根據(jù)Proteus的步進電機的設(shè)計仿真

1、目錄 目錄 . 1 摘要 . 2 第一章Proteus繪制仿真原理圖 . 3 1.1 Proteus 簡介 . 3 1.2 Proteus ISIS 簡介 . 3 第二章硬件電路設(shè)計 . 4 2.1步進電機 . 5 2.1.1 步進電機簡介 . 5 2.1.2步進電機的特點 . 5 2.2 STC8951 單片機 . 6 2.2.1 總述 . 6 2.2.2 性能 . 6 2.2.3結(jié)構(gòu)概覽 . 7 2.2.4芯片的引腳排列和說明 . 8 2.3 ULN2003A 介紹 . 10 2.4 復(fù)位電路和時鐘電路 . 11 2.5整個電路的原理 . 12 第三章軟件系統(tǒng)設(shè)計 . 13 3.1電路流程

2、圖 . 13 第四章電路仿真 . 13 4.1 Proteus 原理圖繪制過程 . 13 4.2 仿真設(shè)置 . 16 第五章 硬件電路的制作與調(diào)試 . 19 5.1焊接準(zhǔn)備與注意事項 . 19 5.2單片機程序?qū)懭?. 20 5.3硬件安裝 . 21 5.4硬件調(diào)試 . 22 總結(jié) . 23 參考文獻. 24 附錄（程序） . 25摘要 步進電機廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機床的制造中， 因為步進電機不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認為 是理想的數(shù)控機床的執(zhí)行元件。本設(shè)計利用 proteus仿真軟件進行電路仿真，系統(tǒng)通過 設(shè)置四個按鍵分別控制

3、不進電機的起止、圈數(shù)、方向、不進速度，使用 1602液晶顯示 以上參數(shù)。整個系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，實用性強，操作界面友好等優(yōu)點。本文應(yīng)用單片機、 步進電機驅(qū)動芯片、字符型 LCD和鍵盤陣列，構(gòu)建了集 步進電機控制器和驅(qū)動器為一 體的步進電機控制系統(tǒng)。二維工作臺作為被控對象通過步進電機驅(qū)動滾珠絲桿在 X/Y軸 方向聯(lián)動。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補方法和步進電機變頻調(diào) 速的方法。步進電機控制系統(tǒng)的開發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法，可以有效地減少系 統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。最后給出了步進電機控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。 第一章 Proteus 繪制仿真原理圖 1.1 Proteus 簡介 Prot

4、eus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Window操作 系統(tǒng)上， 可以仿真、分析(SPICE各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是： 實現(xiàn)了單片機仿真 和SPIC電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其夕卜圍電路組成的系統(tǒng)的仿 真、RS23動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如 示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有:68000 系列、8051系列、AVRg列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC1系列以及各種 外圍

5、芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可 以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持 第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51uVision2等軟件。具有強大的原理圖繪制功能。總之， 該軟件是一款集單片機和SPIC分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。 1.2 Proteus ISIS 簡介 (1) Proteus ISIS 的編輯環(huán)境 1)雙擊桌面上的ISIS 6 Professi onal 圖標(biāo)或者單擊屏幕左下方的“開始 “程序” “ Proteus 6 Professional ” “ ISI S

6、 6 Professional ”，出現(xiàn)如圖 1-1 所示屏幕，表明進入Proteus ISIS 集成環(huán)境。 圖1-1啟動時的屏幕 Proteus ISIS的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的 Wind主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、 狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對象 OBUTITLID -1313 FwftMiLMiol 選擇器窗口、圖形編輯窗口。 ows界面，如圖1-2所示。包括： Eik Qdil Ltr-arj.1 Cw-Gtl G ejJ 丨KIM型煌昌站|也 巾 z 將毛超諾出LJLJI蛍#黠 .1 0 2 四 標(biāo)苗T縣臂 c 廠芳* l 卜 I 1

7、iLi I .1 |Ro#i 、y KDO IK J1 預(yù)塚按方位時帳和 1 懇欄 圖1-2工作界面 (2) Proteus ISIS 的特點 Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的電路分析實物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和 IC ,并支 持單片機，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機軟件仿真系統(tǒng)。該軟件的特點： 全部滿足我們提出的單片機軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。 具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS 一 232 動態(tài) 仿真、1 C 調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器

