畢業(yè)設計（論文）-基于L298N電機驅動模塊的設計與實現(xiàn)

1、職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計基于L298N電機驅動模塊的設計與實現(xiàn)系 部 電子信息工程系 專 業(yè) 名 稱 電子信息工程技術 班 級姓 名學 號指 導 教 師 年 02 月 15 日基于L298N電機驅動模塊設計與實現(xiàn)摘 要該設計實現(xiàn)了步進電機正傳、反轉、加速快轉、減速慢轉的功能，整個系統(tǒng)通過寫入單片機中的程序分配好控制字的存儲單元以及相應的內存地址賦值；啟動系統(tǒng)后，從單片機的I/O口輸出控制脈沖，經過L298N驅動電路對脈沖進行處理，輸出能直接控制步進電機的脈沖信號，在此根底上，重新分配I/O資源，同時可增加驅動芯片L298N的個數(shù)，在負載能力范圍允許內，還能實現(xiàn)多臺步進電機獨立正傳、反轉、加速快轉

2、、減速慢轉的控制。關鍵詞： AT89C51；L298N；步進電機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 錄1 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc317431465 引 言

5、 PAGEREF _Toc317431465 h 1 HYPERLINK l _Toc317431466 2 方案論證 PAGEREF _Toc317431466 h 2 HYPERLINK l _Toc317431467 2.1 單片機小系統(tǒng)選擇方案 PAGEREF _Toc317431467 h 2 HYPERLINK l _Toc317431468 2.2 步進驅動模塊方案 PAGEREF _Toc317431468 h 2 HYPERLINK l _Toc317431469 2.3 鍵盤模塊方案 PAGEREF _Toc317431469 h 3 HYPERLINK l _Toc317

6、431470 3 系統(tǒng)設計思路 PAGEREF _Toc317431470 h 4 HYPERLINK l _Toc317431471 4 硬件電路設計 PAGEREF _Toc317431471 h 5 HYPERLINK l _Toc317431472 4.1 單片機最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc317431472 h 5 HYPERLINK l _Toc317431473 4.1.1 時鐘電路 PAGEREF _Toc317431473 h 5 HYPERLINK l _Toc317431474 4.1.2 復位電路 PAGEREF _Toc317431474 h 6 HYPERLI

7、NK l _Toc317431475 4.2 L298N驅動模塊 PAGEREF _Toc317431475 h 6 HYPERLINK l _Toc317431476 4.3 鍵盤輸入模塊 PAGEREF _Toc317431476 h 8 HYPERLINK l _Toc317431477 4.4 步進電機模塊 PAGEREF _Toc317431477 h 9 HYPERLINK l _Toc317431478 5 軟件系統(tǒng)的設計 PAGEREF _Toc317431478 h 11 HYPERLINK l _Toc317431479 5.1 主程序設計 PAGEREF _Toc3174

8、31479 h 11 HYPERLINK l _Toc317431480 5.2 轉速控制子程序設計 PAGEREF _Toc317431480 h 12 HYPERLINK l _Toc317431481 5.3 鍵盤掃描子程序設計 PAGEREF _Toc317431481 h 13 HYPERLINK l _Toc317431482 6 實驗仿真及調試 PAGEREF _Toc317431482 h 16 HYPERLINK l _Toc317431483 6.1 實驗仿真結果 PAGEREF _Toc317431483 h 16 HYPERLINK l _Toc317431484 6.

9、2 系統(tǒng)聯(lián)調 PAGEREF _Toc317431484 h 16 HYPERLINK l _Toc317431485 總 結 PAGEREF _Toc317431485 h 18 HYPERLINK l _Toc317431486 致 謝 PAGEREF _Toc317431486 h 19 HYPERLINK l _Toc317431487 參考文獻 PAGEREF _Toc317431487 h 20附 錄 附錄一 AT89C51單片機小系統(tǒng)原理圖 附錄二 L298N驅動模塊原理圖 附錄三 AT89C51單片機小系統(tǒng)PCB圖 附錄四 L298N 驅動模塊PCB圖 附錄五 產品實物圖 附錄

