基于步进电机的自动平衡系统毕业论文

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，STC89C52RC

Abstract

The system requirements for the purpose of a design, using 89C52 microcontroller to control the 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 focuses on the system hardware design and test results. Keywords: angle sensor, stepper motor, STC89C52RC

目录Abstract (2)

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 (22)

参考文献 (23)

附录A 程序清单 (24)

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，L298N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STC89C52RC。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，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：采用中西远大科技生产的GC03-SP2000，机械角度：360°线性度±0.5%，±0.2%。额定功率2W（70°C）。最高工作电压30V

方案二：采用中西泰技术服务所产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（70°C），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：采用自己制作的由一个47KΩ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。