8、，如示波器、邏輯 分析儀、信號發(fā)生器等。 目前支持的單片機類型有： 68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、 PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各種外圍芯片。 支持大量的存儲器和外圍芯片。總之該軟件是一款集單片機和 SPICE 分析于一身的仿真軟 件，功能極其強大 ，可仿真 51、AVR、PIC。 第二章硬件電路設(shè)計 對象造涔窗可 OBUTITLID -1313 FwftMiLMiol 電路總體結(jié)構(gòu) 整個設(shè)計以STC89C5仲片機為中心，由復(fù)位電路，時鐘電路，電機驅(qū)動，步進電 機等組成，硬件模塊如圖2-1所示; 圖2-1硬件模塊圖 2

9、.1 步進電機 2.1.1步進電機簡介 步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件， 它實際上是 一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小， 其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。 使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在 經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電動機各 相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角） 。 正常情況下，步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖 時，電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格

10、的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的 影響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。 2.1.2步進電機的特點 1. 一般步進電機的精度為步進角的 3-5%，且不累積。 2 步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至失 步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來 講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130度以上，有的甚至高達攝氏 200度以上，所 以步進電機外表溫度在攝氏 80-90度完全正常。 3 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率

11、越高 反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小， 從而導(dǎo)致力矩下降。 4 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn) ，但若高于一定速度就無法啟動 ，并伴有嘯叫聲。 2.2 STC8951 單片機 2.2.1總述 在此嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，主要用單片機進行控制現(xiàn)場，故采用目前最普遍、較便 宜的 ATMEL STC89C51RC片機。 該系列單片機是采用高性能的靜態(tài) 80C51設(shè)計。由先進CMO工藝制造并帶有非易失性 Flash程序存儲器。全部支持12時鐘和6時鐘操作。其8051的內(nèi)部功能模塊如圖2-2 所示。 P0 P1 P2 P3 串行通信 中斷輸入 圖2-2 8051的內(nèi)部功能模

12、塊圖 STC89C51R包含512字節(jié)RAM、32條I/O 口線、3個16位定時/計數(shù)器、8輸入4 優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個串行I/O 口（可用于多機通信、I/O擴展或全雙工UART以 及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 此外，由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計，可提供很寬的操作頻率范圍（頻率可降至 0）?？蓪崿F(xiàn) 兩個由軟件選擇的節(jié)電模式、空閑模式和掉電模式。空閑模式凍結(jié) CPU但RAM定時 器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作。掉電模式保存 RAM勺內(nèi)容，但是凍結(jié)振蕩器，導(dǎo)致所有 其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計是靜態(tài)的，時鐘可停止而不會丟失用戶數(shù)據(jù)。運行 可從時鐘停止處恢復(fù)。 2.2.2性能 1增強型6時鐘/機器周期，1

13、2時鐘/機器周期8051 CPU 2. 工作電壓：5. 5V -3.4V （5V單片機） 3. 工作頻率范圍：0 -40 MHz相當(dāng)于普通8051的0 80MHZ實際工作頻率可達 48MHz 4. 用戶應(yīng)用程序空間4K 5. 片上集成512字節(jié)RAM 6. 通用I/O 口（ 32個），復(fù)位后為：P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O 口），P0 口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時， 需加上拉電阻。 7. ISP （在系統(tǒng)可編程）/IAP （在應(yīng)用可編程），無需專用編程器/仿真器,可通過串口 （P3. O/P3.1 ）直接下載用戶程序，

14、8K程序3秒即可完成一片 8. EEPRO功能 9. 看門狗 10. 內(nèi)部集成MAX81C專用復(fù)位電路（D版本才有），外部晶體20M以下時，可省外部復(fù) 位電路 11. 共3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器 0還可以當(dāng)成2個8位定時器使用 12. 外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電 平觸發(fā)中斷方式喚醒 13. 遁用異步串行口（ UART，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART 14. 工作溫度范圍： 0 - 75C/ -40 - +85C 15. 封裝：LQFP-44, PDIP-40，PLCC-44, PQFP-44 2.2.3結(jié)構(gòu)概覽 STC89

