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1、职业技术学院 毕业设计基于L298N电机驱动模块的设计与实现系 部 电子信息工程系 专 业 名 称 电子信息工程技术 班 级姓 名学 号指 导 教 师 年 02 月 15 日基于L298N电机驱动模块设计与实现摘 要该设计实现了步进电机正传、反转、加速快转、减速慢转的功能，整个系统通过写入单片机中的程序分配好控制字的存储单元以及相应的内存地址赋值；启动系统后，从单片机的I/O口输出控制脉冲，经过L298N驱动电路对脉冲进行处理，输出能直接控制步进电机的脉冲信号，在此基础上，重新分配I/O资源，同时可增加驱动芯片L298N的个数，在负载能力范围允许内，还能实现多台步进电机独立正传、反转、加速快转
2、、减速慢转的控制。关键词： AT89C51；L298N；步进电机Based on L298N motor driver module design and implementation AbstractThis design realized step motor, reverse days, speeding up the turn fast, slow, slow turn function, the whole system by writing to the single chip microcomputer program allocation good control of the
3、 word and the corresponding storage unit of the memory address assignment; Reboot your system, from single chip I/O mouth output control pulse, after L298N driving circuit pulse processing, the output can directly control the step motor pulse signal. On this basis, to redistribute the I/O resources,
4、 also can increase the number of L298N drive chip, load ability range within the allowed in, still can achieve more TaiBu into motor independent film, inversion, accelerate turn fast, slow, slow turn control.Keywords: AT89C51 ; L298N ; Stepping motor目 录1 引 言12 方案论证22.1 单片机小系统选择方案22.2 步进驱动模块方案22.3 键盘
5、模块方案33 系统设计思路44 硬件电路设计54.1 单片机最小系统54.1.1 时钟电路54.1.2 复位电路64.2 L298N驱动模块64.3 键盘输入模块84.4 步进电机模块95 软件系统的设计115.1 主程序设计115.2 转速控制子程序设计125.3 键盘扫描子程序设计136 实验仿真及调试166.1 实验仿真结果166.2 系统联调16总 结18致 谢19参考文献20附 录 附录一 AT89C51单片机小系统原理图 附录二 L298N驱动模块原理图 附录三 AT89C51单片机小系统PCB图 附录四 L298N 驱动模块PCB图 附录五 产品实物图 附录六 产品程序基于L29
6、8N电机驱动模块的设计与实现1 引 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。目前由于数字技术、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。本设鉴于目前各个领域对自动化的需要，采用AT89C51单片机与L298N驱动模块驱动步进电机工作，并将它应用于各种复杂的控制领域，特别是用在机器人领域提高生产力和降低劳动强度起到重要作用。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也得到广泛的应用。 2 方案论证本设计用到的硬件有AT89C51单片机小系统，L298N驱动模块，二线四相步进电机，独立键盘一个。根据实际情况和性价比，作出
7、了如下的方案。2.1 单片机小系统选择方案方案一：PIC一般用于工业级，优势是抗干扰性能强。只是PIC的RAM和ROM容量不是很大，PIC芯片公司更建议使用汇编，并且没有专门开发C编译器。方案二：AVR价格稍贵,性价比高，自制下载线方便,存储空间较大,C编译器有多种。一般相同的时钟下AVR处理速度是PIC的3倍，性价比是它的优势。方案三：AT89C51系列单片机是新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，是MCS-51系列单片机的派生产品；它们在指令系统中、硬件系统和片内资源与标准的8051单片机完全兼容，无需专用的编程器/仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，价格便宜。经三
8、方比较，AT89C51实惠，购买方能改变，并且满足本设计需要，容易学习，所以选择该单片机小系统。2.2 步进驱动模块方案方案一：A3972驱动模块是自动收发卡机的设计，是基于双工位(工作通道)的，所以本驱动模块内部自带电机切换电路，可以驱动分时工作的两路电机，价格昂贵。方案二：L298N是ST公司生产的芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V，并且可以驱动两个二相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。 经实验比较，L298N驱动模块运行可靠，取得效果较好，而且电路的电气性能和散热性能较好，此设计选用L298N驱动模块。
9、2.3 键盘模块方案方案一：行列式键盘是用N条I/O线作为行线，M条I/O线作为列线组成的键盘，在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键中按键的个数是个。方案二：独立式键盘接口中使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键，键盘接口使用了4根I/O口线，该键盘就有4个按键，这种类型的键盘，其按键比较少，且键盘中各按键的工作互不干扰。经比较，本设计需要的按钮较少，方案二这种形式的键盘结构，能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率，适用于按键输入少的情况，故采用方案二。3 系统设计思路由单片机产生驱动步进脉冲信号传递给控制电路，控制电路根据接收到的脉冲实现步进电机的换相逻辑，驱动电路将输入信号功率放大后
10、直接驱动电机工作。步进电机在一个脉冲周期内将会按照设定的方向转动一个固定的角度，将电脉冲转换成角度位移。转速由脉冲信号频率来控制决定，可通过控制脉冲在一定时间内的个数来控制角位移量，从而达到调速的目的。本设计基于MCS-51的4相步进电机驱动控制系统，能够实现步进电机的正反转和速度设定。系统总体结构包括单片机小系统、电机驱动电路及键盘设定等。键盘用于控制步进电机运动方向和速度参数设定，其系统框图如3-1所示：单片机方向控制驱动电路速度控制步进电机图3-1 系统原理框图4 硬件电路设计硬件电路以AT89C51单片机为核心部件，主要由单片机最小系统模块、电机驱动控制模块、键盘输入模块等组成。 4.