10、六 產品程序基于L298N電機驅動模塊的設計與實現(xiàn)1 引 言步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的控制電機。目前由于數(shù)字技術、計算機技術和永磁材料的迅速開展，推動了步進電機的開展。本設鑒于目前各個領域對自動化的需要，采用AT89C51單片機與L298N驅動模塊驅動步進電機工作，并將它應用于各種復雜的控制領域，特別是用在機器人領域提高生產力和降低勞動強度起到重要作用。由于步進電機具有快速啟動、精確步進和定位等特點，因而在數(shù)控機床、繪圖儀、打印機以及光學儀器中也得到廣泛的應用。 2 方案論證本設計用到的硬件有AT89C51單片機小系統(tǒng)，L298N驅動模塊，二線四相步進電機，獨立鍵盤一個。根據

11、實際情況和性價比，作出了如下的方案。2.1 單片機小系統(tǒng)選擇方案方案一：PIC一般用于工業(yè)級，優(yōu)勢是抗干擾性能強。只是PIC的RAM和ROM容量不是很大，PIC芯片公司更建議使用匯編，并且沒有專門開發(fā)C編譯器。方案二：AVR價格稍貴,性價比高，自制下載線方便,存儲空間較大,C編譯器有多種。一般相同的時鐘下AVR處理速度是PIC的3倍，性價比是它的優(yōu)勢。方案三：AT89C51系列單片機是新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，是MCS-51系列單片機的派生產品；它們在指令系統(tǒng)中、硬件系統(tǒng)和片內資源與標準的8051單片機完全兼容，無需專用的編程器/仿真器，可通過串口P3.0/P3.1直接下載用戶程

12、序，價格廉價。經三方比擬，AT89C51實惠，購置方能改變，并且滿足本設計需要，容易學習，所以選擇該單片機小系統(tǒng)。2.2 步進驅動模塊方案方案一：A3972驅動模塊是自動收發(fā)卡機的設計，是基于雙工位(工作通道)的，所以本驅動模塊內部自帶電機切換電路，可以驅動分時工作的兩路電機，價格昂貴。方案二：L298N是ST公司生產的芯片。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V，并且可以驅動兩個二相電機，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的I/O口提供信號，而且電路簡單，使用比擬方便。 經實驗比擬，L298N驅動模塊運行可靠，取得效果較好，而且電路的電氣性能和散熱性能較好，此設計選用L

13、298N驅動模塊。2.3 鍵盤模塊方案方案一：行列式鍵盤是用N條I/O線作為行線，M條I/O線作為列線組成的鍵盤，在行線和列線的每個交叉點上，設置一個按鍵中按鍵的個數(shù)是個。方案二：獨立式鍵盤接口中使用多少根I/O線，鍵盤中就有幾個按鍵，鍵盤接口使用了4根I/O口線，該鍵盤就有4個按鍵，這種類型的鍵盤，其按鍵比擬少，且鍵盤中各按鍵的工作互不干擾。經比擬，本設計需要的按鈕較少，方案二這種形式的鍵盤結構，能夠有效的提高單片機系統(tǒng)中I/O的利用率，適用于按鍵輸入少的情況，故采用方案二。3 系統(tǒng)設計思路由單片機產生驅動步進脈沖信號傳遞給控制電路，控制電路根據接收到的脈沖實現(xiàn)步進電機的換相邏輯，驅動電路將

14、輸入信號功率放大后直接驅動電機工作。步進電機在一個脈沖周期內將會按照設定的方向轉動一個固定的角度，將電脈沖轉換成角度位移。轉速由脈沖信號頻率來控制決定，可通過控制脈沖在一定時間內的個數(shù)來控制角位移量，從而到達調速的目的。本設計基于MCS-51的4相步進電機驅動控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)步進電機的正反轉和速度設定。系統(tǒng)總體結構包括單片機小系統(tǒng)、電機驅動電路及鍵盤設定等。鍵盤用于控制步進電機運動方向和速度參數(shù)設定，其系統(tǒng)框圖如3-1所示：單片機方向控制驅動電路速度控制步進電機圖3-1 系統(tǒng)原理框圖4 硬件電路設計硬件電路以AT89C51單片機為核心部件，主要由單片機最小系統(tǒng)模塊、電機驅動控制模塊、鍵盤輸入

