王文明 董紹江 劉娟等

摘 要：研究機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的目的是簡化機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。隨著機(jī)器人控制和功能的日益復(fù)雜化，機(jī)器人體系已硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來越受到重視，其中通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)是重點(diǎn)。所以研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，對提高機(jī)器人控制精度和響應(yīng)速度具有重要意義。

關(guān)鍵詞：STC89C52 步進(jìn)電機(jī) ULN2003驅(qū)動(dòng)

中圖分類號：TM307.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0233-01

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的目的是以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)出一個(gè)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用STC89C52作為控制單元，通過鍵盤實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，并且將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)用四個(gè)LED燈指示。

2 硬件選擇

目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類如表1所示。

通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中采用常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。在本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)。

ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在搞負(fù)載電流并行運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)中采用ULN2003作為驅(qū)動(dòng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的，本系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)要求做到以下幾點(diǎn)。

（1）軟件結(jié)構(gòu)清晰，簡捷，流程合理。

（2）各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化。

（3）程序存儲區(qū)，數(shù)據(jù)存儲區(qū)要合理規(guī)劃，既能節(jié)約內(nèi)存容量，又使操作方便。

（4）運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。各個(gè)功能程序運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求都要設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志以便查詢，程序轉(zhuǎn)移，控制都可通過狀態(tài)標(biāo)志條件來控制。

4 硬件連接

連接好硬件電路，上電復(fù)位，程序開始運(yùn)行。

（1）此時(shí)步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，LED不顯示；按下啟停鍵，步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，LED數(shù)碼管顯示數(shù)值當(dāng)前數(shù)值，即當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分。

（2）此時(shí)每按下加速鍵一次，LED亮的個(gè)數(shù)值加1，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度相應(yīng)增加；此時(shí)每按下減速鍵一次，LED亮的個(gè)數(shù)值減1，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度相應(yīng)減少；此時(shí)若按下方向控制鍵，步進(jìn)電機(jī)立即向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度保持不變。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋錦河.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)[J].鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（10）：4-6.

[2] 黃堅(jiān)，自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2004：124-126.

[3] 徐薇莉，曹柱中.控制理論與設(shè)計(jì)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003：87-88.