二章 方案设计与论证5一、实现方法与框架5（一）实现方法5（二）系统设计框架5二、控制器模块5三、角度检测模块6四、角度调整模块6五、电源模块7第三章 电路硬件设计8一、步进电机驱动系统8（一）L297与单片机接口图8（二）步进电机驱动电路8二、角度传感器9三、AD 转换系统9四、硬件支架图10五、单片机最小系统11（一）单片机主模块11（二）通
4、讯模块13六、其他元器件简介13（一）L297的工作原理介绍13（二）L298N引脚图15（三）L297/L298组合应用实例16（四）ADC8032资料16第四章 软件设计17一、软件设计说明17二、任务流程图和模块框图19第五章 系统功能和调试20一、测试方法与仪器20（一）测试仪器20（二）测量方法20二、系统功能20第六章 总结21致谢22参考文献23附录A 程序清单241第一章 前言 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的控制电机。目前，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电机的发展。本设计针对目前各个领域对自动化的需要，采用STC89C51单片机与L297，L
5、298N驱动芯片驱动多台步进电机同时独立工作，将它应用于各种复杂的控制领域，能使许多半自动控制的系统完全成为真正的全自动，特别是用在机器人等领域，能极大的提高生产力和降低劳动强度。由于步进电机具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。 第二章 方案设计与论证一、实现方法与框架（一）实现方法 本题要求做一个单摆，摆杆不得受重力以外的任何外力控制，在单摆被给任意角度后，做自由摆动，期间，单摆下部的平板时刻保持与水平面平衡。我们利用步进电机与角度传感器来保持下部的平板始终保持与水平面齐平，从而达到各项功能。（二）系统设计框架 本设计的目的是实现单
6、片机能能控制步进电机的起/停、转向、加/减速和位置控制。在熟悉好各芯片的性能特点后，接下来就是分配好各芯片的控制任务。单片机主要完成脉冲的分配，使步进电机按照设定的方式运转，通过程序设定，从单片机的I/O口输出一系列有规律的脉冲信号；由于直接输出的脉冲信号驱动功率有限，很难直接驱动步进电机运转，所以必须经过驱动器进行脉冲放大，本设计采用的L297与L298N芯片能解决这个问题，它可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机。利用单片机程序分配好控制字的存储单元，以及相应的内存地址赋值，使单片机能控制步进电机的起停、换向顺序、速度和位置变化。二、控制器模块方案一：采用ATMEL 公司的STC89
7、C52RC。52单片机价格便宜，应用广泛，但是功能单一，如果系统需要增加语音播报功能，还需外接语音芯片，实现较为复杂；另外52 单片机需要仿真器来实现软硬件调试。方案二：采用8位ST62T系列，ST6系列一直以来都是面向简单强劲的成本敏感型应用的安全并受到广泛欢迎的选择，其中包括家庭应用、数字消费类设备和电机控制。ST6器件采用16引脚到28引脚封装，内部集成了1到4KB的OTP（一次性可编程）或ROM存储器。 根据本题的要求，我们选择第一种方案三、角度检测模块 角度检测模块在这个系统中起到了绝对重要的作用，由于单摆的过程中角度的变化以及变化的速度都是不同的，为了让步进电机跟随单摆而不停的改变
8、平板的角度实现平板与水平面齐平。我们归类了以下几个方案：方案一：采用北京中西远大科技有限公司生产的GC03-SP2000，机械角度：360线性度 0.5% ，0.2%。额定功率 2W（70C）。最高工作电压 30V方案二：采用北京中西泰技术服务有限公司所产GC03-WDS36-A-90d 。输出信号 4-20 mA （另有0-5V/0-10V输出可选），工作电压 12-24V DC，线性度 0.5% （0.2%，0.1%高精度需说明），额定功率 2W（70C），温度系数 400ppm/C，绝缘电压 750V，电气角度 90【30，60，90，180，300，345（标准）可选 】。方案三：采用
9、自己制作的由一个47K 的电位器加一个电压跟随器，型号OP177和ADC0832组合单摆的轴承，通过电压的改变来确定单摆摆过平衡位置的角度。在满足设计要求的前提下，考虑到接口、安装方便等因素,我们选择了方案三。四、角度调整模块方案一：选用步进电动机调整倾斜角度，使平台平衡，步进电机步距角一般为3.6、 1.8， 在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般还应采用阻尼技术来克服低频振动现象。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时
