通行工程Protel应用课程设计.docx
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通行工程Protel应用课程设计
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
通信
指导教师：
刘新华工作单位：
信息工程学院
题目:
Protel应用课程设计--步进电机的驱动电路设计
初始条件：
（1）可选元件：
二极管1N4007，进步驱动芯片L298N，发光二极管LED1，电阻、电位器、电容若干；+12V及+8V直流电源；稳压电源L7805CV
（2）可用仪器：
示波器，万用表，毫伏表
（3）仿真软件：
ProtelDXP2004
要求完成的主要任务:
（1）使用protel制作步进电机驱动电路的原理图
（2）使用protel制作步进电机驱动电路的PCB图
（3）使用protel进行电路仿真设计
时间安排：
（1）第1-3周：
选题及任务安排。
（2）第4-10周：
方案选择及设计。
（3）第11-16周：
仿真及PCB制作。
（4）第17-18周：
撰写报告及答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
步进驱动电动机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件。
通过单片机AT89C52控制的脉冲信号的频率和脉冲数控制电机的转速、停止的位置，而不受负载的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
驱动电路驱动电机，测速提供为反馈，AT89C52控制步进电机的正反转、和转速增减，实现对步进电机的控制，并由显示器显示出正反转方向和转速。
ProtelDXP2004将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道技术、自动布线技术以及强大的电路仿真的技术完美的融合在一起。
ProtelDXP提供了丰富的元件库，包括原理图符号。
PCB封装、SI模型及仿真模型，可以方便地进行同步修改。
这次课程设计主要要求掌握原理电路图设计、PCB设计和仿真。
关键词：
ProtelDXP，PCB设计工具，原理图设计、自动布线器、原理图混合信号仿真
目录
1设计任务与要求.................................................................................1
1.1设计任务.....................................................................................1
1.2设计要求.....................................................................................1
2原理分析.............................................................................................2
2.1步进电机及其工作原理.............................................................22.2单片机控制原理.........................................................................2
3电路原理图绘制...............................................................................6
3.1DXP绘制电路原理图..............................................................6
3.2DXP绘制PCB图...................................9
4电路仿真及分析........................................11
5心得体会.............................................13
参考文献................................................14
附录....................................................15
1设计任务与要求
1.1设计任务
设计一个步进驱动电机，采用变频调速来设计其控制电路，实现驱动电机的正反转，速度检测与显示及控制，并且要求旋转误差较小
1.2设计要求
1.使用protel制作步进驱动电机的电路原理图
2.使用protel制作步进驱动电机的PCB图
3．使用protel对步进驱动电机的控制部分进行仿真
2原理分析
2.1步进电机及其工作原理
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。
说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角度或者前进一步，因此，步进电机也称脉冲电动机。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。
步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。
在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。
通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速启动、制动和反转。
如图所示，当A相通正电压时，A相线圈将产生如图（a）所示的磁性，磁体将转至如图（a）所示的位置；当B相通正电压时，同理将迫使磁体转至如图（b）所示的位置，即转过一角度；当A相断电时，A相磁性消失，磁体将转至如图（c）所示的位置；当A相通反电压时，A相线圈将产生如图（d）所示的磁性，磁体将转至如图（d）所示的位置，这样便转过半圈。
周而复始，电机便转动起来。
电机的正反转由脉冲的给的顺序而定。
