基于單片機的步進電機控制裝置應用研制

1、技術創(chuàng)新中文核心期刊微計算機信息(嵌入式與SOC 2008年第24卷第12-2期360元/年郵局訂閱號:82-946現場總線技術應用200例單片機開發(fā)與應用基于單片機的步進電機控制裝置應用研制Application Developing of Stepping Motor Control Equipment Based on Single Chip Micro-Controller(長沙理工大學李光富易理剛LI Guang-fu YI Li-gang摘要:介紹了一種單片機實現的用于裝量生產線上的蠕動泵裝置。它可實現裝量生產線的手動或自動的單次、多次及混合分裝,其分裝的精度可達到1ml 。關鍵詞

2、:單片機;步進電機;蠕動泵;分裝中圖分類號:TV698121TP274文獻標識碼:A Abstract:ntroduced a sort of creep-pump equipment used to load-product line which adopting Single Chip Micro-controller realiza -tion,It may realize load-product line s handiwork,automation single time,mult times or mix cent-load,its precision may reach 1ml

3、.Key words:Single Chip Micro-controller;Stepping motor;C reep-pump;Cent-load 文章編號:1008-0570(200812-2-0116-03現代藥廠制藥生產上的裝配,如針劑、瓶裝藥液等,大多采用單片機或其它智能裝置,實現自動分裝。其中,單片機實現的分裝,大多是根據公式,將分裝量轉換為脈沖數,由單片機按照控制程序,控制步進電機帶動蠕動泵實現的。但是,由于電機的起動是一個變加速的非線性曲線,如果采用簡單的線性常系數法,則很難真實再現電機的啟動過程,由此方法計算得來的脈沖數,也是不夠精確的,存在較大的計量誤差。本文采用指數對

4、數法,實現啟動過程非線性擬合,由此得來的脈沖頻率或脈沖數,較之線性常數法,更加符合電機的啟動特性,可獲得較高的計量精度。1概述本文步進電機控制的蠕動泵裝置基于單片機AT89S58,可工作于自動或手動方式。在自動方式下工作時,分為單次、多次及混合三種分裝形式。多次分裝時,則在設置分裝量、轉速、回吸量、主控方式的同時,設置分裝次數和暫停時間。單片機根據分裝量、回吸量、分裝次數、暫停時間及轉速等的設定值控制步進電機的工作狀態(tài),其控制輸出的時標曲線,如圖1所示。分裝次數、分裝量等參數的設定可由用戶按不同的要求從鍵盤輸入,并存放在EEPROM 中。手動方式下工作時,單片機僅起監(jiān)測作用。控制操作均在步進電

5、機上進行,分裝量由控制步進電機的手動給定提供。圖1單片機控制輸出的時標曲線2硬件設計為了簡化電路,提高裝置的可靠性,本系統(tǒng)的硬件以AT89S58單片機為核心,外圍擴展電路包括控制開關量輸入輸出、EEPROM 存儲、lcd 顯示及鍵盤電路、485通信接口電路。圖2裝置硬件結構框圖如圖2所示,電機“控制輸入”的開關量主要有操作面板上的電機起、停信號?！翱刂戚敵觥彪娐分饕锌刂齐姍C起、停的開關信號,控制電機運轉方向(正轉或反轉信號以及脈寬調制輸出信號。EEPROM 電路由CAT24C021串口i2c 總線電路組成,主要存儲由鍵盤設置的密碼、時間和在菜單結構下設置的運行參數。鍵盤電路由4*5矩陣行列式

6、電路組成,包括0-9十個數字鍵,小數點鍵,左(下、右(上光標移動鍵,控制電機起、停鍵,手動正、反轉鍵,另外還有編程鍵、確認鍵和取消鍵。其中,數字鍵、小數點鍵、光標移動鍵、編程鍵、確認鍵和取消鍵,主要用于菜單操作。裝置的顯示部分采用SMG12232A LCM 字符型液晶顯示模塊。通訊電路采用RS485通訊接口,主要用在具有主、從機并列運行的場合,在單臺裝置運行模式下,該接口一般不用。3軟件部分的設計3.1設計原理利用設定的分裝量及標定(實際裝量與脈沖數的換算關系,將分裝量轉換為脈沖數。利用單片機的定時器,進行脈寬調制,實現步進電機的變頻調速,并帶動蠕動泵工作。利用單片機發(fā)送計算所得數量的脈沖來實

