【文章內(nèi)容簡介】 步進電機 的單片機 控制系統(tǒng) 采用單片機來控制步進電機，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，使對步進電機的控制達到最佳。系統(tǒng)中采用并行控制，步進電機各相驅(qū) 動電路由單片機接口線直接控制。通過軟件的控制，要控制電機的轉(zhuǎn)動，就要單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，進而實現(xiàn)數(shù)字一角度的轉(zhuǎn)換。步距角的大小與發(fā)送的脈沖個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率也是成正比，而轉(zhuǎn)動的方向則與脈沖的順序有關。例如三相步進電機，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 片機作為整個系統(tǒng)核心，設計出硬件系統(tǒng)。驅(qū)動電路則由其中的幾個口控制，步進電機工作時，電機繞組內(nèi)的電流值一般都能達到數(shù)安培，控制電機繞組內(nèi)電流變化的控制信號都是由電壓一般比較低的邏輯電路產(chǎn)生的數(shù)字信號，單片機或控制信號等經(jīng)常受到后級模擬電路影響，則設計驅(qū)動電源時需要設計電壓隔離接口，以實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號的隔離。所以在驅(qū)動電路和單片機出口之間接光電隔離電路。 由于單片機的強大功能可以設計大量的外圍電路，鍵盤和單片機端口連接是一個外部中斷源，設置了電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能，調(diào)用中斷服務程序以完成對步 進電機的最佳控制通常是由中斷和查詢相結(jié)合的方法來實現(xiàn)，數(shù)碼管能及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。單片機系統(tǒng)代替環(huán)形分配器實現(xiàn)其功能，并用軟件編程辦機械 裝置 單片機 系統(tǒng) 驅(qū)動 電路 步進 電機 外圍 電路 7 法來實現(xiàn)脈沖的分配。 一個完整的步進電機控制系統(tǒng)是由待驅(qū)動、晶振、復位、鍵盤、顯示各個驅(qū)動電路的設計完成之后，進行硬件合成。 系統(tǒng)的軟件設計通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)總體框架由主程序、中斷服務子程序和其他相應的輔助子程序。 系統(tǒng)功能 通過對其它單片機控制步進電機系統(tǒng)的分析，本論文的控制系統(tǒng)采用基于單片機的控制方案。系統(tǒng)應用了一片 AT89C51 單片機作為步進電機 控制器的核心運算器件，采用了電機驅(qū)動芯片 UM2020 及其外圍電路構(gòu)成了整個系統(tǒng)的驅(qū)動部分，再加上作為執(zhí)行部件的步進電機來構(gòu)成一個基本的步進電機控制系統(tǒng) ，本設計想使此系統(tǒng)具有以下功能和要求 ： (1)步進 電機運行于 單八拍 的方式 (亦稱為半步工作方式 )； (2)有 加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)四種模式 ； (3)預置步數(shù)運行模式時，步數(shù)設置范圍為 0~600 步 ； (4)連續(xù)運行模式時速度 8 檔可調(diào) (0~8)； (5)可以預置 改變方向 或者在運行時轉(zhuǎn)向 ； (6)共有 四 個按鍵來輸入，操作方便 ； (7)整個系統(tǒng)為 +5V 低電壓供電。 8 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 硬件是整個系統(tǒng)的平臺，各種功能的實現(xiàn)和軟件的運行都是以硬件為基礎的，所以硬件設計的合理與否從根本上決定了整個系統(tǒng)的質(zhì)量。 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖 所示： 圖 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)由電源模塊，步進電機驅(qū)動模塊，電機控制模塊，數(shù)碼管顯示模塊幾部分組成，電源模塊供電給單片機最小系統(tǒng)，通過單片機最小系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)各個模塊之間的聯(lián)系，通過控制模塊傳輸命令值到系統(tǒng)上，通過系統(tǒng)編碼控制電機的運轉(zhuǎn)方式，將運行的參數(shù)和指令返回至數(shù)碼管上顯示。 通過單片機上的外部中斷來實現(xiàn)電機的幾種運行方式，能有效的利用片內(nèi)資源，節(jié)省了單片機的功耗。 系統(tǒng)核心 —— AT89C51 AT89C51 簡介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。 高性能 CMOS8 位微處理器單片機的可擦 除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 ， 同時， 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 電源 1 七段LED 及運行狀態(tài)指示 電機驅(qū)動電路 按鍵 電源 2 步進電 機 9 停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 AT89c51u 單片機引腳圖如 所示。 圖 AT89C51 的引腳圖 AT89C51 主要特性： (1)與 MCS51 兼容 ； (2)4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ； (3)壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ； (4)數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 ； (5)全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz； (6)三級程序存儲器鎖定 ； (7)128*8 位內(nèi)部 RAM； (8)32 可編程 I/O 線 ； (9)兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ； (10)5 個中斷源 ； (11)可編程串行通道 ； (12)低功耗的閑置和掉電模式 ； (13)片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 ； AT89C51 管腳說明 ： (1)VCC：供電電壓。 10 (2)GND：接地。 (3)P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲 器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口 ， 當FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 (4)P1 口： P1 口是一個內(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 門電流。 P1 口管腳寫入 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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 (5)P2 口： P2 口為一個內(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 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，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， 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 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 (6)P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當 P3 口寫入 “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（記時器 0 外部輸入） ； T1（記時器 1 外部輸入） ； /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） ； /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） ； P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 11 (7)RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 (8)ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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 ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， 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，置位無效。 (9)/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 (10)/EA/VPP ：當 /EA 保 持 低 電 平 時 ， 則 在 此 期 間 外 部 程 序 存 儲 器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。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)部時鐘工作電路的輸入。 (12)XTAL2：來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 步進電機的四相； (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 。 詳細接線見附錄系統(tǒng)原理圖。 外圍電路設計 外圍電路包括顯示電路、鍵盤電路和驅(qū)動電路。 12 顯示電路設計 由 LED 組成的 7 段發(fā)光管顯示器是不太復雜的單片機應用系統(tǒng)常用外部設備之一。 (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，每一段都是一個發(fā)光二極管。將 7 個 LED 的陰極連在一起，稱之為共陰極接法。反之為共陽極接法。 (2)如果將公共陰極接地，而在 a～ g 各段的陽極加上不同的電壓，就會使各段的發(fā)光情況不同，形成不同的發(fā)光字符。加在 7 段陽極上的電壓可以用數(shù)字量表示，如果某一段的陽極為數(shù)字量 1，則這個段就發(fā)光；如為 0，則不發(fā)光。 數(shù)碼管的驅(qū)動電路 在本設計中使用了八個 7 段 LED 顯示器，采用動態(tài)顯示。即將多個 7 段 LED 的段選端復接在一起，只用一個 8 位輸出口控制段選，段選 碼同時加到各個 7 段 LED 顯示器上，通過控制各個顯示器公共陽極輪流接高電平的辦法，逐一輪流地啟動各個 LED。第一、二位數(shù)碼管顯示步進電機現(xiàn)在所在的狀態(tài)；第三位數(shù)碼管顯示步進電機加減速的檔位；剩下的數(shù)碼管用來顯示步進電機設置的步數(shù)。 13 圖 數(shù)碼管驅(qū)動電路圖 鍵盤電路設計 圖 鍵盤電路 一般鍵盤電路設計有矩陣鍵盤和獨立鍵盤兩種形式，本系統(tǒng)由于控制的按鍵比較少，就采用獨立鍵盤方式。由若干按鍵組成的獨立鍵盤，使最簡單的單片機輸入設備， 14 通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)人機對話。單片機定時檢測哪個按鍵按下，再 執(zhí)行相關操本系統(tǒng)的按鍵是低電平有效。鍵盤電路如圖 所示。 JP1 鍵預置步數(shù)鍵，可以設置步數(shù)一步一步增加， JP2 是加減速的檔位開關，可以實現(xiàn)檔位由 0－ 8 之間變化， JP3 是電機反轉(zhuǎn)開關，當按下一次時，實現(xiàn)電機的正常反轉(zhuǎn)方式，當再按下一次時，則進入反轉(zhuǎn)預置步數(shù)方式，可以預置步數(shù)并進行反轉(zhuǎn)運行，運行設置的步數(shù)后自動停止，并有暫停的可能， JP4 是電機正轉(zhuǎn)開關，其原理與 JP3 相似。 在處理按鍵程序前就先去抖動，防止因按鍵時產(chǎn)生的機械抖動而錯誤的重復執(zhí)行相應程序。所有按鍵處理程序都是在等按下的鍵松開后才執(zhí)行的。這些在 軟件編設計部分都會有說明。 驅(qū)動電路 圖 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路采用了步進電機專用控制器 UM2020 組合電路。這時一種很好的方案，可以有效地、準確的控制步進電機正反轉(zhuǎn)、加減速等功能。用兩個塊來控制步進電機很簡單方便。 硬件總體實現(xiàn) 以上 各個單元電路分別設計論證通過后，對電路進行總和，分為系統(tǒng)主體和驅(qū)動電路兩大塊。 15 系統(tǒng)原理圖和驅(qū)動電路原理圖見附錄。在繪制電路時，充分利用了 Proteus，從原理圖繪制到各驅(qū)動電路和外圍電路圖都是以 Proteus 為平臺的。使整個系統(tǒng)的設計開發(fā)過程更為規(guī)范，大大提高了效率。 16 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 本系統(tǒng)的軟件主要分