步進電機的單片機控制硬件系統設計

熊超美

(湖北地質勘查裝備中心,湖北武漢 430034)

步進電機的單片機控制硬件系統設計

熊超美

(湖北地質勘查裝備中心,湖北武漢 430034)

文章以28BY J-48步進電機為例,以STC89C52單片機為控制核心,以串行通訊接口為程序下載通道,以protel99SE為電路設計平臺,對步進電機及其控制方法進行了論述,設計了硬件接口。該設計具有通用性,對于不同步進電機,可以通過修改相應的電路及相關程序實現,提高了系統控制的靈活性。此種方法高效、方便、成本低廉,在實際應用中有著很高的利用價值。

步進電機;STC單片機;控制系統

為了提高步進電機硬件系統控制的靈活性,以28BY J-48步進電機為例,以STC89C52單片機為控制核心,以串行通訊接口為程序下載通道,以Protel99SE為電路設計平臺設計的硬件接口,對于不同步進電機,可以修改相應的電路及相關程序實現,在實際應用中有極高的利用價值。

1 步進電機的控制硬件系統

步進電機的單片機控制系統硬件原理圖如圖1所示。

圖1 系統控制硬件結構示意圖

用內部含Flash存儲器的單片機STC89C52RC[1]作為核心部件,并配以晶振電路,復位電路,通過擴展外圍設備及接口電路完成整個系統對步進電機的控制。本系統環形分配功能由單片機系統實現,采用軟件編程的辦法實現脈沖分配。

2 串行通訊接口

本系統中所使用的串行通訊芯片為MAX232[2]。RS232-C是標準的串行通訊的協議,也就是說它是用于相關設備進行串行通訊所使用的標準。

2.1 串行通訊接口的優點

所謂串口類似于一條車道,而并口就是有8個車道同一時刻能傳送8位(一個字節)數據。由于8位通道之間的互相干擾,傳輸時速度就受到了限制,所以并不比串口快。而且當傳輸出錯時,要同時重新傳8個位的數據。串口沒有干擾,傳輸出錯后重發一位就可以了,因而傳輸速度要比并口快。所以,它通常是用來作為跟PC機和單片機進行通訊的首要選擇。本文也正是利用了它的這一特點。

2.2 串口的硬件連接圖

串口的硬件連接圖如圖2所示。

圖2中最左邊的D形9針接口是與上位機的接口,MAX232CPE是電平轉換芯片,實現單片機與上位機的串行通訊過程中的電平轉換,即將RS232對地對稱的12 V邏輯電平轉換成5 V的 TTL電平。接線圖中,除一些必要的電源和電容的連接外,其10口T1IN與單片機的TXD端相接,9口R2OUT端與單片機的RXD端相接,實現單片機與上位機的通訊,用來向單片機中燒寫程序。

3 單片機最小應用系統

3.1 單片機最小應用系統的電路

單片機最小應用系統的電路如圖3所示。

圖2 串口的硬件連接圖

圖3 單片機最小應用系統

3.1.1 時鐘電路[3]

STC89C52RC雖然有內部振蕩電路,但要形成時鐘,必須外部附加電路。80C51單片機的時鐘產生方法有兩種:內部時鐘方式和外部時鐘方式。

本文采用內部時鐘方式,利用芯片內部的振蕩電路,在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件,內部的振蕩電路便產生自激振蕩。本設計采用最常用的內部時鐘方式,即用外接晶體和電容組成的并聯諧振回路。振蕩晶體可在1.2 MHz到12 MHz之間選擇。電容值無嚴格要求,但電容取值對振蕩頻率輸出的穩定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響,CX1、CX2可在20 pF到100 pF之間取值,在本設計中,振蕩晶體選擇11.059 2 MHz,電容選擇30 pF。

在制作電路板時,晶體和電容應盡可能靠近單片機芯片安裝,以減少寄生電容,更好地保證振蕩器穩定和可靠地工作。為了提高溫度穩定性,應采用NPO電容。

3.1.2 復位電路[3]

STC89C52RC的復位是由外部的復位電路來實現的。復位引腳RST通過一個斯密特觸發器用來抑制噪聲,在每個機器周期的S5P2,斯密特觸發器的輸出電平由復位電路采樣一次,然后才能得到內部復位操作所需要的信號。

復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。

最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的。只要Vcc的上升時間不超過1 ms,就可以實現自動上電復位。時鐘頻率用12 MHz時C取22μF,R取1 kΩ。

除了上電復位外,有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經電阻與電源Vcc接通而實現的。時鐘頻率選用12 MHz時,C取22μF,R0取100Ω,R1取1 kΩ。