电压的正反向可由L298n实现，它的电路板电电路如下图所示：
（插针P1可接步进电机的四根引脚，插针P2可接单片机的输出引脚。
）
图2.1步进电机工作原理图
2.2单片机控制原理
单片机是用来为步进电机进行控制的，给电机提供时序脉冲，让电机以某一种方式进行运转。
图2.2AT89C52引脚图
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52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，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
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。
控制电路89C52
图2.3AT89C52的控制电路图
恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N
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；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，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；并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。
图2.4L297引脚图
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；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，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；并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。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的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。
L298可驱动一个两相步进电机，电动机每相克分别接在OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为高一低，电机正或反转起来。
同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
L298的驱动电路图
图2.5L298的驱动电路图
采用L298N，则两相步进电机正转的控制逻辑如下表所示：
红：
B
绿：
B-
蓝：
A
黄：
A-
B→B-→A→A-
0
0
0
1
0001
0
1
0
1
0101
0
1
0
0
0100
0
1
1
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0
0
1
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1
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1010
1
0
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0
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1
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1
1000
0
0
0
1
0001
电机反转则只需改变控制字给的顺序即可（反过来送），比如采用单片机的P1口控制，其中B（红色线接P1.3）、B-（绿色线接P1.2）、A（蓝色线接P1.1）、A-（黄色线接P1.0）。
正转时给P1口控制字为：
00000001B00000101B00000100B00000110B00000010B00001010B00001000B00001001B，则反转时给P1口控制字为00001001B00001000B00001010B00000010B00000110B00000100B00000101B00000001B。
3电路原理图绘制
3.1DXP绘制电路原理图
进入ProtelDXP2004后，依次点击工具栏上的File/New/PCBProject，新建一个后缀名为prjPCB的工程文件。
图3.1新建PCB工程文件
接下来在刚建立的prjPCB的工程文件下点击File/New/Schematic新建一个后缀名为SchDoc的原理图，建立原理图与工程的关联。
图3.2新建原理图
在绘制原理图时，ProtelDXP2004在工具栏上提供了常用元件的快捷方式，例如电阻、电解电容、瓷片电容以及常用的与、或、非等组合逻辑门，使用起来很方便。
如果要使用其他元件则可以使用Place/Part命令打开元件选择窗口。
若使用的是比较基本的元件可以在ProtelDXP2004默认提供的元件库MiscellaneousDevices.lntLib中直接浏览。
ProtelDXP2004将元件的原理图符号，元件描述、封装号以及SI仿真模型都集中在一起显示，使用起来很方便，也在一定程度上避免了Protel99SE中不知道元件封装号的问题。
如果需要修改，可以在ModelName框中自行修改。
如果是寻找不那么常用的元件可以在元件库管理器中选择Libraries/Search/SearchLibraries命令，再输入元件名称查找。
根据电路要求可以在DXP中加载相应的元件库，DXP中带有非常丰富的元件库，并且按照芯片的生产公司的名称分开放置，便于查找。
如果没有相应的元件，还可以通过PCB库文件编辑器来自己编辑。
图3.3加载元件库
完成所有连线之后，选择File/New/TextDocument命令，开启一个数据库文本；再选择Project/ProjectOptions命令设置工程检查参数，在执行Project/CompileDocument检查系统错误。
如果提示错误则返回修改原理图，如果没有错误，则选择Design/NetlistForDocument/Protel命令生成网络表。
