红外线控制步进电机的毕业设计说明书

1 设计说明1.1 直流电机概述[18]在电气时代的今天,电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。

无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天中，还是日常生活的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。

据资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。

电动机与人们的生活息息相关，密不可分。

而直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。

长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。

由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其他电动机（如交流变频电动机、步进电动机等）的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的最优先选择。

近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。

随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制（PWM）控制方式已成为绝对主流。

这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。

图1是一个最简单的直流电动机模型。

在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。

这个转动的部分通常叫做电枢。

线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。

换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。

A和B 是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。

来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。

图1：直流电动机模型当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。

这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。

我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。

当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图2（b）所示。

这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。

因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。

由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。

图2：换向器在直流电机中的作用1.2 系统工作过程图3为系统原理总框图，总体方案确定后，经过一段时间的设计流程，流程图如图4所示：搜索资料↓原理分析↓应用Protel制作原理图↓将原理图转换成PCB↓装配元件，进行焊接，完成实物↓应用KEIL C51编写程序，进行调试↓完成设计目标图3：系统设计流程系统的连接情况：ST89C52单片机的P0口连接数码管的a-h、P1.0-P1.3连接数码管的四个位选端，P1.4，P1.5连接H桥PWM功率放大电路的两端、系统的工作工作：（1）按加速控制键，电机转速加快。

（2）按减速控制键，电机转速减慢。

1.3 系统资源单片机直流电机调速系统资源主要包括硬件资源和软件资源，分别介绍如下。

1.硬件部分：（1）PWM波形整形电路。

（2）LCD1602显示电路。

（3）PWM功率放大电路。

2.软件部分：（1）主程序。

（2）2个中断子程序。

（3）显示子程序。

2 系统芯片选择2.1 ST89C52单片机2.1.1 单片机的现状及发展趋势[14]单片机诞生于20世纪70年代，所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。

以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。

在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。

这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。

所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多人来接受它、使用它。

据统计，我国的单片机年容量已达 1—3 亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。

特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。

所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。

目前，单片机外围电路正朝着单片集成化、数字化、智能化、多功能、微功耗、高可靠性的方向发展。

2.1.2 单片机选型只要是MCS－51系列兼容单片机都符合本设计的要求。

本设计选用AT89S52。

由ATMEL 公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在线系统可编程Flash，使得ST89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

ST89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。

ST89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

2.1.3 ST89C52管脚说明[19]其芯片引脚图如下：图4：ST89C52引脚图2.1.4 ST89C52功能特性[11]它的功能特性主要包括：·增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051 CPU。

·工作电压：5.5V – 3.4V（5V单片机） / 3.8V – 2.0V（3V单片机）。

·工作频率范围：0 – 4 MHz，相当于普通8051的 0 – 80MHz。

实际工作频率可达48MHz。

·用户应用程序空间 4K / 8K 13K / 16K / 20K / 32K / 64K 字节。

·片上集成 1280 字节 / 512字节RAM。

·通用I/O口（32/36个），复位后为： P1/P2/P3/P4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。

·ISP（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（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8KI程序3秒即可完成一片。

·EEPROM功能。

·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。

·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。

·看门狗定时器。

·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。

·通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART。

·工作温度范围： 0 – 75 ℃ / -40 - +85℃。

·ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。

是一个强大易用的功能。

·具有双工UART串行通道。

·内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。

·双数据指示器。

·电源关闭标识。

·全新的加密算法，这使得对于89S52的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

·兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。

比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。

也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S52上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

ST89S52的功能完全满足本设计的要求，而且它支持ISP在线编程功能，方便调试程序。

2.2 L297和L298电机驱动2.2.1工作原理电机控制图如下所示：图5硬件组成：它由ST89C52单片机、光电耦合器、集成芯片L297和L298组成。

L297是步进电动机控制器（包括环形分配器），L298是双H桥式驱动器。

它们所组成的微处理器至双桥式步进电动机的接口如图6所示。

图6：步进电机控制驱动器部分原理图这种方式结合的优点是，需要的元件很少。

从而使得装配成本低，可靠性高和占空间少。

并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。

另外，L297和L298都是独立的芯片，所以应该是十分灵活的。

2.2.2 芯片软件组成该电路中，将P1.0口设为电机开始按钮，P1.1，P1.2，P1.3为速度按钮，速度由低到高，P1.4为电机停止按钮，并设三档速度的最高速度依次为500pps、1000pps、2000pps。

RXD,TXD已由MAX232电平转换接出串口。

此外，步进电机其启动，停止的频率较低，一般在100—250Hz之间，而最高运行频率要求较高，通常为1—3KHz，为使其在启动、运行和停止整个过程中，既不会失步，又能够尽快精确地达到目标位置，运行速度都要有一根加速—恒速—减速的工程。

这里采用常用的离散方法来逼近理想的近似梯形的降速曲线，如图5所示。

即利用定时器中断方式来不断改变定时器装载值的大小。