15、模塊等組成。 4.1 單片機最小系統(tǒng)此次設計中電路的控制局部選擇以單片機AT89C51為核心的最小系統(tǒng)板，該系統(tǒng)由單片機、時鐘電路、復位電路等組成。這三局部是單片機正常工作的前提。AT89C51采用+5V單電源供電。時鐘電路采用外部時鐘源，由外部提供晶振。復位電路的根本功能是為系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為了可靠起見，一般電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分一合過程引起的抖動而影響復位。4.1.1 時鐘電路單片機工作的時間基準是由時鐘電路提供的。單片機可以通過兩種方式產生振蕩：內部振蕩方式和外部振蕩方式。外部震蕩方式需要引入外部時鐘信

16、號作為單片機的時鐘信號，它可以使各單片機之間的時鐘信號同步，常用于多片單片機組成的系統(tǒng)中，而對于此次設計只需要用一片單片機的情況，系統(tǒng)采用內部震蕩方式。因為時鐘電路是一個反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器的輸入端和輸出端，所以可以外接晶振和電容組成單片機內部的振蕩器。在單片機的XTAL1和XTAL2兩個引腳間，接一個晶振及兩只電容就構成了單片機的時鐘電路，如圖4-1所示：圖4-1 時鐘電路 和為外部所加的兩個電容，對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的上下，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性，所以通常都是選取兩個電容值相同的電容。通常的取值范圍

17、為3010pF；晶振頻率可以在1.2MHz到12MHz之間選擇，本次設計石英晶體選擇12MHz。4.1.2 復位電路單片機的復位通常分為三種：自動復位，手動復位，看門狗復位。復位是單片機的初始化操作，只要給引腳RESET加上2個機器周期以上的高電平信號，就可使單片機AT89C51復位。復位的主要功能是初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復位鍵重新啟動。AT89C51單片機的復位電路通常采用自動復位和手動復位，其內部沒有看門狗，在本設計中采用手動復位。復位電路如圖4-2所示：

18、 圖4-2 復位電路上電時，+5V電源立即對單片機供電，電源經過R1和C1給單片機充電，即電流經C1流向RST，RST得到高電平, C1和R1構成時間常數(shù)，這里的時間常數(shù)是。復位完畢以后，C1充電停止不再有電流流過，RST經R1接地為低電平，電路進入工作狀態(tài)。在單片機工作狀態(tài)下，當按下按鍵S1時，能夠使RST端快速到達高電平，并保證RST引腳出現(xiàn)2個機器周期以上穩(wěn)定的高電平，所以單片機實現(xiàn)了復位。4.2 L298N驅動模塊L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流

19、為2A；內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路局部在低電壓下工作；并且可以外接檢測電阻，將變化量反應給控制電路。使用L298N驅動電機，該芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓；也可以直接用單片機的I/O口提供信號；而且電路簡單，使用比擬方便，原理圖見附錄。L298N的主要引腳功能如下：+5V：芯片電壓5V。 VCC：電機電壓，最大可接50V。GND：共地接法。A-D-

20、：輸出端，接電機。AD+ ：為步進電機公共端，模塊上接了VCC。EN1、EN2：高電平有效，EN1、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使 能端。IN1 IN4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對應的。圖4-3 L298N驅動模塊圖單片機的I/O端口別與L298N的IN1，IN2，IN3，IN4相連，接收脈沖信號。L298N的1腳和15腳發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4之間可分別接電動機的一相。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。ENA，ENB控制使能端，控制電機的停轉。控制步進電機的運行速度只要控

21、制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。L298N驅動原理圖如4-4：圖4-4 L298N驅動原理圖4.3 鍵盤輸入模塊鍵盤模塊主要完成對步進電機速度和方向的調節(jié)，包括加速按鍵，減速按鍵，正轉按鍵和反轉按鍵。當加速按鍵按下，增加步進電機的轉速；減速按鍵按下，減少步進電機的轉速；正轉和反轉按鍵對步進電機的轉動方向進行轉換。按鍵電路如圖4-5所示：圖4-5 按鍵控制電路加速按鍵與P2.5口相連，減速按鍵與P2.4相連，反轉按鍵與P2.7相連，正轉按鍵與P2.6相連。按鍵按下后將信號輸入單片機，后由單片機通過驅動器傳給步

