基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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摘要：本文介紹了該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，分析了主程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0011-02

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，是通過脈沖的方式進(jìn)行工作，其結(jié)構(gòu)是由定子和轉(zhuǎn)子組成的，線圈中每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，電流流過定子繞組時(shí)產(chǎn)生的矢量磁場(chǎng)就會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，當(dāng)輸入連續(xù)脈沖信號(hào)時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。早期的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)存在線路復(fù)雜，體積大，可靠性差，成本高，且低性能的單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制器抗干擾能力較差等問題。因此，利用單片機(jī)AT89C51能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的智能化控制，同時(shí)，降低成本，提高工作的可靠性增強(qiáng)通用性。

本文通過對(duì)該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、主程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試分析進(jìn)行系統(tǒng)的描述，設(shè)計(jì)了一套以單片機(jī)AT89C51作為控制核心，采用驅(qū)動(dòng)電路UNL2003，并選用液晶12864對(duì)其結(jié)果進(jìn)行顯示的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)即使在脫離PC機(jī)的狀況下也能正常工作，具有良好的人機(jī)交互機(jī)制，大大提高了系統(tǒng)的整體可用性。本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)程序編寫，實(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了程序代碼的可讀性，從而，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用一片ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心運(yùn)算器件，實(shí)時(shí)把電機(jī)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速通過LCD液晶顯示器顯示出來，并結(jié)合軟件來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、定轉(zhuǎn)圈數(shù)。同時(shí)還可以在運(yùn)行過程中，利用鍵盤輸入步進(jìn)電機(jī)將要工作的速度、圈數(shù)及方向等數(shù)據(jù)，來達(dá)到脫離PC的情況下，該系統(tǒng)還可以正常工作的目的。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)劣主要受步進(jìn)電機(jī)本身、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)控制器三個(gè)因素的影響。首先，步進(jìn)電機(jī)本身的優(yōu)劣表現(xiàn)在相同的時(shí)間內(nèi)電能損耗和溫度的提升，根據(jù)焦耳定律公式：Q=I2Rt，可以分析出在相同的電機(jī)線圈電阻和時(shí)間的情況下，電流決定了電能的損耗和溫度的提升，所以分析電流的變化已變成該因素的重點(diǎn)，而電機(jī)本身線圈繞組在電路中可以等效為一個(gè)電阻和一個(gè)電感的串聯(lián)電路，根據(jù)在一個(gè)由電源、開關(guān)、電機(jī)（電感和電阻）組成的等效電路中，分析電機(jī)（電感和電阻）電路中電氣特性可得到：在t=0時(shí)，電源電壓V施加到等效電路上時(shí)，等效電路總電流變化規(guī)律為：I（t）=V（1-e-Rt/L）/R，在電流沒有達(dá)到最大值前電流上升速率為：，而經(jīng)過一段時(shí)間，電流達(dá)到最大值：Imax=V/R，L/R定義為該等效電路上升和下降時(shí)的時(shí)間常數(shù)，是電流在電路中達(dá)到最大電流Imax的一個(gè)百分比常數(shù)所需要的時(shí)間。在t等于電流達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間t1，電流開始減小的過程中，電路中的電流變化規(guī)律為：I（t）=Ve-R（t-t1）/L/R，通過公式可以分析出步進(jìn)電機(jī)本機(jī)的損耗、溫度提升與繞組的電流成正比。其次，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括：控制步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組截止或?qū)ㄐ盘?hào)的邏輯控制電路；為電機(jī)控制繞組提供輸入電流，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的功率驅(qū)動(dòng)電路；電路出現(xiàn)故障時(shí)，為迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)工作的保護(hù)電路和電源。最后，電機(jī)控制器主要發(fā)生步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)，來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止及電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[1]。

本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)為硬件電路設(shè)計(jì)的核心控制步進(jìn)電機(jī)，可以從鍵盤輸入步進(jìn)電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)來進(jìn)行工作，實(shí)時(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)工作方式進(jìn)行設(shè)置，并且可通過通信電路將接收到的數(shù)據(jù)來控制電機(jī)的運(yùn)行，具有實(shí)時(shí)性和交互性的特點(diǎn)。硬件電路主要包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、鍵盤顯示電路、PC機(jī)通信電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及顯示電路，設(shè)計(jì)單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，如圖1所示[2]。

4 主程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試分析

主程序設(shè)計(jì)主要包括鍵盤子程序、正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計(jì)，程序分別作用于下位機(jī)系統(tǒng)、鍵盤、液晶12864初始化，初始化程序執(zhí)行完成后開啟串口中斷，與此同時(shí)對(duì)鍵盤值進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描的具體功能鍵值，判斷是那個(gè)功能鍵按下。之后根據(jù)收到的操作指令進(jìn)入某個(gè)功能子程序。后面如果運(yùn)行正常，將循環(huán)進(jìn)行以上操作[3]。

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)主要功能實(shí)現(xiàn)情況，特別對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試。主要是通過硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個(gè)方面來進(jìn)行，硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試兩部分，軟件調(diào)試可直接在編寫模塊程序時(shí)使用proteus軟件調(diào)試，并且下位機(jī)軟件調(diào)試采用單片機(jī)仿真器WAVE6000L及微機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)可以通過上位機(jī)精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，使系統(tǒng)具有更好的人機(jī)界面和通用性。同時(shí)基于單片機(jī)AT89C51作為控制核心的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合，降低了成本，簡(jiǎn)化了電路，通過液晶12864顯示和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，配合軟件實(shí)時(shí)的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。與此同時(shí)也可以脫離上位機(jī)工作，由鍵盤發(fā)出命令，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、步數(shù)和轉(zhuǎn)速，并由LCD顯示相關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。

參考文獻(xiàn)

[1]田聰，蘇暢.基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2017，（11x）：5-6+19.

[2]魏印龍，張向陽(yáng)，孔令揚(yáng).基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng)，2016，（8）：184-189.

[3]藍(lán)和慧，寧武，閆曉金.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽單片機(jī)應(yīng)用技能精解[M].電子工業(yè)出版社，2009.