10、会急剧下降。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。运用步进电机，需要与伸缩杆连用，步进电机控制伸缩杆伸缩来达到调整角度的目的。方案二：选用偏心轮带动桌面从而来调整倾斜角度当单片机把桌面倾斜的信息传给偏心轮，偏心轮带动桌面做回转运动，以此来调整角度。但偏心轮的缺点是不善于传递动力。方案三：选用金属齿轮微型舵机调整桌面的倾斜舵机具有以下一些特点：1) 体积紧凑，便于安装； 2) 输出力矩大，稳定性好； 3) 控制简单，便于和数字系统接口，用单片机来控制。 舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，因为在脉冲信号的输出可以用定时器的溢出中断函
11、数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。通过编程就可以让舵机从-90度变化到+90度。题目中对于角度精度的要求是3。倾斜度在20范围之内。所以金属微型舵机完全能够满足题目要求。舵机的速度决定于给予它的信号脉宽的变化速度。将脉宽变化值线性到要求的时间内，一点一点的增加脉宽值，就可以控制舵机的速度。 因此，我们选择方案三。五、电源模块方案一：铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。方案二：电池组供电，可提供800mAh电流，重量很轻。经比较，我们选择方案二，用两组9V电池组串联给步进电机供电，其中一组经LM6210转换后给控制器、传感器等模块使用。第三章 电路硬件设计一、步进电机驱动
12、系统（一）L297与单片机接口图（二）步进电机驱动电路L297加驱动器组成的步进电机控制电路具有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且计算机(或单片机)硬件 费用大大减少。L297与L298配合使用控制双极步进电机工作电流可达2.5A；如与L293E配套使用，步进电机绕组电流。下图为L297和L298组成的控制驱动器的线路图。L297的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻计算机(或单片机)和程序设计的负担。L298芯片是一种高压、大电流双H桥式驱动器。系统的总电路设计如下图所示，此电路由STC89C51、L297、L298N、4相
13、4拍步进电机器以及相关的电路组成。利用单片机的并行I/O口的部分引脚（P0.0P0.6）连接驱动芯片，各个端口直接与驱动芯片L297直接相连，L297与L298N共用一个+5V的电源，输出+36V的步进电机驱动电压；L298N的2、3、13、14四个输出引脚直接与四相四拍的步进电机相连。 二、角度传感器 采用自己制作的由一个47K 的电位器加一个电压跟随器（型号OP177）和ADC0832组合单摆的轴承，通过电压的改变来确定单摆摆过平衡位置的角度。三、AD 转换系统ADC0832 与单片机的接口电路： 正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由
14、于DO端与DI端在通信时并未同时使用并与单片机的接口是双向的，所以在I/O口资源紧张时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（CLK）输入端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能。四、硬件支架图 设计并制作一个自由摆上的平板控制
15、系统，其结构下图所示。摆杆的一端通过转轴固定在一支架上，另一端固定安装一台电机，平板固定在电机转轴上；当摆杆摆动时，驱动电机可以控制平板转动。五、单片机最小系统（一）单片机主模块单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、电源、晶振电路、复位电路.下面给出一个51单片机的最小系统电路图。说明1、复位电路:此处用RC谐振电路构成上电复位电路。当输入连续两个机器周期以上高电平有效时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作，复位后，单片机从新开始执行程序。2、晶振电路给单片机提供时钟信号，这里选择的晶振频率为11.0592MHz，外接两个谐振电容。该电容选择30pF。3、单片机:一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行.因此可以看出,其实要熟悉5
