基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)控制器

1、基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)控制器應(yīng)教054 丁敬坤摘要：本系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)組成。通過按鍵來控制單片機(jī)，通過p1口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，達(dá)到對(duì)電機(jī)控制的目的。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用方便、可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制、具有較大的靈活性和適應(yīng)性等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) at89c511 引言微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)給人類生活帶來了根本性的變化，使現(xiàn)代科學(xué)研究發(fā)生了質(zhì)的飛躍，單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。同時(shí)，隨著科技技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)步，在工業(yè)過程控制及某些儀表中，經(jīng)常會(huì)用到步進(jìn)電機(jī)，其

2、精度高，具有快速起/停能力，可對(duì)位移量、旋轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)速度等進(jìn)行高精度控制，作為控制執(zhí)行部件而廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域和精密機(jī)械領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程或設(shè)備的精確控制。本設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，操作者可通過系統(tǒng)的按鈕和開關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向，正反轉(zhuǎn)速度要求變化，同時(shí)為了可以直觀的看出電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，其速度檔位和旋轉(zhuǎn)方向可以在數(shù)碼管上顯示出來。2 總體設(shè)計(jì)方案2.1、設(shè)計(jì)思路根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，如果通過單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電路。就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度大小與施加的脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與脈沖的順序有關(guān)。常用的步進(jìn)電機(jī)有三

3、相、四相、五相和六相，相數(shù)越多，輸出轉(zhuǎn)距就越平穩(wěn)。2.2、單片機(jī)簡(jiǎn)介單片計(jì)算機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)。（single-chip microcomputer ）,是集cpu ,ram ,rom ,定時(shí)，計(jì)數(shù)和多種接口于一體的微控制器。他體積小，成本低，功能強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于智能產(chǎn)品和工業(yè)自動(dòng)化上。而51 單片機(jī)是各單片機(jī)中最為典型和最有代表性的一種。2.3、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（pm） ，反應(yīng)式（vr）和混合式（hb），步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于在開環(huán)下就能實(shí)現(xiàn)精確定位的特點(diǎn)，使其在工

4、業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（步距角）或前進(jìn)/倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。2.3.1、四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理該設(shè)計(jì)采用了20by-0型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，

5、使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。2.3.2、四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四拍，和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時(shí)的時(shí)序與波形分別如圖1 a、b、c所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高

6、到一定的程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。圖1 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖表1四相單四拍脈沖分配表 表2 四相雙四拍脈沖分配表2.4、方案論證從該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向指示，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線和一根啟動(dòng)信號(hào)線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān)。這里選用的是國(guó)產(chǎn)20by-0型步進(jìn)電機(jī)，它使用+5v直流電源，步距角為18度的四相步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)共有4相繞組，工作電壓為5伏，可以和單片機(jī)共用一個(gè)電源。步進(jìn)電機(jī)的4相繞組用p1口的p1.0p1.

7、3控制，由于p1口驅(qū)動(dòng)能力不夠，因而用一片2003增加驅(qū)動(dòng)能力。用串口輸出方式顯示，外接串并轉(zhuǎn)換芯片74ls164可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示，減少了軟件開銷，同時(shí)只占兩根口線，串口p3.0、p3.1外擴(kuò)兩片74ls164串并轉(zhuǎn)換芯片即可滿足顯示要求，選用共陽接法的數(shù)碼管。2.5、設(shè)計(jì)框圖驅(qū)動(dòng)電路at89c51單片機(jī)電機(jī)控制輸入電路最小系統(tǒng)電機(jī)狀態(tài)/轉(zhuǎn)速顯示電路圖2 總體設(shè)計(jì)框圖3 設(shè)計(jì)原理分析3.1、硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括最小系統(tǒng)、控制電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路四大部分組成。最小系統(tǒng)主要是為了使單片機(jī)正常工作；控制電路主要由開關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需求進(jìn)行操作；顯示電路主要是為了顯

8、示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速；驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。3.1.1、最小系統(tǒng)圖3 復(fù)位及時(shí)鐘振蕩電路單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì)51系列單片機(jī)來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。復(fù)位電路通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。常用的上電或開關(guān)復(fù)位電路圖3所示。上電后，由于電容c1的充電作用，使rst持續(xù)一段時(shí)間的高電平，持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)

9、位。單片機(jī)在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵s1后松開，也能使rst為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作晶振電路：8031單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳xtal1和xtal2外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖3示。其電容值一般在5-30pf。晶振頻率的典型值為12mh2，采用6mhz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘情號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中使用較多3.1.2、控制電路根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置

10、了啟動(dòng)控制、換向控制、加速控制和減速控制按鈕，分別是k1、k2、s2、s3，控制電路如圖4所示。通過k1、k2狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和換向功能，當(dāng)k1、k2的狀態(tài)變化時(shí)，內(nèi)部程序檢測(cè)p3.4和p3.5的狀態(tài)來調(diào)用相應(yīng)的啟動(dòng)和換向程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖的頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于單片機(jī)而言，主要的方法有：軟件延時(shí)和定時(shí)器中斷。在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制主要是通過定時(shí)器的中端來實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加減速主要是通過s2、s3通過控制外部中斷0，外部中斷1，實(shí)現(xiàn)加速和減速的控制。通過s2、s3的斷開