11、1 单片机最小系统此次设计中电路的控制部分选择以单片机AT89C51为核心的最小系统板，该系统由单片机、时钟电路、复位电路等组成。这三部分是单片机正常工作的前提。AT89C51采用+5V单电源供电。时钟电路采用外部时钟源，由外部提供晶振。复位电路的基本功能是为系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为了可靠起见，一般电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分一合过程引起的抖动而影响复位。4.1.1 时钟电路单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。单片机可以通过两种方式产生振荡：内部振荡方式和外部振荡方式。外部震荡方式需要引入外部时钟信号作为单片机的时钟
12、信号，它可以使各单片机之间的时钟信号同步，常用于多片单片机组成的系统中，而对于此次设计只需要用一片单片机的情况，系统采用内部震荡方式。因为时钟电路是一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，所以可以外接晶振和电容组成单片机内部的振荡器。在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一个晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图4-1所示：图4-1 时钟电路 和为外部所加的两个电容，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性，所以通常都是选取两个电容值相同的电容。通常的取值范围为3010pF；晶
13、振频率可以在1.2MHz到12MHz之间选择，本次设计石英晶体选择12MHz。4.1.2 复位电路单片机的复位通常分为三种：自动复位，手动复位，看门狗复位。复位是单片机的初始化操作，只要给引脚RESET加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使单片机AT89C51复位。复位的主要功能是初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键重新启动。AT89C51单片机的复位电路通常采用自动复位和手动复位，其内部没有看门狗，在本设计中采用手动复位。复位电路如图4-2所示： 图4-2 复位电
14、路上电时，+5V电源立即对单片机供电，电源经过R1和C1给单片机充电，即电流经C1流向RST，RST得到高电平, C1和R1构成时间常数，这里的时间常数是。复位完毕以后，C1充电停止不再有电流流过，RST经R1接地为低电平，电路进入工作状态。在单片机工作状态下，当按下按键S1时，能够使RST端快速达到高电平，并保证RST引脚出现2个机器周期以上稳定的高电平，所以单片机实现了复位。4.2 L298N驱动模块L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H
15、桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；并且可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；也可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便，原理图见附录。L298N的主要引脚功能如下：+5V：芯片电压5V。 VCC：电机电压，最大可接50V。GND：共地接法。A-D-：输出端，接电机。
16、AD+ ：为步进电机公共端，模块上接了VCC。EN1、EN2：高电平有效，EN1、EN2分别为 IN1和IN2、IN3和IN4的使 能端。IN1 IN4：输入端，输入端电平和输出端电平是对应的。图4-3 L298N驱动模块图单片机的I/O端口别与L298N的IN1，IN2，IN3，IN4相连，接收脉冲信号。L298N的1脚和15脚发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4之间可分别接电动机的一相。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB控制使能端，控制电机的停转。控制步进电机的运行速度只要控制系统发出时钟脉冲
17、的频率或换相的周期，即在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率逐渐减少。L298N驱动原理图如4-4：图4-4 L298N驱动原理图4.3 键盘输入模块键盘模块主要完成对步进电机速度和方向的调节，包括加速按键，减速按键，正转按键和反转按键。当加速按键按下，增加步进电机的转速；减速按键按下，减少步进电机的转速；正转和反转按键对步进电机的转动方向进行转换。按键电路如图4-5所示：图4-5 按键控制电路加速按键与P2.5口相连，减速按键与P2.4相连，反转按键与P2.7相连，正转按键与P2.6相连。按键按下后将信号输入单片机，后由单片机通过驱动器传给步进电机，步进电机转
