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

        2020-10-09 10:23:04袁煒張寶吳饒薛永航郝健
        電腦知識(shí)與技術(shù) 2020年18期
        關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)仿真

        袁煒 張寶 吳饒 薛永航 郝健

        摘要:為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制。本設(shè)計(jì)以AT89C52單片機(jī)為控制器,設(shè)計(jì)了一種步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。整體設(shè)計(jì)主要包括:驅(qū)動(dòng)電路、液晶顯示模塊、物理按鍵、系統(tǒng)的編程調(diào)試。根據(jù)功能要求,編寫(xiě)程序,進(jìn)行了仿真,結(jié)果顯示,該系統(tǒng)能夠很好地控制電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

        關(guān)鍵詞:AT89C52;驅(qū)動(dòng)電路;步進(jìn)電機(jī);仿真

        中圖分類(lèi)號(hào):TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1009-3044(2020)18-0214-03

        開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

        步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線(xiàn)位移的調(diào)制電機(jī),非常適合單片機(jī)控制[1]。廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域,步進(jìn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)是其應(yīng)用的關(guān)鍵所在。然而,傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速是運(yùn)用邏輯電路來(lái)完成的,調(diào)速?gòu)?fù)雜,昂貴耗時(shí),可應(yīng)用范圍小。故基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng),利用軟件程序控制步進(jìn)電機(jī),調(diào)速簡(jiǎn)單,低價(jià)高效,應(yīng)用廣泛,同時(shí)改變程序而改變控制方案,在一定的工業(yè)和生活場(chǎng)合均具有實(shí)用性?xún)r(jià)值。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能如下:控制電機(jī)正反停,實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),至少實(shí)現(xiàn)三級(jí)調(diào)速功能[2]。

        1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

        基于AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)方案中,通過(guò)硬件法和軟件法分配脈沖信號(hào)達(dá)到控制電機(jī)的通電換相變換控制[3]。接收脈沖信號(hào)后,步進(jìn)電機(jī)按照原定方向以固定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。在按鍵復(fù)位和時(shí)鐘電路中增加系統(tǒng)的交匯性,使其與外圍電路有機(jī)結(jié)合。通過(guò)液晶顯示將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速等情況實(shí)時(shí)顯示,同時(shí),根據(jù)實(shí)際工程的需要,增加的鍵盤(pán)來(lái)滿(mǎn)足電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速等其他功能。在軟件方面,依賴(lài)延時(shí)程序來(lái)控制,利用C語(yǔ)言編程調(diào)控脈沖的分配以及脈沖的上升沿與下降沿的通斷時(shí)間,完成對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。使用編程語(yǔ)言,提高了電機(jī)控制的準(zhǔn)確性和有效性,避免了系統(tǒng)震蕩和失步[4]。圖1為設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的框架。

        2 硬件電路設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)總體電路圖

        步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要以AT89C52單片機(jī)為CPU、配合驅(qū)動(dòng)電路、電源以及時(shí)鐘電路等幾部分。總體硬件電路如圖2所示。

        2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

        采用L298N芯片對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。L298N可提供高達(dá)2A輸出電流,工作電壓范圍寬,而且電路簡(jiǎn)單,使用比較方便。邏輯控制部分均采用5v直流電壓,通過(guò)控制邏輯部分電平的高低,改變驅(qū)動(dòng)電路提供給電機(jī)的電壓的大小和極性,從而改變電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速[5]。本次設(shè)計(jì)硬件電路部分的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示,步進(jìn)電機(jī)如圖4所示。

        2.3 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

        液晶顯示模塊使用LM016L,它是一種用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣型液晶模塊,具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集,可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng),閃爍等功能。將此模塊與單片機(jī)的外接引腳接口經(jīng)排阻連接[6]。如圖5所示,為此液晶模塊與單片機(jī)的連接電路圖。

        2.4 物理按鍵電路設(shè)計(jì)