22、進電機，步進電機轉動，從而實現(xiàn)按鍵對步進電機速度和方向的控制。4.4 步進電機模塊本設計用的是兩線四相步進電機實現(xiàn)正傳、反轉、加速快轉、減速慢轉。步進電機換向時，一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內再換向，以免產生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出。如圖3.7所示，對于CP脈沖的設計主要要求其有一定的脈沖寬度一般不小于5s、脈沖序列的均勻度及上下電平方式?？刂撇竭M電機的轉相，如果給定工作方式正序換向通電，步進電機正傳，如果按反序通電通電換相那么電機反轉，這些都由單片機控制。圖4-6 轉向信號起作用的時刻速度控制中加

23、/減控制是最根本的控制。電機由靜止到達設定的最大的速度所需的時間是由調試決定的。加速度太大，電機甚至不能克服慣性而失步，加速度太少，那么完成指定的運動消耗時間太多。加速度有兩中方案：線性加/減速度控制和等步距加/減速度控制。前者規(guī)定從加速度開始，每一加速度周期指令電機速度遞增相同的增量f；后者那么是要求每一加速度周期電機走過相同的步數(shù)。等步距加/減速度控制的優(yōu)點，在于加/減過程中電機走的步數(shù)可以非常精確的計算，這一點對于加/減的位置控制非常重要，但從電機要克服慣性力來看，線性加速好些。 5 軟件系統(tǒng)的設計軟件系統(tǒng)設計是系統(tǒng)的核心，在本次設計中使用Keil C語言編譯。軟件設計運用主程序和程序設

24、計思想，對不同功能的程序進行編程，這樣層次和結構比擬清晰，而且有利于軟件的調試和修改。5.1 主程序設計四相步進電機有很多種工作方式如四相四拍或四相八拍。本設計采用四相四拍工作，即采用ABCDA的循環(huán)方式送數(shù)據，單字母表示四相里只有一相導通。步進電機轉過1個齒距，需連續(xù)送完以下4個數(shù)據：0001、0010、0100、1000。假設步進電機連續(xù)轉動，那么需循環(huán)送這4個數(shù)據。逆序送數(shù)那么可讓電機反轉，控制送脈沖的頻率可控制部電機的轉速。步進電機精準的轉1圈送多少個數(shù)據取決于所使用的步進電機的轉子齒數(shù)。主程序由初始化子程序、按鍵掃描子程序、按鍵處理子程序、轉速控制子程序、方向控制子程序等組成。實現(xiàn)的

25、功能包括脈沖信號發(fā)生，鍵盤的識別處理。主程序的設計思路是首先進行系統(tǒng)的初始化，接著調用按鍵掃描和處理子程序，它們能夠實現(xiàn)對步進電機轉速和方向的調節(jié)。最后，程序返回到主程序開始執(zhí)行的那一步，循環(huán)調用按鍵掃描處理，主程序流程如圖5-1所示： 開始Y按鍵?按鍵功能N調用按鍵處理結束 圖5-1 主程序流程圖5.2 轉速控制子程序設計本設計采用的是四相步進電機，定子上有8個極，轉子上有4個極。步進電機在工作時需由專用的驅動電源將脈沖信號電壓按一定的順序輪流加到定子的各相繞組上。驅動電源主要由脈沖分配器和脈沖功率放大器兩局部組成。步進電機的定子繞組從一次通電到下一次通電稱為一拍。每一拍轉子轉過的角度稱為步

26、距角。本課題對此四相步進電機采用的是4相4拍運行方式，即四相通電順序為A -B-C-D-A。經過4拍才完成一個通電循環(huán)，又不不管采用何種運行方式，步距角與轉子極數(shù)z和拍數(shù)N之間的關系滿足式5-2： 式5-2所以本系統(tǒng)中電機的步距角，假設通過定時器中斷設定脈沖頻率為f ，那么轉子每秒鐘轉過的圈數(shù)為式5-3： 式5-3也即步進電機每分鐘的轉速為，一分鐘轉了 圈。 所以只要改變定時器的定時時間，并在定時中斷產生時反轉脈沖信號的狀態(tài)，就能設置出適宜的步進電機轉速，本設計采用步距角。5.3 鍵盤掃描子程序設計鍵盤程序設計重點為鍵盤功能設計與按鍵處理。系統(tǒng)的鍵盤電路如圖5.3所示，按鍵自上到下依次為加速、