18、动，从而实现按键对步进电机速度和方向的控制。4.4 步进电机模块本设计用的是两线四相步进电机实现正传、反转、加速快转、减速慢转。步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。如图3.7所示，对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度（一般不小于5s）、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。控制步进电机的转相，如果给定工作方式正序换向通电，步进电机正传，如果按反序通电通电换相则电机反转，这些都由单片机控制。图4-6 转向信号起作用的时刻速度控制中加/减控制是最基本
19、的控制。电机由静止到达设定的最大的速度所需的时间是由调试决定的。加速度太大，电机甚至不能克服惯性而失步，加速度太少，则完成指定的运动耗费时间太多。加速度有两中方案：线性加/减速度控制和等步距加/减速度控制。前者规定从加速度开始，每一加速度周期指令电机速度递增相同的增量f；后者则是要求每一加速度周期电机走过相同的步数。等步距加/减速度控制的优点，在于加/减过程中电机走的步数可以非常精确的计算，这一点对于加/减的位置控制非常重要，但从电机要克服惯性力来看，线性加速好些。 5 软件系统的设计软件系统设计是系统的核心，在本次设计中使用Keil C语言编译。软件设计运用主程序和程序设计思想，对不同功能的
20、程序进行编程，这样层次和结构比较清晰，而且有利于软件的调试和修改。5.1 主程序设计四相步进电机有很多种工作方式如四相四拍或四相八拍。本设计采用四相四拍工作，即采用ABCDA的循环方式送数据，单字母表示四相里只有一相导通。步进电机转过1个齿距，需连续送完以下4个数据：0001、0010、0100、1000。若步进电机连续转动，则需循环送这4个数据。逆序送数则可让电机反转，控制送脉冲的频率可控制部电机的转速。步进电机精准的转1圈送多少个数据取决于所使用的步进电机的转子齿数。主程序由初始化子程序、按键扫描子程序、按键处理子程序、转速控制子程序、方向控制子程序等组成。实现的功能包括脉冲信号发生，键盘
21、的识别处理。主程序的设计思路是首先进行系统的初始化，接着调用按键扫描和处理子程序，它们能够实现对步进电机转速和方向的调节。最后，程序返回到主程序开始执行的那一步，循环调用按键扫描处理，主程序流程如图5-1所示： 开始Y按键?按键功能N调用按键处理结束 图5-1 主程序流程图5.2 转速控制子程序设计本设计采用的是四相步进电机，定子上有8个极，转子上有4个极。步进电机在工作时需由专用的驱动电源将脉冲信号电压按一定的顺序轮流加到定子的各相绕组上。驱动电源主要由脉冲分配器和脉冲功率放大器两部分组成。步进电机的定子绕组从一次通电到下一次通电称为一拍。每一拍转子转过的角度称为步距角。本课题对此四相步进电
22、机采用的是4相4拍运行方式，即四相通电顺序为A -B-C-D-A。经过4拍才完成一个通电循环，又不不论采用何种运行方式，步距角与转子极数z和拍数N之间的关系满足式5-2： 式5-2所以本系统中电机的步距角，若通过定时器中断设定脉冲频率为f ，则转子每秒钟转过的圈数为式5-3： 式5-3也即步进电机每分钟的转速为，一分钟转了 圈。 所以只要改变定时器的定时时间，并在定时中断产生时反转脉冲信号的状态，就能设置出合适的步进电机转速，本设计采用步距角。5.3 键盘扫描子程序设计键盘程序设计重点为键盘功能设计与按键处理。系统的键盘电路如图5.3所示，按键自上到下依次为加速、减速、正转和反转。各键设定功能
23、如下：加速键：增大步进速度，按下此键时电机开始增大步进速度，每按下一次键，速度增加25，最大可增加到625。减速键：减少步进速度，按下此键时电机开始减少步进速度，每按下一次键，速度减少25，最小可减小到初始速度175。反转键：按下此键时电机开始反转，即逆时针旋转。反转的初始速度为175，按加速键则加速，最大加到625；按减速则减速最小减速到175。正转键：按下此键时电机开始正转，即顺时针旋转。正转的初始速度为175，按加速键则加速，最大加到625；按减速则减速最小减速到175。程序流程图如下5-4：读P2端口数据按 键？NY按键作用延时去抖动K的值返回 图5-4 键盘作用流程图当检测到有按键按
24、下时，根据按键不同进行相应处理。程序流程如图5-5：开始K的值? K=4减速 K=3 加速 K=2 正转 K=1 反转返回图5-5 键盘处理流程图 6 实验仿真及调试6.1 实验仿真结果Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等。按键加速减速正转反转状态一按下按下按下按下状态二浮起浮