        針對(duì)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、速度上升和速度下降共設(shè)計(jì)了6個(gè)物理按鍵,按鍵與AT89C52單片機(jī)引腳接口采取上拉阻排的結(jié)構(gòu)來(lái)避免因誤操作造成外電路和單片機(jī)損壞,最終通過(guò)軟件編程來(lái)達(dá)到控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的六種情況[7]。

        3 軟件程序設(shè)計(jì)

        3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

        根據(jù)設(shè)計(jì)要求,將該系統(tǒng)的軟件編程部分設(shè)計(jì)共包括以下幾個(gè)部分:AT98C52單片機(jī)運(yùn)行主程序設(shè)計(jì);物理按鍵掃描與中斷控制程序設(shè)計(jì);液晶顯示模塊初始化程序設(shè)計(jì);液晶顯示模塊顯示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)程序設(shè)計(jì)。

        3.2 AT98C52單片機(jī)運(yùn)行主程序設(shè)計(jì)

        該部分主要任務(wù)是對(duì)單片機(jī)端口的設(shè)置、函數(shù)的定義并對(duì)一些管腳進(jìn)行定義以及設(shè)置液晶顯示模塊的初始顯示值和字符等[8]。

        系統(tǒng)工作主體框圖如圖6所示:

        3.3 按鍵掃描與中斷控制程序設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)的6個(gè)獨(dú)立物理按鍵,分別對(duì)應(yīng)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速六種動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行控制[9]。如圖7所示,為按鍵控制流程圖。

        4 仿真及實(shí)現(xiàn)

        采用Proteus軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真[10],仿真效果完全符合要求,下面是電機(jī)啟動(dòng)、電機(jī)反轉(zhuǎn)及電機(jī)加速等部分仿真結(jié)果。

        4.1電機(jī)啟動(dòng)仿真

        按下“FOREWARD”按鈕,選擇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模式為正轉(zhuǎn),按下“SPEEDUP”按鈕,選擇速度,按下“STAR”按鈕,啟動(dòng)電機(jī),圖8為電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)仿真圖。

        4.2 電機(jī)反轉(zhuǎn)仿真

        按下“REVERSAL”按鈕,選擇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模式為反轉(zhuǎn),按下“SPEEDUP”按鈕,選擇速度,按下“STAR”按鈕,圖9為電機(jī)的反轉(zhuǎn)仿真圖。

        4.3 電機(jī)加速仿真

        電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下,按下“SPDDEUP”按鈕,實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。圖10為電機(jī)加速仿真圖。

        5 總結(jié)

        基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過(guò)軟硬件配合實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制,增強(qiáng)了對(duì)AT89C52單片機(jī)的理解和使用能力,掌握了驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、案件電路的使用方法。另外,提升了程序編寫(xiě)能力。該設(shè)計(jì)源于生活,應(yīng)用廣泛,具有較強(qiáng)實(shí)際參考價(jià)值。

        參考文獻(xiàn):

        [1]牛慧佳.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,201 8,36(7):11-12.

        [2]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(22):5-6,19.

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        [4]張秀輝,蘇娛,基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2016,12(12):279-280,286.

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        [7]付藝豪,許建明,李忠.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2016(4):149-150.

        [8]韓亮.異步電機(jī)的閉環(huán)定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2016,29(3):22-26.

        [9]劉寶志.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

        [10]坂本正文,步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].王自強(qiáng),譯,北京:科學(xué)出版社,2010.

        【通聯(lián)編輯:唐一東】

        基金項(xiàng)目:淮南師范學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目(2018xj30);淮南師范學(xué)院2018年“支持百名優(yōu)秀學(xué)生課外科技實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)基金”項(xiàng)目(2018XS146);淮南師范學(xué)院2019年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201810381005)

        作者簡(jiǎn)介:袁煒(1985-),男,安徽淮南人,助理實(shí)驗(yàn)師,碩士,研究方向:信息識(shí)別與處理,電氣設(shè)備故障診斷與處理等。

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