图3.4步进驱动电机的电路原理图
3.2DXP绘制PCB图
生成网络表之后，就进入了PCB板绘制的阶段。
选择File/New/PCB生成一个后缀为PcbDoc的文件。
PCB板分为很多层，主要有Top-Layer、Bottom-Layer、Mechanical、TopOverlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。
按步骤设置PCB板的Mechanical物理边界以及Keep-OutLayer电气边界。
先执行Design/BoardSharp/RedefineBoardSharp命令，此时光变变成十字形。
然后在Mechanical层面上划定PCB板的物理边界，最后在禁止布线层（Keep-OutLayer）上面划定电器边界。
在正确设置完成PCB板之后，在PcbDoc文件下选择Design/ImportChangesFrom命令加载网络表（或者在SchDoc文件下选择Design/UpdatePCBDocument命令），屏幕上显示详细的网络连接信息。
点击ValidateChanges按钮可以检查装入的元件封装、电器规则以及元件的网络连接是否正确，如果正确，屏幕上将显示绿色打勾标记。
再点击ExecuteChanges按钮完成元件网络表的加载。
图3.5加载网络表
网络表加载完成之后，PCB根据网络表产生预拉线，在屏幕上会出现排列整齐的所有元件以及设置过的PCB板，然后PCB根据预拉线一条一条变为铜膜走线。
选定所有的元件拖至PCB板上，执行Tools/AutoPlacement/AutoPlacer/ClusterPlacer命令，DXP开始自动排版。
图3.6自动布线
布线规则设置：
Design/Rules,一般采用默认设置即可。
布线方式：
自动布线、手动布线。
自动布线：
AutoRoute/All，采用默认设置，单击“RouteAll”确定。
一般采用自动布线和手动布线相结合的方式。
AutoRoute/Net进行局部元器件自动布线。
在元件排版完毕之后，就可以进入到最后的布线阶段。
ProtelDXP2004沿袭了Protel99SE强大的自动布线功能，不仅布线快速而且合理，通过率很高。
我们可以执行AutoRoute/All命令，选择Default2LayerBoard选项，再点击RouteAll完成双层PCB板的布线，全部成功，至此基于DXP的PCB板设计全部制作完成
图3.6DXP自动布线后的PCB板
4电路仿真及分析
在完成了PCB板的制作后，下面对步进驱动电路的原理图进行仿真。
作为一款驰名已久的板卡级设计软件，相比Protel99SE，ProtelDXP2004在仿真功能上有了很大的进步，同样拥有强大的仿真功能。
在仿真之前再检查一遍电路元件的参数设置，进行正确的封装。
将电容电感的初始储能设置为0V，将二极管和三极管的初始状态设置为截止状态“OFF”。
然后执行Design/Simulate/MixedSim命令进入仿真对话框。
选择最基本的瞬态特性分析TransientAnalysis选项，并且将载波信号，调制信号，已调信号的节点VC，VIN，VOUT添加到激活信号（ActiveSignal）框格内开始仿真。
图4.1仿真参数设置
图4.2步进驱动电路仿真波形
由电路的原理图得到的仿真波形图可以判断绘制的步进电机驱动电路是正确的，其原理图及PCB布线及绘制也是没有差错的。
设计的步进驱动电机能够符合设计要求。
5心得体会
本次课程设计，要求我们在设计电路图的同时还要使用Protel软件画出电路的PCB板。
这与以往的课程设计不同。
印刷电路板是电子线路从理论走向实际的成果，无论是制作实物进行测试还是用仿真软件进行仿真，都是为了检验设计结果，并最终向实际生产方向发展。
通过这次课程设计实验，我对步进电机调速控制系统有了实际的了解和认识，提高了动手能力。
本次实验把书本上、课堂上学到的知识灵活地运用到实际的实物上，感觉是对学以致用的一种锻炼和考验，提高了用所学知识解决实际问题的能力，加深和巩固的对知识的理解和掌握。
控制电路、驱动电路、测速反馈电路、步进电机几个模块的整合，也实际中提高了自己对系统的认识，有了些整体的概念和思维观。
参考文献
[1]刘宝廷.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，1997.
[2]何立民.MSC-51系列单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学,1990.
[3]用L287、L298组成步进电机驱动电路[J].仪器仪表学报，24，（4）,2004:
573-574.
[4]李玉梅.基于MCS-51系列单片机原理的应用设计[M].国防工业出版
社，2006.
[5]金钰，胡祐德，李向春.伺服系统设计指导[M].北京理工大学出版社，
2000：
43-44.
[6]凌均淑.步进电动机的应用及驱动方式[J].电力建设，2005，26.
附录
表1元件清单
序号
名称
型号
数量
1
二极管
1N4007
8
2
L298步进驱动芯片
L298N
1
3
发光二极管
LED1
2
4
电阻
4.7K
6
5
电阻
1K
1
6
电阻
200R
1
7
电容
105
2
8
排针
2.54mm系列
1排
9
排母
2.54mm系列
1排
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
步进电机的驱动电路设计
课程设计答辩或质疑记录：
1，简述步进驱动电机的工作原理。
答：
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。
就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角度或者前进一步，因此，步进电机也称脉冲电动机。
2，步进电机的特点。
答：
1，,电机旋转的角度正比于脉冲数；
2，电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；
3，优秀的起停和反转响应；
4，由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；
5，由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 