25、起浮起浮起状态三按下按下按下按下状态四浮起浮起浮起浮起速度Speed：+25Speed：25Speed：VSpeed：V表6-1 Proteus实验数据（初始状态为speed=175，反转，状态是顺序发生的）从表中可以看出，按下加速按键步进电机的方向不变，速度每按下一次增加25；当按下减速按键时转动的方向不变，速度每按下一次减少25；当按下正转按键，步进电机的方向转换，速度不变；按下反转键情况类似分析，仿真基本实现了任务要求。6.2 系统联调单片机应用系统的调试，包括硬件调试和软件调试，是一个很重要的步骤。硬件调试和软件调试并不能完全分开，许多硬件错误就是在软件调试过程中被发现和纠正的。一般方
26、法是先排除明显的硬件故障和软件错误，然后进行软硬件联合调试。 在进行联机仿真调试之前，应作好下述工作：(1) 元器件在焊接过程中要逐一检查，例如二极管、晶体管、电解电容的极性，电容的容量及耐压，元件的数值是否正确等。(2) 管座、元件焊接完毕，还要仔细检查各元件之间裸露部分有无相互接触现象，焊接面的各焊点间、焊点与邻近线有无连接。特别注意电源是否短路，否则，在联电的时候很容易造成电路电流过大，烧坏片子。(3) 完成上述检查后，先空载上电（未插芯片），检查电路板各引脚及插件上的电位是否正常，特别是单片机引脚上的各点电位。若一切正常，将芯片插入各管座，再通电检查各点电压是否达到要求，逻辑电平是否符
27、合电路或器件的逻辑关系。若有问题，掉电后再认真检查故障原因。仿真调试的方案：把整个应用系统按其功能分成若干模块，如系统扩展模块、键盘输入模块、驱动电路模块等。针对不同的功能模块，编写一小段测试程序，并借助于万用表、示波器等仪器来检查硬件电路的正确性。 总 结此次设计是通过51单片机驱动控制步进电机的系统，经过测试可以实现步进电机转速和方向的控制和调整。在设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优势，编程灵活方便等优点，最终完成了课题任务中所有的基本要求。在这次毕业设计的过程中我受益匪浅。从一开始的确定课题，到后来的资料查找、理论学习，到最后的的调试和测试过程，将所学过的理论知识和实践结
28、合起来，动手能力得到了进一步的加强。毕业设计中包含了模拟电子线路、数字电子线路和单片机的知识，可以说是对所学过的知识的一次全面综合。主要学习51单片机连接、软件设计的基本思路，控制外围元器件的基本方法等方面有了进一步的学习。这次毕业设计，是我学习专业知识和技能的好机会，我在这个过程中收获了许多。在画原理图、安装和调试软件、硬件过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静，联系书本理论知识积极地思考，实在解决不了可以请教同学或指导老师。虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下圆满解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到期望的要求，很好地完成
29、了本次设计任务。 致 谢首先我要感谢我的指导教师李茂清老师。他为人随和热情，治学严谨细心，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。本论文从选题到完成，每一部分都是在老师的指导下完成的。李老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是李老师的无私帮助与热忱鼓励，我才能顺利完成研究课题。在此谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在毕业设计期间，得到了很多老师、同学的帮助。在此感谢罗德雄以及辅导员陈老师在前期与中期答辩中的督促，以及室友的建议。这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位老师三年间的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。也正
30、是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。最后，我向宜宾职业技术学院电子信息工程学院的全体老师们再次表示衷心感谢：谢谢你们，谢谢你们三年的辛勤栽培！参考文献1 张涛，王永成等编Protel99SE原理图与PCB设计教程电子工业出版社出版，20092 张永瑞等编电子测量技术基础 西安电子科技大学出版社，20043 周良权，傅恩锡模拟电子技术基础高等教育出版社，20054 张毅刚编新编MCS-51单片机应用设计哈尔滨工业大学出版社，2003 5 潭浩强C语言设计北京大学出版社，20056 何立民单片机应用技术选编 北京航空航天大学出版社，20047 严天峰编单片机应用系统设计与仿真调试 北京：北京航空航天大学出版社，20058 黄坚自动控制原理及其应用M北京：高等教育出版社，20049 王文涛单片机应用与实践项目化教程北学工业出版社，201010 王幸之，钟爱琴AT89C51系列单片机原理及接口技术北京航天大学出版社，200411 李华MCS-5l系列单片机实用接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，200112 丛君丽 基于单片机控制的步进电机高低压驱动系统设计M电力电子技术出版社，2008