3.2 單片機的選擇

51系列的應用目前來說也是最為廣泛的,所以理所當然地選擇了51系列。但同時考慮到后續過程中程序的燒寫問題,選擇了能夠通過串口進行程序燒寫的STC89C52RC,雖然對于本文應用到的硬件資源來說,用這個單片機有點浪費,但考慮到主要矛盾是程序下載的更便宜解決方法,綜合考慮就選擇了用STC89C52RC作為控制芯片。

4 硬件接口和脈沖驅動電路

4.1 電機的接口定義

實際接線紅線接電源5 V;定義橙色線為A相,接P1.0口;黃色線為B相,接P1.0口;粉色線為C相,接P1.2口;藍色線為D相,接P1.3。

由所選電機作如下接線設定:P1.0接A相(橙色線),P1.1口接B相(黃色線),P1.2口接C相(粉色線),P1.3口接D相(藍色線),由于本設計中有一部分是用到兩個電機的,另一個電機接線定義如下: P1.4口接A相,P1.5口接B相,P1.6口接 C相, P1.7口接D相。

4.2 電機驅動

對電機的驅動實際上是功率的放大。因為無論是選擇硬件環還是軟件環分,其輸出的功率極小(只有幾毫安的電流),這樣就必須將其經過功率放大器進行放大,才能給繞組提供足夠的驅動電流,而且步進電機有幾相就需要幾組功率放大驅動。步進電機工作系統如圖4所示。

圖4 步進電機的工作系統框圖

4.3 驅動芯片的選擇

由于集成電路的飛速發展,現在無需自己搭建驅動電路[13],可以很方便地直接選用驅動芯片。考慮到通用性及性能,本設計選擇最較常用的驅動芯片ULN2003作為電機驅動。因為ULN2003工作電壓高,工作電流大,灌電流可達500 mA,并且能夠在關態時承受50 V的電壓,輸出還可以在高負載電流并行運行,剛好能夠滿足步進電機運轉對高電流的需求。

4.4 步進電機工作電路圖

步進電機的工作電路圖如圖5所示。

整個系統起初擬定的是采用一個USB電源供電,實際使用電路時發現僅使用這個電源只能驅動一個電機工作,其他部分均因為電流不足而無法工作,故又增加一個電源,對ULN2003和電機單獨采用9 V干電池供電,改進之后發現各部分均能正常工作。唯一欠缺的是,單片機與驅動芯片之間沒加光電隔離[4]以防干擾,不過這也是考慮本系統的被控制對象較單一(只有兩個電機和一個四門數碼管)的緣故。

4.5 速度顯示電路[5]

本設計中用兩片4位八段數碼管L G3641BH作顯示器,并具有雙重功能,在單個電機作加減速運動時動態顯示[3]電機的各時間段的不同速度;在兩電機作直線插補運動時分兩位用十六進制顯示各電機所走的步數。

由于單片機的輸出功率比較小需要使用驅動,選擇相對較為便宜的驅動方法——三極管驅動[2]LED位選線。

硬件電路圖如圖6所示。

圖6中,數碼管為共陽極型的,采用PNP型的三極管作為驅動。

5 結束語

該設計具有通用性,對于不同步進電機,可以通過修改相應的電路及相關程序實現,提高系統控制的靈活性。該方法高效、方便、成本低廉,在實際應用中有著很高的利用價值。結果表明,該步進電機控制系統能實現預期的走步和兩軸協調運行,達到了較好的控制效果。

圖5 步進電機工作電路圖

圖6 顯示電路

[1] 徐進強.基于STC單片機的經濟型步進電機控制系統[J].現代電子技術,2009,(14):197-199.

[2] 王海波,吳曉光,李沛,等.基于AT89S52單片機的步進電機控制系統設計[J].萬方數據,2009,11:161-162.

[3] 余錫存,曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000.

[4] 劉興輝,畢國玲.步進電機的單片機控制系統研制[J].遼寧大學學報自然科學版,2007,(4):319-321.

[5] 李正浩,姜寶鈞,鄧興成.51單片機在LED數碼管顯示中的應用[J].實驗科學與技術,2006,12(增刊):95-98.

Single-chip Control Hardware System Design of Stepper Motor

XIONG Chao-mei
(Hubei Geological Prospecting Equipment Center,W uhan430034,China)

Taking the 28BY J-48 stepper motor as an example,the STC89C52 single-chip as the control core,the serial communication connection as the procedure downloading channel,by the protel99SE circuit design platform, the paper has carried on the elaboration to the stepper motor and its control method,and designed the hardware interface.The design has versatility,regarding different stepper motors,and it might realize to enhance the systems control flexibility through modifying the circuit and related procedures.This method is highly effective,convenient and cost is low,so it has the very high use value in the practical application.

stepper motor;stc single-chip;control system

TD68

A

1003-5540(2011)01-0061-04

熊超美(1958-),男,工程師,主要從事選礦設備電氣自動化及電路設計工作。

2010-10-26