51系列單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)研究

任艷焱， 史俊偉

（1.赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.中國人民解放軍第五七一五工廠，河南 洛陽 471000）

51系列單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)研究

任艷焱1， 史俊偉2

（1.赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.中國人民解放軍第五七一五工廠，河南 洛陽 471000）

目前電機(jī)控制已經(jīng)在很多的自動(dòng)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用.由于步進(jìn)電機(jī)具有易于精準(zhǔn)控制的良好性能，并且利用單片機(jī)來設(shè)計(jì)和開發(fā)的控制系統(tǒng)，可以很好地滿足性能可靠和結(jié)構(gòu)簡單的要求.所以本文利用 8051 單片機(jī)來對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制.

步進(jìn)電機(jī)；51 單片機(jī)；LED 顯示；接口

目前，控制電機(jī)的方式方法有很多，其驅(qū)動(dòng)方式一般有恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等.步進(jìn)電機(jī)必須由脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)才可以使用.其中用 51系列單片機(jī)微機(jī)系統(tǒng)，采用軟硬件結(jié)合的方法，可以有效地降低成本、節(jié)約資源.原因是近年來各種單片機(jī)的迅速發(fā)展和普及以及大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，所以說利用單片機(jī)與集成電路來控制步進(jìn)電機(jī)的方法不但靈活有效，而且易于實(shí)現(xiàn).

1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成為儀器儀表以及現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)中最重要的執(zhí)行部件之一，它具有控制靈活、啟停快捷、準(zhǔn)確定位、精度高、可以直接接收數(shù)字信號(hào)等優(yōu)越特點(diǎn)，尤其是步進(jìn)電機(jī)的高精度特點(diǎn)在以精度為要求的現(xiàn)代控制中是極為重要，所以它在很多領(lǐng)域中有著不可替代的地位.

我們都知道步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是由脈沖信號(hào)來控制的（脈沖信號(hào)一般由單片機(jī)或 CPU 產(chǎn)生），每當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，它可以作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)是通過切換每相線圈中的電流的順序來實(shí)現(xiàn)的，所以想改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率，所以說通過單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)是最切實(shí)可行的.在其控制系統(tǒng)里，步進(jìn)電機(jī)需要在CPU 的控制下，按工作程序的要求，實(shí)現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn).同時(shí)想要達(dá)到調(diào)速的目的可以通過控制脈沖頻率來控制它的速度和加速度.

2 51單片機(jī)

為了適應(yīng)嵌入式應(yīng)用的需要，單片機(jī)應(yīng)運(yùn)而生且已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)可以滿足不同領(lǐng)域需要的龐大家族.而 51系列單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上的逐漸完善而變成了有眾多制造廠商支持的發(fā)展處上百個(gè)品種的大家族.

單片機(jī)簡單的來講就是在一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)主要部分.因此可以說它是一臺(tái)簡單的計(jì)算機(jī)，但它的主要作用是用于控制.其中 51系列單片機(jī)屬于標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)，它主要包括由內(nèi)部總線相連的 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器（計(jì)數(shù)器）、可編程的輸入輸出口、串行口等.

3 顯示器

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，LED（數(shù)碼管顯示器）和LCD（液晶顯示器）是我們經(jīng)常用到的顯示器.由于他們的特點(diǎn)不同，其應(yīng)用的場合也不同.本次試驗(yàn)采用 LED 顯示.

LED 顯示器是由 8 個(gè)發(fā)光的二極管構(gòu)成，也可以成為數(shù)碼管，通過不同的組合來顯示不同的字符.它通常有兩種型號(hào)，共陰極和共陽極.以共陰極為例，它常用的顯示字形按照顯示字符順序排列，通常顯示代碼放在程序存儲(chǔ)器的固定區(qū)域，構(gòu)成顯示代碼表.想要顯示某個(gè)字符時(shí)，可以根據(jù)代碼表查找.

4 具體實(shí)現(xiàn)過程

步進(jìn)電機(jī)在其本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器.本次試驗(yàn)主要是通過讀取 LED 上顯示的步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的命令，還有它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，直到其轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)減為零后才轉(zhuǎn)動(dòng)停止.

在這次的實(shí)驗(yàn)過程里，我們采用 51單片機(jī)的P1 口，P1 口是一個(gè)準(zhǔn)雙向的 8 位并行口，主要作為通用的 I/O 口使用，由特殊功能寄存器 P1 管理 P1口各位的工作狀態(tài)，其地址為 90H, 各位地址為90H～97H.P1 口各位的結(jié)構(gòu)完全相同，但又互相獨(dú)立.其中 P1 口的 5 位 P1.0、P1.1、P1.5、P1.6、P1.7 還有第二功能.本試驗(yàn)中用到了 P1.0、P1.1、P1.3.通過這幾條 I/O 線,向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳送控制信號(hào).我們把步進(jìn)電機(jī)通電換相的過程稱為脈沖分配.而單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)嚴(yán)格按照步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式進(jìn)行.我們利用單片機(jī)的輸入輸出口線直接來控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路.

下面就程序的執(zhí)行過程作簡要概述：步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、停止等功能我們可以通過中斷程序來設(shè)置，我們知道單片機(jī)的中斷系統(tǒng)的主要作用是對(duì)其外部或者內(nèi)部的中斷請(qǐng)求進(jìn)行管理或者處理.那么，它的中斷源怎樣來選擇呢？因?yàn)槲覀円玫芥I盤，所以我們利用鍵盤作為它的一個(gè)外部中斷源是很好的選擇.控制步進(jìn)電機(jī)達(dá)到最優(yōu)效果可以通過調(diào)用中斷服務(wù)程序采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn).

我們通過鍵盤輸入數(shù)字，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)顯示器第一位為 0，反轉(zhuǎn)時(shí)為 1；顯示器第二位顯示0—F時(shí)表示步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，第三位到第六位為預(yù)先設(shè)定的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，當(dāng)我們按下F0/EX 鍵后，步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，步數(shù)逐漸減小到零時(shí)步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)程序流程圖如圖 1 所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)程序流程圖

5 部分實(shí)驗(yàn)程序

程序初始化部分以及其他部分程序省略.

6 結(jié)束語

本文由單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)、運(yùn)用中斷程序來控制步進(jìn)電機(jī).很好地滿足了控制系統(tǒng)的研制中最基本的性能可靠和結(jié)構(gòu)簡單的要求.

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2015 年 11 月 10 日