15、C51RC勺結(jié)構(gòu)如下圖2-3所示。 圖2-4 STC89C51RC引I腳原理圖圖2-3 STC89C51R（系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 224芯片的引腳排列和說明 STC89C51R共有40個引腳，封裝形式為PDIP 40,它的排列如圖2-4所示 IX IX IX IX IX IX IX IX pppppppp pppppppp R . TP 0 12 3 4 5 6 7 一一于壬一 一一1 2 4 2 3 3 3 4 3 5 8031 3 6 8051 3 7 3 78 8751 3 9 3 SX32 3 TlX51 3 W52 2 c 0.0 TXkL TXkL VSS 16R 2 1WD 2 18 2 1

16、9 2 2 0 2 pp p p p p p k/N LE/P SEN 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 ROG 圖 2-5 STC89C51R（實物圖 在40個引腳功能說明如表2-1所示 表2-1 STC89C51RC管腳功能說明 VCC（4（腳） +5V電源輸入 VSS（2（腳） 接地 P0口 （39 32腳） P0口是一個8位漏極開路雙向I/O端口。作I/O端口使 用時，需加上拉電阻。作為一個輸出端口，每個引腳作 為8個TTL輸入。 P0 口也可以配置為復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線，訪問外部程 序和數(shù)據(jù)存儲器。 P1 口 （1 8腳） P1 口是一個8位雙向I/O端口

17、的內(nèi)部上拉端口，此外， P1.0和P1.1可配置為定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入 （P1.0/T2 ）和定時器/計數(shù)器2觸發(fā)輸入 （P1.1/T2EX ） P1.0 T2（外部計數(shù)投入定時器/計數(shù)器2）,時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器2捕捉/重載觸發(fā)和方向控制） P2 口 （21 28 腳） P2口是一個8位雙向I/O端口的內(nèi)部上拉端口 P2 口也可以配置為復(fù)用地址總線，訪問外部程序和數(shù)據(jù) 存儲器,輸出地址的高8位 P3口 （10 17腳） P3口是具有雙重功能的8位接口 P3.0 RXD（串行輸入端口） P3.1 TXD（串行輸出端口） P3.2 INT0（外部中斷0,低電平有

18、效） P3.3 INT1（外部中斷1,低電平有效） P3.4 T0（定時器0外部輸入） P3.5 T1（定時器1外部輸入） P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通,低電平有效） RST（9腳） 復(fù)位/備用電源引線。當(dāng)該端加上超過24個時鐘的高電平 時，可使單片機復(fù)位；若在改引線上接+5V備用電源，貝U 當(dāng)VC（掉電時，該備用電源可保護片內(nèi)RAh中的信息。 XTAL1（19腳） XTAL2（18腳） 外部晶體連線，片外石英晶體連與此二端與片內(nèi)電路構(gòu) 成振蕩器。 EA（31 腳） 允許訪問片外ROM編程高電壓引線。當(dāng)EA=1時，訪問片 內(nèi)ROM若EA=0訪問片外ROM ALE（30腳） 地址鎖存。當(dāng)

19、P0口工作在第二功能時，從該口可以送出 A0A7和傳送D0D7,利用ALE可以將A0A7鎖存在地址 鎖存器。 PSEN（2腳） 片外ROM!通信號，常用作片外ROI的讀控制信號， 低電 平有效。 2.3 ULN2003A 介紹 ULN2003 高耐壓、大電流達林頓管 IC ULN2003概述與特點 圖2-5 ULN2003A實物圖 ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅 NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下： ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個 2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下 它能與TTL和CMOS電路 直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 UL

20、N2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達 500mA并且能夠在關(guān)態(tài)時承 受50V的電壓，輸出還 可以在高負載電流并行運行。 ULN2003采用DIP 16或SOF 16塑料封裝。 圖2-7封裝外形圖 ULN2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它 是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V, 適用于TTL COMS由達林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內(nèi)部還集成 了一個消線圈反電動勢的二極管 ，它的輸出端允許通過電流為 200mA飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓 BVCEO約為36V。用戶輸出口的外接

21、負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。 采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直 接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動 ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時， COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。 ULN2003是一個非門電路，包含 7個單元，但獨每個單元驅(qū)動電流最大可達 350mA 9腳可以懸空。 比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在 VCE 16腳之間，不用9腳。 uln2003的作用： ULN2003是大電流驅(qū)動陣列，多用于單片機、智能儀表、 PLC數(shù)字量輸出卡等 控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。 輸入5VTTL電平，輸出可達 500mA/50V。 ULN2003是高耐

