基于at89c51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)-在線瀏覽
2024-08-07 17:15本頁(yè)面
【正文】 （3）顯示模塊采用液晶顯示器。但設(shè)計(jì)僅需顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和所轉(zhuǎn)圈數(shù)，該方案雖然顯示直觀，但能實(shí)現(xiàn)更多的顯示的特點(diǎn)不能很好的發(fā)揮，并且器件昂貴。該方案程序復(fù)雜，但在同樣多的I/O口線條件下，行列式鍵盤(pán)能帶更多的按鍵，查詢工作方式也不用另接門(mén)電路。 方案二方案二：基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)方案采用AT89C51單片機(jī)作為控制模塊的核心，利用軟件編程使單片機(jī)輸出脈沖序列和方向控制信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)停止、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制。由七段LED共陰數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)預(yù)置圈數(shù)和所轉(zhuǎn)圈數(shù)的同步顯示。AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)控制器按鍵輸入電源電路驅(qū)動(dòng)電路數(shù)碼管顯示預(yù)置數(shù)控制清零脈沖序列方向控制信號(hào)步進(jìn)電機(jī)功率放大信號(hào)同步顯示圈數(shù)及轉(zhuǎn)速圖3 基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖（1）控制模塊采用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)、軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。還可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的位置、速度預(yù)設(shè)及顯示。并且，由于單片機(jī)芯片引腳少，軟硬件連接簡(jiǎn)便靈活，硬件容易實(shí)現(xiàn)。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達(dá)林頓的，專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的芯片，甚至在芯片內(nèi)部做了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管。電流200mA，飽和壓降VCE約為36V。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器(SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。（3）顯示模塊采用LED七段共陰數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，硬件電路簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)便、顯示信息清晰、器件價(jià)格低廉，但占用單片機(jī)I/O口較多。總共設(shè)置了15個(gè)按鍵，其中四個(gè)按鍵分別執(zhí)行對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、加速、減速四種控制功能。按鍵0～9完成預(yù)置步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)的功能，剩余一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)清零的功能。該方案原理易懂，程序簡(jiǎn)單，但占用Ｉ／Ｏ口線較多，軟件較容易，硬件電路較繁瑣。本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。（2）驅(qū)動(dòng)模塊：方案一驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要脈沖信號(hào)、信號(hào)分配、功率放大三部分組成。方案二的驅(qū)動(dòng)模塊直接采用ULN2003芯片進(jìn)行功率放大。（3）顯示模塊：由于設(shè)計(jì)僅需同步顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)，方案一采用液晶顯示器，雖然顯示直觀，但能實(shí)現(xiàn)更多的顯示的特點(diǎn)不能很好的發(fā)揮，并且器件昂貴。(4)人機(jī)交互模塊：方案一采用4乘4矩陣鍵盤(pán)，查詢工作方式，程序復(fù)雜，軟件雖然較難但電路較簡(jiǎn)單，價(jià)格較貴。方案選擇：綜上所述，通過(guò)對(duì)兩種方案進(jìn)行分析比較，雖然方案一功能強(qiáng)大，但軟件編程復(fù)雜、硬件實(shí)現(xiàn)較困難、器件價(jià)格較高；方案二不盡能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)要求的功能，而且軟件編程靈活、自由度大、硬件實(shí)現(xiàn)較容易、元器件性價(jià)比較高，因而綜合考慮采用方案二。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線和4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。依次類(lèi)推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。單四拍、b、c所示。電機(jī)是種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。圖6 步進(jìn)電機(jī)的接線本設(shè)計(jì)采用的步進(jìn)電機(jī)是25BY2406，因生產(chǎn)廠家不同，其接線也有所不同。表1 步進(jìn)電機(jī)控制線控制線顏色黑橙棕黃控制線名稱(chēng)ABCD其中，C與D是電機(jī)內(nèi)部一組線圈的兩個(gè)抽頭， A與B是另一組線圈的兩個(gè)抽頭。AT89C51單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)中包含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、4個(gè)I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。圖7 MCS51系列單片機(jī)管腳圖 ULN2003芯片介紹ULN2003 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片。圖8 ULN2003芯片圖 LED七段數(shù)碼管介紹本設(shè)計(jì)采用六位LED共陰數(shù)碼顯示管作為顯示部分，即將每個(gè)數(shù)碼管的a～g及dp端串聯(lián)在一起，公共端作為位選信號(hào)輸入端。圖10 控制模塊硬件電路圖脈沖信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。根據(jù)要求，所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)八拍通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。本設(shè)計(jì)中，,，B，C,D四相繞組?！苯铀腿險(xiǎn)LN2003芯片進(jìn)行功率放大，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流和電壓，以此驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。由AT89C51單片機(jī)產(chǎn)生的段選信號(hào)從P0輸出，經(jīng)過(guò)1K左右的上拉排阻驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，位選信號(hào)從P2口輸出直接送數(shù)碼管顯示。圖12 顯示模塊硬件電路圖 （4）人機(jī)交互模塊采用獨(dú)立式按鍵，中斷工作方式。四個(gè)按鍵不可同時(shí)按下，當(dāng)其中一個(gè)按下時(shí)控制電機(jī)的某一種狀態(tài)。采用獨(dú)立式按鍵，原理易懂，軟件編序簡(jiǎn)單。整個(gè)程序采用C 語(yǔ)言編程，使程序簡(jiǎn)單易讀，在整個(gè)過(guò)程中采用模塊化調(diào)試，可靠性好。圖15 系統(tǒng)程序流程圖3 電路調(diào)試以上為本作品的設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果的詳細(xì)介紹，但是，從本質(zhì)上來(lái)講，都是純理論的設(shè)計(jì)和分析。同時(shí)，在軟硬件電路的調(diào)試過(guò)程，也可以發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)作品中有沒(méi)有一些不足和錯(cuò)誤的地方。 軟件的仿真 系統(tǒng)電路軟件仿真的步驟如下：（1）打開(kāi)protuse仿真軟件；（2）在軟件的元器件庫(kù)中選擇所需的器件；（3）按照硬件電路設(shè)計(jì)方案連線；（4）加載編譯好的HEX文件；（5）運(yùn)行、調(diào)試；（6）如有錯(cuò)誤或與設(shè)計(jì)預(yù)期不相符，則繼續(xù)進(jìn)行步驟3～5，進(jìn)行調(diào)試，至到調(diào)試成功。圖16系統(tǒng)仿真軟件圖 硬件電路的調(diào)試當(dāng)硬件設(shè)計(jì)從布線到安裝完成之后，就開(kāi)始進(jìn)入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體分為以下幾步。（3）排除元器件失效圖17硬件電路調(diào)試圖4 數(shù)據(jù)分析及總結(jié) 測(cè)試數(shù)據(jù)及說(shuō)明圈數(shù)測(cè)試：在步進(jìn)電機(jī)的機(jī)殼上做一個(gè)標(biāo)記，從該標(biāo)記處讓步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行圈數(shù)進(jìn)行記數(shù)，記數(shù)結(jié)果與預(yù)定值及顯示值進(jìn)行比較。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)
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