曹宇

渤海大學(xué)

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基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

曹宇

渤海大學(xué)

本設(shè)計(jì)運(yùn)用了單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)芯片以及各種鍵盤(pán)等有利于步進(jìn)電機(jī)、控制器及驅(qū)動(dòng)器的相互結(jié)合。本文分析了步進(jìn)電機(jī)的調(diào)頻模式，使用L協(xié)同仿真的方法，對(duì)于系統(tǒng)周期良好運(yùn)行有著重要的意義。

單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng) 調(diào)頻

1　引言

步進(jìn)電機(jī)對(duì)于實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換有著重要的意義，傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制模式是通過(guò)觸發(fā)器進(jìn)行控制，如果改變了步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)可以更好地設(shè)計(jì)控制器。這種觸發(fā)器有利于控制系統(tǒng)，而且控制的電路比較復(fù)雜，精度也不會(huì)很高，而且生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生比較高的成本。電子功率作為一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制才能運(yùn)作，然后根據(jù)人們希望的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，最終克服傳統(tǒng)控制器的不足。這種運(yùn)行方式符合工業(yè)生產(chǎn)的基本需求，并且有利于提升生產(chǎn)積極性，在數(shù)字系統(tǒng)的控制過(guò)程中的應(yīng)用也很廣泛。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)一般由鍵盤(pán)以及上位機(jī)等構(gòu)成，PC模塊也可以很好的進(jìn)行控制，這種控制系統(tǒng)的功能很多，包括系統(tǒng)的啟動(dòng)以及暫停，有利于電機(jī)更好的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向，通過(guò)三相和四相電機(jī)就可以進(jìn)行控制，通過(guò)PC上位機(jī)也可以很好的進(jìn)行控制，為了更好地控制PC單片機(jī)，必須要設(shè)置各種保護(hù)電路。

3　系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

3.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般是管道的控制端口，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的P10，P11，P123位接口可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的A，B，C 3組進(jìn)行控制，而且通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)電路可以更好地控制單片機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)可以對(duì)軟件進(jìn)行很好的控制，功率放大器有利于功率的放大，我們知道單片機(jī)的輸出為1，反相器就可以成為低電平，而且也不會(huì)發(fā)生二極管發(fā)光的情況，也會(huì)讓三極管截止，電機(jī)也不利于對(duì)電源的接通，如果單片機(jī)的接口為0時(shí)，那么轉(zhuǎn)向器就會(huì)是高電平而且有利于三極管的導(dǎo)通，電機(jī)組可以進(jìn)行通電，很好地進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，而且可以根據(jù)順序的變化對(duì)接口的通電順序進(jìn)行變化，也可以對(duì)點(diǎn)擊的方向進(jìn)行控制，通過(guò)隔離的方法控制器以及外部驅(qū)動(dòng)電路，那么就不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，有利于提升系統(tǒng)的可靠性，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，圖中電阻 R14、R21、R22 為 50 ? 起限流作用。第一和第三流為細(xì)流二極管，電阻可以通過(guò)二極管得到衰減，也能夠很好的保護(hù)步進(jìn)電機(jī)，最終保護(hù)了功率管，降低了電流的放電次數(shù)，而電流次數(shù)的不斷下降使高頻工作性能的提升得到了保障。

圖2　驅(qū)動(dòng)電路

圖1　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

3.2鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)部分需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，而且要注意啟動(dòng)以及停止功能的操作。在啟動(dòng)電機(jī)的時(shí)候需要進(jìn)行電機(jī)的運(yùn)行，輸入數(shù)字之后就可以傳入?yún)?shù)，為了促進(jìn)系統(tǒng)移動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，需要設(shè)置相關(guān)的功能鍵，選用 8155 接口芯片作為鍵盤(pán)與顯示接口，有16鍵鍵盤(pán)和8位led數(shù)碼顯示管，8155芯片的片選信號(hào)CE與高位地址P2.7連接。

因?yàn)槠叫芯€通過(guò)上拉電阻可以進(jìn)行電源的連接，如果按鍵不需要向下按時(shí)，各個(gè)線路就輸出高電平；如果線路出現(xiàn)低電平時(shí)，按下按鍵就會(huì)產(chǎn)生低電平。據(jù)此原理，可以掃描整個(gè)鍵盤(pán)，也可以對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行檢查，最終確定按鍵的情況。如果沒(méi)有按鍵按鈕，新線和年線就會(huì)斷開(kāi)，行線與列線也會(huì)斷開(kāi)。行線上全是高電平，就是不全部為1，獲得的鍵值就是按鍵值，一般掃描鍵盤(pán)的時(shí)間不長(zhǎng)，只需要花費(fèi)10微秒的時(shí)間。但可能會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)的按鍵時(shí)間，所以只要按鍵按下的時(shí)候就可以被掃描，因?yàn)榧みM(jìn)點(diǎn)的彈性以及電壓的問(wèn)題，在閉合或者是斷開(kāi)的瞬間就會(huì)產(chǎn)生電壓抖動(dòng)的情況，所以要做好去抖動(dòng)處理，通過(guò)軟件的延時(shí)就可以躲過(guò)抖動(dòng)，一般花費(fèi)10秒的時(shí)間。

