【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 步進(jìn)電機(jī) 的單片機(jī) 控制系統(tǒng) 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，其控制方法為軟件與硬件相結(jié)合的方法。環(huán)形分配器被軟件代替，使對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制達(dá)到最佳。系統(tǒng)中采用并行控制，步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū) 動(dòng)電路由單片機(jī)接口線直接控制。通過(guò)軟件的控制，要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，就要單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字一角度的轉(zhuǎn)換。步距角的大小與發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率也是成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與脈沖的順序有關(guān)。例如三相步進(jìn)電機(jī)，電流脈沖有 3 種方式施加。 (1)單相三拍方式：→A→ B→ C→正轉(zhuǎn)； → A→ C→ B→反轉(zhuǎn)。 (2)雙相三拍方式： → AB→ BC→ CA→正轉(zhuǎn)；→ AC→ CB→ AB→反轉(zhuǎn)。 (3)三相六拍方式：→ A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→正轉(zhuǎn)；→A→ AC→ C→ CB→ B→ BA→反轉(zhuǎn)。 以單 片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)核心，設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電路則由其中的幾個(gè)口控制，步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)繞組內(nèi)的電流值一般都能達(dá)到數(shù)安培，控制電機(jī)繞組內(nèi)電流變化的控制信號(hào)都是由電壓一般比較低的邏輯電路產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)或控制信號(hào)等經(jīng)常受到后級(jí)模擬電路影響，則設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)需要設(shè)計(jì)電壓隔離接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的隔離。所以在驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)出口之間接光電隔離電路。 由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能可以設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤(pán)和單片機(jī)端口連接是一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能，調(diào)用中斷服務(wù)程序以完成對(duì)步 進(jìn)電機(jī)的最佳控制通常是由中斷和查詢(xún)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)碼管能及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。單片機(jī)系統(tǒng)代替環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)其功能，并用軟件編程辦機(jī)械 裝置 單片機(jī) 系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng) 電路 步進(jìn) 電機(jī) 外圍 電路 7 法來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。 一個(gè)完整的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是由待驅(qū)動(dòng)、晶振、復(fù)位、鍵盤(pán)、顯示各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行硬件合成。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)總體框架由主程序、中斷服務(wù)子程序和其他相應(yīng)的輔助子程序。 系統(tǒng)功能 通過(guò)對(duì)其它單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的分析，本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機(jī)的控制方案。系統(tǒng)應(yīng)用了一片 AT89C51 單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī) 控制器的核心運(yùn)算器件，采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 UM2020 及其外圍電路構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)來(lái)構(gòu)成一個(gè)基本的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) ，本設(shè)計(jì)想使此系統(tǒng)具有以下功能和要求 ： (1)步進(jìn) 電機(jī)運(yùn)行于 單八拍 的方式 (亦稱(chēng)為半步工作方式 )； (2)有 加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)四種模式 ； (3)預(yù)置步數(shù)運(yùn)行模式時(shí)，步數(shù)設(shè)置范圍為 0~600 步 ； (4)連續(xù)運(yùn)行模式時(shí)速度 8 檔可調(diào) (0~8)； (5)可以預(yù)置 改變方向 或者在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向 ； (6)共有 四 個(gè)按鍵來(lái)輸入，操作方便 ； (7)整個(gè)系統(tǒng)為 +5V 低電壓供電。 8 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件是整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)，各種功能的實(shí)現(xiàn)和軟件的運(yùn)行都是以硬件為基礎(chǔ)的，所以硬件設(shè)計(jì)的合理與否從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖 所示： 圖 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)由電源模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)控制模塊，數(shù)碼管顯示模塊幾部分組成，電源模塊供電給單片機(jī)最小系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的聯(lián)系，通過(guò)控制模塊傳輸命令值到系統(tǒng)上，通過(guò)系統(tǒng)編碼控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，將運(yùn)行的參數(shù)和指令返回至數(shù)碼管上顯示。 通過(guò)單片機(jī)上的外部中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的幾種運(yùn)行方式，能有效的利用片內(nèi)資源，節(jié)省了單片機(jī)的功耗。 系統(tǒng)核心 —— AT89C51 AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 高性能 CMOS8 位微處理器單片機(jī)的可擦 除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 ， 同時(shí)， AT89C51可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式 單片機(jī) 電源 1 七段LED 及運(yùn)行狀態(tài)指示 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 按鍵 電源 2 步進(jìn)電 機(jī) 9 停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 AT89c51u 單片機(jī)引腳圖如 所示。 