基于Proteus的步进电机的设计仿真.docx
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基于Proteus的步进电机的设计仿真
基于Proteus的步进电机的设计仿真
状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、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)ProteusISIS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:
①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。
②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、1C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。
③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。
④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。
2.2STC8951单片机
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ATMELSTC89C51RC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2-2 8051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(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8051CPU
2.工作电压:
5.5V-3.4V(5V单片机)
3.工作频率范围:
0-40MHz相当于普通8051的0-80MHz实际工作频率可达48MHz
4.用户应用程序空间4K
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口(32个),复位后为:
Pl/P2/P3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。
7.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.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,PowerDown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(UART),还可用定时器软件实现多个UART
14.工作温度范围:
0–75℃/-40-+85℃
15.封装:
LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44
2.2.3结构概览
STC89C51RC的结构如下图2-3所示。
图2-3STC89C51RC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PDIP-40,它的排列如图2-4所示
图2-4STC89C51RC引脚原理图
图2-5STC89C51RC实物图
在40个引脚功能说明如表2-1所示。
表2-1STC89C51RC管脚功能说明
VCC(40脚)
+5V电源输入
VSS(20脚)
接地
P0口(39~32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(1~8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(P1.1/T2EX)
P1.0T2(外部计数投入定时器/计数器2),时钟输出
P1.1T2EX(定时器/计数器2捕捉/重载触发和方向控制)
P2口(21~28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(10~17脚)
P3口是具有双重功能的8位接口
P3.0RXD(串行输入端口)
P3.1TXD(串行输出端口)
P3.2INT0(外部中断0,低电平有效)
P3.3INT1(外部中断1,低电平有效)
P3.4T0(定时器0外部输入)
P3.5T1(定时器1外部输入)
P3.6WR(外部数据存储器写选通,低电平有效)
P3.7RD(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+5V备用电源,则当VCC掉电时,该备用电源可保护片内RAM中的信息。
XTAL1(19脚)
XTAL2(18脚)
外部晶体连线,片外石英晶体连与此二端与片内电路构
成振荡器。
EA(31脚)
允许访问片外ROM/编程高电压引线。
当EA=1时,访问片内ROM;若EA=0,访问片外ROM
ALE(30脚)
地址锁存。
当P0口工作在第二功能时,从该口可以送出A0~A7和传送D0~D7,利用ALE可以将A0~A7锁存在地址
锁存器。
PSEN(29脚)
片外ROM选通信号,常用作片外ROM的读控制信号,低电
平有效。
2.3ULN2003A介绍
ULN2003
高耐压、大电流达林顿管IC—ULN2003概述与特点
图2-5ULN2003A实物图
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点如下:
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路
直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还
可以在高负载电流并行运行。
ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。
图2-6方框图
图2-7封装外形图
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,可用来驱动继电器。
它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。
ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA,饱和压降VCE约1V左右,耐压BVCEO约为36V。
用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。
采用集电极开路输出,输出电流大,故可直接驱动继电器或固体继电器,也可直接驱动低压灯泡。
通常单片机驱动ULN2003时,上拉2K的电阻较为合适,同时,COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是一个非门电路,包含7个单元,但独每个单元驱动电流最大可达350mA,9脚可以悬空。
比如1脚输入,16脚输出,你的负载接在VCC与16脚之间,不用9脚。
uln2003的作用:
ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。
可直接驱动继电器等负载。
输入5VTTL电平,输出可达500mA/50V。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点如下:
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。
ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
2.4复位电路和时钟电路
图2-8复位电路图2-9时钟电路
2.5整个电路的原理
步进电机控制的最大特点是开环控制,不需要反馈信号。
因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。
由单片机实现的步进电机控制系统如图所示。
图2-10系统原理图
第三章软件系统设计
软件部分采用模块化结构设计。
对步进电机转速的控制是通过定时器工作在中断方式实现的。
定时器定时中断产生周期性脉冲序列,不是采用软件延时的方式,这样不占用CPU的时间。
CPU在非中断时间内可以处理其他事件,只有在中断发生时才驱动步进电机转动一步。
根据步进电机励磁状态转换,采用查表法求出所需的输出状态,并以二进制码的形式依次存入单片机内部的存储器中;然后按照正向或反向顺序依次取出地址的状态字,送给STC12C4052AD,输出各励磁状态,从而实现环形分配器的功能。
3.1电路流程图
图3-1电路流程图
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