11、和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖4 控制電路原理圖3.1.3、顯示電路在該步進(jìn)電機(jī)的控制器中，電機(jī)可以正反轉(zhuǎn)，可以加速、減速，其中電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級(jí)分為七級(jí)，為了方便知道電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速的等級(jí)，這里設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的工作狀態(tài)的顯示電路。在顯示電路中，主要是利用了單片機(jī)的串行口，單片機(jī)89c51的串行口是一個(gè)全雙工的串行通信口，可作為同步移位寄存器使用，其數(shù)據(jù)由rxd（p3.0）端串行輸出和輸入；而同步移位時(shí)鐘由txd（p3.1）端串行輸出，在同步時(shí)鐘作用下，可實(shí)現(xiàn)由

12、串行到并行的數(shù)據(jù)通信。該電路中，主要是利用串行口加外圍芯片74hc164構(gòu)成的電機(jī)狀態(tài)及轉(zhuǎn)速等級(jí)顯示電路，第一個(gè)數(shù)碼管顯示電機(jī)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時(shí)顯示“0”，反轉(zhuǎn)時(shí)顯示“”。第二個(gè)數(shù)碼管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級(jí)別，共7級(jí)，顯示數(shù)字從17，“0”為停止。電路如圖5所示，使用了共陽數(shù)碼管。圖5 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)速顯示電路3.1.4、驅(qū)動(dòng)電路目前，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有：?jiǎn)坞妷候?qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)、集成電路驅(qū)動(dòng)、雙極性驅(qū)動(dòng)。這里采用了集成電路驅(qū)動(dòng)，從單片機(jī)的p1口輸出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖送入功率驅(qū)動(dòng)集成電路uln2003， uln2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅npn 達(dá)林頓管組成，該功率驅(qū)動(dòng)

13、繼集成電路采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。電路如圖6所示：圖6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.2、軟件設(shè)計(jì)通過分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時(shí)有可能輸入加速、減速信號(hào)和方向信號(hào)，因而用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個(gè)部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷0及外部中斷1中斷部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動(dòng)開關(guān)的檢測(cè)，若啟動(dòng)開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析主程序與定時(shí)器中斷程序及外部中斷程序。

14、3.2.1、主程序設(shè)計(jì)主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時(shí)器、外部中斷；對(duì)p1口送初值以決定脈沖分配方式、速度值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度、對(duì)方向值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。若初始化p1=11h、速度和方向初始值均設(shè)為0，這意味著步進(jìn)電機(jī)按四相單四拍運(yùn)行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“8”，速度值顯示0，主程序流程如圖7所示：圖7 主程序流程圖3.2.2、定時(shí)中斷設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流

15、，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，步進(jìn)電機(jī)的速度就越高。在這個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)時(shí)間間隔是用定時(shí)器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時(shí)間間隔就是調(diào)節(jié)定時(shí)器的中斷次數(shù)。因而在定時(shí)器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向、發(fā)下一個(gè)脈沖，以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。程序流程圖如圖8所示。3.2.3、外部中斷設(shè)計(jì)外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕s2為int0中斷，其程序流程為讀原數(shù)據(jù)，當(dāng)值7時(shí)，不改變?cè)瓟?shù)值返回，值7，數(shù)據(jù)1返回；速度減少按鈕s3，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為0，減1保存數(shù)據(jù)，

16、原數(shù)據(jù)為0則保持不變。程序流程圖如圖9所示。 圖8 定時(shí)中斷程序流程圖 圖9 外部中斷程序流程圖4 結(jié)束語 本設(shè)計(jì)主要是體現(xiàn)了單片機(jī)在控制步進(jìn)電機(jī)方面的應(yīng)用。通過這次的課程設(shè)計(jì)使我在各個(gè)方面都有了很大的提高。首先，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作原理有了一定的了解，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中使我感覺到整體電路的綜合調(diào)試是非常重要的，仿真正確在實(shí)際電路中卻有可能不能實(shí)現(xiàn)。再次要考慮到單片機(jī)不能直接控制步進(jìn)電機(jī)，必須根據(jù)步進(jìn)電機(jī)功率的大小合理的選擇功率驅(qū)動(dòng)器件。同時(shí)在含有多位數(shù)碼管顯示的系統(tǒng)中，用到的口線較多，采用串并轉(zhuǎn)換的方式可以節(jié)省口線，可以節(jié)省很多的單片機(jī)資源。還有就是編程，學(xué)習(xí)中，小程序可以很快的編出來，通過這次

17、實(shí)習(xí)，一次系統(tǒng)的編程所需要考慮到的問題，是我這次實(shí)習(xí)中的一個(gè)很大的收獲。總之，通過這次實(shí)習(xí)，我學(xué)到了很多的知識(shí)，同時(shí)也找到了一些問題。這將為我以后的學(xué)習(xí)起到很大的幫助。參考文獻(xiàn)1 李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)（第3版）. 北京: 北京航空大學(xué)出版社,2005 2 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制（第二版）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20073 蔣輝平.周國(guó)雄.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20074 張大明.單片機(jī)控制實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)及綜合應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20075 張迎新.單片機(jī)初級(jí)教程（第二版）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20066 劉玉賓.朱煥立.單片機(jī)原

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