圖 AT89C51 的引腳圖 AT89C51 主要特性： (1)與 MCS51 兼容 ； (2)4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ； (3)壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) ； (4)數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ； (5)全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； (6)三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ； (7)128*8 位內(nèi)部 RAM； (8)32 可編程 I/O 線 ； (9)兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； (10)5 個(gè)中斷源 ； (11)可編程串行通道 ； (12)低功耗的閑置和掉電模式 ； (13)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ； AT89C51 管腳說(shuō)明 ： (1)VCC：供電電壓。 10 (2)GND：接地。 (3)P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口 ， 當(dāng)FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 (4)P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 (5)P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是 由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 (6)P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流 （ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： RXD（串行輸入口） ； TXD（ 串行輸出口） ； /INT0（外部中斷 0） ； /INT1（外部中斷 1） ； T0（記時(shí)器 0 外部輸入） ； T1（記時(shí)器 1 外部輸入） ； /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） ； /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） ； P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 11 (7)RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 (8)ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí) ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 (9)/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 (10)/EA/VPP ：當(dāng) /EA 保 持 低 電 平 時(shí) ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲(chǔ) 器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 (11)XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 (12)XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 (13)AT89C51 振蕩器特性： 系統(tǒng)端口分配 (1) 一 ： 輸出 數(shù)據(jù)到 UM2020，用于控制 步進(jìn)電機(jī)的四相； (2) 一 ：按鍵控制輸入； (3) ：數(shù)碼管位端掃描控制線； (4)P0：數(shù)碼管段端掃描控制線 。 詳細(xì)接線見(jiàn)附錄系統(tǒng)原理圖。 外圍電路設(shè)計(jì) 外圍電路包括顯示電路、鍵盤(pán)電路和驅(qū)動(dòng)電路。 12 顯示電路設(shè)計(jì) 由 LED 組成的 7 段發(fā)光管顯示器是不太復(fù)雜的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用外部設(shè)備之一。 (1)7 段發(fā)光管顯示器由 7 段發(fā)光線段組成，并按“日”字形排列，每一段都是一個(gè)發(fā)光二極管。將 7 個(gè) LED 的陰極連在一起，稱(chēng)之為共陰極接法。反之為共陽(yáng)極接法。 (2)如果將公共陰極接地，而在 a～ g 各段的陽(yáng)極加上不同的電壓，就會(huì)使各段的發(fā)光情況不同，形成不同的發(fā)光字符。加在 7 段陽(yáng)極上的電壓可以用數(shù)字量表示，如果某一段的陽(yáng)極為數(shù)字量 1，則這個(gè)段就發(fā)光；如為 0，則不發(fā)光。 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路 在本設(shè)計(jì)中使用了八個(gè) 7 段 LED 顯示器，采用動(dòng)態(tài)顯示。即將多個(gè) 7 段 LED 的段選端復(fù)接在一起，只用一個(gè) 8 位輸出口控制段選，段選 碼同時(shí)加到各個(gè) 7 段 LED 顯示器上，通過(guò)控制各個(gè)顯示器公共陽(yáng)極輪流接高電平的辦法，逐一輪流地啟動(dòng)各個(gè) LED。第一、二位數(shù)碼管顯示步進(jìn)電機(jī)現(xiàn)在所在的狀態(tài)；第三位數(shù)碼管顯示步進(jìn)電機(jī)加減速的檔位；剩下的數(shù)碼管用來(lái)顯示步進(jìn)電機(jī)設(shè)置的步數(shù)。 13 圖 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路圖 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì) 圖 鍵盤(pán)電路 一般鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)有矩陣鍵盤(pán)和獨(dú)立鍵盤(pán)兩種形式，本系統(tǒng)由于控制的按鍵比較少，就采用獨(dú)立鍵盤(pán)方式。由若干按鍵組成的獨(dú)立鍵盤(pán)，使最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備， 14 通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。單片機(jī)定時(shí)檢測(cè)哪個(gè)按鍵按下，再 執(zhí)行相關(guān)操本系統(tǒng)的按鍵是低電平有效。鍵盤(pán)電路如圖 所示。 JP1 鍵預(yù)置步數(shù)鍵，可以設(shè)置步數(shù)一步一步增加， JP2 是加減速的檔位開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)檔位由 0－ 8 之間變化， JP3 是電機(jī)反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，當(dāng)按下一次時(shí)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常反轉(zhuǎn)方式，當(dāng)再按下一次時(shí)，則進(jìn)入反轉(zhuǎn)預(yù)置步數(shù)方式，可以預(yù)置步數(shù)并進(jìn)行反轉(zhuǎn)運(yùn)行，運(yùn)行設(shè)置的步數(shù)后自動(dòng)停止，并有暫停的可能， JP4 是電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，其原理與 JP3 相似。 在處理按鍵程序前就先去抖動(dòng)，防止因按鍵時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械抖動(dòng)而錯(cuò)誤的重復(fù)執(zhí)行相應(yīng)程序。所有按鍵處理程序都是在等按下的鍵松開(kāi)后才執(zhí)行的。這些在 軟件編設(shè)計(jì)部分都會(huì)有說(shuō)明。 驅(qū)動(dòng)電路 圖 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路采用了步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用控制器 UM2020 組合電路。這時(shí)一種很好的方案，可以有效地、準(zhǔn)確的控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速等功能。用兩個(gè)塊來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)很簡(jiǎn)單方便。 硬件總體實(shí)現(xiàn) 以上 各個(gè)單元電路分別設(shè)計(jì)論證通過(guò)后，對(duì)電路進(jìn)行總和，分為系統(tǒng)主體和驅(qū)動(dòng)電路兩大塊。 15 系統(tǒng)原理圖和驅(qū)動(dòng)電路原理圖見(jiàn)附錄。在繪制電路時(shí)，充分利用了 Proteus，從原理圖繪制到各驅(qū)動(dòng)電路和外圍電路圖都是以 Proteus 為平臺(tái)的。使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程更為規(guī)范，大大提高了效率。 16 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的軟件主要分