22、壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。該電路 的特點如下：ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個 2.7K的基極電阻,在5V的工作 電壓下它能與TTL和CMOS!路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖 器。 ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品 ，具有電流增益高、工作電 壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 2.4 復(fù)位電路和時鐘電路 圖2-8復(fù)位電路 2.5 整個電路的原理 步進電機控制的最大特點是開環(huán)控制，不需要反饋信號。因為步進電機的運動不產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。 由單片機實現(xiàn)的步進電機控制系統(tǒng)如圖所示 圖2-10系統(tǒng)

23、原理圖4SV ；EA ej _ 11 _ ，RESET K SCSI R1 丄 S?!L 圖2-9時鐘電路 B； J心 PO J ADI PttJ-ADl P? 1 4 PDt WT P3 *血 M * B 2 AIS i A1+ 7 A-lT W * ID BEj_ri PJf匹 RD * * * 5 -4 - -Mrs 士 T=FHT 畑汕； lluEZ 燈AU 111 ms- KO A5 Pll A9 1 A All 第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。對步進電機轉(zhuǎn)速的控制是通過定時器工作在中斷方 式實現(xiàn)的。定時器定時中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列，不是采用軟件延時的方式，這樣不占

24、 用CPU的時間。CPU在非中斷時間內(nèi)可以處理其他事件，只有在中斷發(fā)生時才驅(qū)動步進 電機轉(zhuǎn)動一步。根據(jù)步進電機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換，采用查表法求出所需的輸出狀態(tài)，并以二 進制碼的形式依次存入單片機內(nèi)部的存儲器中； 然后按照正向或反向順序依次取出地址 的狀態(tài)字，送給STC12C4052AD輸出各勵磁狀態(tài)，從而實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能。 3.1 電路流程圖 圖3-1電路流程圖 第四章電路仿真 4.1 Proteus 原理圖繪制過程 1 進入工作界面，打開ProteusISIS編輯環(huán)境，按表1-1所列的元件清單添加元件 元件名稱 所屬類 所屬子類 STC89C51 Microproccessor ICs 805

25、1 Family CAP Capacitors Gen eric XAP-POL Capacitors Gen eric CRYSTAL Miscella neous - RES Resistors Gen eric BUTTON Switches&Relays Switches MOTOR-STEPPER Electromecha nical - ULN2003A An alog ICs Miscella neous 表4-1 2 .在如圖4-2所示的元件庫中添加表4-1中的元件 St p4 ul De 圖4-2元件庫r PI Lndk R=a RAAPI. Desies Jbrav

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31、IS的編輯區(qū)域中畫出如圖4-4所示的原理圖 * I卜 F .V沁. 圖5-1 RF-X1開發(fā)板 i 9 9 電容 20pF 2 按照元件清單取得所有電路中用到的硬件，并將事先寫好程序的單片機 AT89C51以 及A/D轉(zhuǎn)換ADC0809及其他的一些控制器件進行焊接連接! 5.4 硬件調(diào)試 所有硬件安裝好后我們開始運行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果如圖 5-3所示 圖5-3硬件電路調(diào)試 總結(jié) 在整個畢業(yè)設(shè)計過程中， 我學(xué)到很多東西， 并且讓我意識到自己對單片機方面的知 識了解的還不夠，對于書本上的很多知識還不能靈活運用，尤其是對程序設(shè)計語句的理 解和運用，不能夠充分理解每個語句的具體含義，導(dǎo)致編程的程序過于復(fù)雜，使得需要 的存儲空間增大。損耗了過多的內(nèi)存資源 通過此次畢業(yè)設(shè)計，我不僅將知識融會貫通，而且在查找資料的過程中也了解了許多 課外知識，開拓了視野，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了很大的提高，讓我 學(xué)會了理論到實踐的轉(zhuǎn)化，即如何將自己學(xué)到的運用到以后的生活和工作中，同時，也 讓我意識到團隊精神的重要性。 此外，感謝王老師的悉心教導(dǎo)以及同學(xué)的幫助，正是王老師細心的輔導(dǎo)和提供的一些 參考資料還有同學(xué)們的互相幫助，讓我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計，相信這對我以后的生活 和工作都會有很大的幫助 參考文獻 1 謝自美電子線路