3.3顯示電路設(shè)計(jì)

Led 2極管作為一種顯示元件，通過(guò)擴(kuò)展芯片就可以點(diǎn)燃數(shù)碼管。要點(diǎn)亮led數(shù)碼管，需要轉(zhuǎn)換LED的數(shù)字段碼，在顯示的過(guò)程中要通過(guò)查表程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，led的轉(zhuǎn)換方式一般是靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，本系統(tǒng)主要通過(guò)動(dòng)態(tài)顯示的方法來(lái)轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)的設(shè)置一般是上下限的溫度報(bào)警，如果測(cè)量的溫度比系統(tǒng)設(shè)置的溫度要高，那么報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)提示。為了促進(jìn)雙重保險(xiǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，在電路中可以實(shí)現(xiàn)蜂鳴報(bào)警，通過(guò)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的方法發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警，鍵盤(pán)中的鍵會(huì)和單片機(jī)相連接，所以要進(jìn)行硬件的抖動(dòng)處理，一般需要使用16個(gè)鍵盤(pán)，在這里我們使用了5個(gè)鍵盤(pán)，降低了硬件損耗。5 個(gè)按鍵分別是“進(jìn)入”、“確定”、“△”、“ ”和“返回”；5 個(gè)按鍵分別接入“P3.2”、“P1.0—P1.3I/O”口。在按下按鍵的時(shí)候，輸入口一般是高電平，如果沒(méi)有發(fā)生按鍵事件，輸入口就是低電平，1.0μF 電容用于鍵盤(pán)消抖；綠、黃兩個(gè)指示燈分別指示溫度源的狀態(tài)：自動(dòng)、手動(dòng)。高電平有效（TTL），分別接入單片機(jī)“P1.4”、“P1.5I/ O”口。

4　軟件結(jié)構(gòu)

4.1軟件設(shè)計(jì)思想

軟件系統(tǒng)一般需要匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，時(shí)鐘的晶振為12mhz，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行掃描，而且可以依照不同的功能需要進(jìn)入模塊中，主要的設(shè)計(jì)程序包括掃描程序以及按鍵掃描程序，控制系統(tǒng)中單片機(jī)可以發(fā)生各種脈沖，系統(tǒng)的軟件編制是一種定時(shí)訓(xùn)練，不需要軟件的原始操作，也不會(huì)占用許多的CPU，可以更好的進(jìn)行操作和運(yùn)行，也能夠更好的操作脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的工作方法以及工作程序如下：

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。

如果要更好進(jìn)行通電操作，就要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)操作，如果通電程序相反就要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反向操作。在編制各種程序的時(shí)候，存儲(chǔ)器必須要能夠存貯各種代碼，這樣單片機(jī)接口就可以傳送各種代碼，對(duì)于控制步進(jìn)電機(jī)有著良好的作用，要尋找更好的步進(jìn)電機(jī)控制方法，不改變脈沖頻率的方式就可以促使速度改變，但是脈沖頻率不能夠太高，這樣可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況發(fā)生，為了讓電機(jī)更加穩(wěn)定地得到運(yùn)行，通過(guò)定時(shí)器就可以對(duì)脈沖進(jìn)行控制，而且可以很好地保證CPU運(yùn)行，有利于脈沖輸出程序的執(zhí)行。

4.2軟件總系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般的流程圖是一種模塊化結(jié)構(gòu)，可以對(duì)各種控制量進(jìn)行映射，也能夠修改模塊，這種模塊是一種無(wú)擾動(dòng)的輸入模式，軟件模塊的功能通過(guò)子程序可以得到劃分，程序可以對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行調(diào)動(dòng)，有利于明確模塊功能，這種直流電源供電的方式有利于電機(jī)更好通電，而且有利于電機(jī)保持更好的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，按鍵程序包括按鍵掃描和按鍵抖動(dòng)，通過(guò)對(duì)不同的按鍵進(jìn)行掃描方式，對(duì)相關(guān)的程序做好各種處理工作。前置的掃描是一種控制型按鍵，因?yàn)檫@種模塊使用了傳統(tǒng)的編碼模式，所以更容易進(jìn)行程序的編譯，而且資源的占用量不多，可以通過(guò)數(shù)碼管以及動(dòng)態(tài)的掃描方式進(jìn)行掃描。

5　結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)可以對(duì)鍵盤(pán)的參數(shù)進(jìn)行控制，包括進(jìn)行啟動(dòng)以及停止操作，顯示器可以輸入數(shù)據(jù)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)輸入鍵盤(pán)可以帶動(dòng)電機(jī)的工作，因?yàn)閱纹瑱C(jī)可以進(jìn)行電機(jī)的控制，而且控制的價(jià)格很高，本次步進(jìn)電機(jī)的控制有利于步進(jìn)速度的控制，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)更平穩(wěn)的運(yùn)行，有利于抗干擾能力加強(qiáng)，而且在許多方面應(yīng)用很廣泛。

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