27、減速、正轉和反轉。各鍵設定功能如下：加速鍵：增大步進速度，按下此鍵時電機開始增大步進速度，每按下一次鍵，速度增加25，最大可增加到625。減速鍵：減少步進速度，按下此鍵時電機開始減少步進速度，每按下一次鍵，速度減少25，最小可減小到初始速度175。反轉鍵：按下此鍵時電機開始反轉，即逆時針旋轉。反轉的初始速度為175，按加速鍵那么加速，最大加到625；按減速那么減速最小減速到175。正轉鍵：按下此鍵時電機開始正轉，即順時針旋轉。正轉的初始速度為175，按加速鍵那么加速，最大加到625；按減速那么減速最小減速到175。程序流程圖如下5-4：讀P2端口數(shù)據按 鍵？NY按鍵作用延時去抖動K的值返回 圖

28、5-4 鍵盤作用流程圖當檢測到有按鍵按下時，根據按鍵不同進行相應處理。程序流程如圖5-5：開始K的值? K=4減速 K=3 加速 K=2 正轉 K=1 反轉返回圖5-5 鍵盤處理流程圖 6 實驗仿真及調試6.1 實驗仿真結果Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等。按鍵加速減速正轉

29、反轉狀態(tài)一按下按下按下按下狀態(tài)二浮起浮起浮起浮起狀態(tài)三按下按下按下按下狀態(tài)四浮起浮起浮起浮起速度Speed：+25Speed：25Speed：VSpeed：V表6-1 Proteus實驗數(shù)據初始狀態(tài)為speed=175，反轉，狀態(tài)是順序發(fā)生的從表中可以看出，按下加速按鍵步進電機的方向不變，速度每按下一次增加25；當按下減速按鍵時轉動的方向不變，速度每按下一次減少25；當按下正轉按鍵，步進電機的方向轉換，速度不變；按下反轉鍵情況類似分析，仿真根本實現(xiàn)了任務要求。6.2 系統(tǒng)聯(lián)調單片機應用系統(tǒng)的調試，包括硬件調試和軟件調試，是一個很重要的步驟。硬件調試和軟件調試并不能完全分開，許多硬件錯誤就是在軟

30、件調試過程中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。一般方法是先排除明顯的硬件故障和軟件錯誤，然后進行軟硬件聯(lián)合調試。 在進行聯(lián)機仿真調試之前，應作好下述工作：(1) 元器件在焊接過程中要逐一檢查，例如二極管、晶體管、電解電容的極性，電容的容量及耐壓，元件的數(shù)值是否正確等。(2) 管座、元件焊接完畢，還要仔細檢查各元件之間裸露局部有無相互接觸現(xiàn)象，焊接面的各焊點間、焊點與鄰近線有無連接。特別注意電源是否短路，否那么，在聯(lián)電的時候很容易造成電路電流過大，燒壞片子。(3) 完成上述檢查后，先空載上電未插芯片，檢查電路板各引腳及插件上的電位是否正常，特別是單片機引腳上的各點電位。假設一切正常，將芯片插入各管座，再通電檢查各

31、點電壓是否到達要求，邏輯電平是否符合電路或器件的邏輯關系。假設有問題，掉電后再認真檢查故障原因。仿真調試的方案：把整個應用系統(tǒng)按其功能分成假設干模塊，如系統(tǒng)擴展模塊、鍵盤輸入模塊、驅動電路模塊等。針對不同的功能模塊，編寫一小段測試程序，并借助于萬用表、示波器等儀器來檢查硬件電路的正確性。 總 結此次設計是通過51單片機驅動控制步進電機的系統(tǒng)，經過測試可以實現(xiàn)步進電機轉速和方向的控制和調整。在設計過程中，力求硬件電路簡單，充分發(fā)揮軟件設計的優(yōu)勢，編程靈活方便等優(yōu)點，最終完成了課題任務中所有的根本要求。在這次畢業(yè)設計的過程中我受益匪淺。從一開始確實定課題，到后來的資料查找、理論學習，到最后的的調試和測試過程，將所學過的理論知識和實踐結合起來，動手能力得到了進一步的加強。畢業(yè)設計中包含了模擬電子線路、數(shù)字電子線路和單片機的知識，可以說是對所學過的知識的一次全面綜合。主要