7、現分裝的精確裝量。分裝量與脈沖數的換算關系,如下:李光富:碩士 116-郵局訂閱號:82-946360元/年技術創(chuàng)新 單片機開發(fā)與應用PLC 技術應用200例您的論文得到兩院院士關注正轉脈沖數=有效脈沖數+回吸反轉脈沖數;未定標操作過的有效脈沖數=分裝量*系數1(系數1,可由查表得來;定標操作過的有效脈沖數=分裝量*系數2;系數2=上次運行脈沖數/實際裝量;回吸反轉脈沖數=回吸量*系數2。3.2主程序框圖圖3主程序框圖主程序框圖,如圖3所示。裝置采用結構化程序設計方法,即主程序由若干個子程序模塊組成,各個模塊的功能相對獨立,從而給程序的編寫和功能的擴充帶來了方便。主程序由以下幾個部分組成,分別

8、是初始化模塊、鍵盤端口掃描模塊、數據預處理模塊、電機控制模塊、顯示模塊。其中,初始化模塊主要是設置堆棧,開放定時器t0、定時器t2及串口中斷,將存放在程序表格中的一些系統(tǒng)初始參數寫入E2PROM.。3.3子程序模塊設計掃描鍵盤和端口子程序,主要是掃描鍵盤及端口是否有鍵按下,如果有鍵按下,則執(zhí)行相應的鍵盤分析處理程序;無鍵按下,則顯示運行界面。在該子程序的開始,分別調用了WriteTIME 和Load 兩個子程序模塊。其中,WriteTIME 子程序,主要是將設定時間寫入E2PROM ,或利用定時器T0的計時,每運行30分鐘,即從設定時間中減去30,并改寫上次寫入E2PROM 時間單元的內容。L

9、oad 為電機控制子程序,其作用是根據分裝形式和輸送方向和脈寬調制的狀態(tài)(PWMSate ,分別調用電機停止,電機正向加速,電機正向減速,電機反向加速,電機反向減速,電機暫停等子程序。在電機執(zhí)行啟動階段(正向加速達到設定轉速后,電機轉入勻速運行階段;當勻速運行階段的脈沖數減為0時,電機轉入正向減速運行階段;完成后,延時100ms ,電機轉入反向加速運行階段,達到設定轉速后,電機轉入短暫的勻速運行階段,或直接進入反向減速階段,完成后,如果裝載模式為單次分裝,則電機停止運行;如果所設置的裝載方式為多次分裝,則電機暫停一段時間后,將重復上述過程,直到設定的分裝次數分裝完,電機停止運行;如果裝載模式為

10、混合,則先正轉分裝量,完成后停頓100ms 再反轉分裝量,完成后停頓100ms 再正轉分裝量,如此反復直到停止信號到來并完成一次反轉分裝量后才停止。單次分裝和多次分裝的控制啟動曲線及波形分別如圖4、圖5所示。圖4單次分裝 圖5多次分裝由于對步進電機的控制具有啟動、加速、勻速、減速及停止的運行過程,而且由于電機起動過程是一個變加速的非線性曲線,如果簡單的采用線性常系數方法,則很難真實再現電機的啟動過程;用此方法計算得來的脈沖頻率來擬合電機的啟動曲線,則是不夠精確的,存在較大的擬合誤差。為了實現電機啟動過程的非線性加速,真實地再現電機啟動過程的特性曲線,本文采用指數對數法,實現啟動過程曲線擬合,并

11、根據不同啟動的要求,將整個啟動過程分為0-9檔,對應不同的檔位,有不同的啟動速度。檔位切換由變速斜率K 確定,K 值可由鍵盤菜單設定;而對于減速階段,則采用線性下降法,并規(guī)定一個統(tǒng)一的下降時限:25ms 。另外,采用了二個定時器:定時器T0和定時器T2。其中,在啟動變加速階段,T0用于啟動檔位定時限速,T2用于裝載變化的脈寬調制頻率;在勻減速階段,T0用于裝載經過計算所得時限值,以限制下降速度;T2用于裝載以設定頻率的溢出時間值為基準,每次減一個固定值(公差的變化量。這可滿足各種不同的應用需要,由此得來的脈沖頻率,較之線性常數法,更加符合電機的啟動特性,可獲得較高的裝量精度。本文啟動曲線方程如

12、下:f=f max (1-e T1/T2(1其中,f max 為常數。T 1為運行時間,T 2為斜率檔位時間。T1,T2數據表如下:T10檔100ms 1檔200ms 2檔400ms 3檔600ms 4檔800ms5檔1000ms 6檔1200ms 7檔1400ms 8檔1700ms 9檔2000msT20檔34ms 1檔66.7ms 2檔133ms 3檔117-技術創(chuàng)新中文核心期刊微計算機信息(嵌入式與SOC 2008年第24卷第12-2期360元/年郵局訂閱號:82-946現場總線技術應用200例單片機開發(fā)與應用200ms4檔267ms 5檔333.3ms 6檔400ms 7檔466.7m

13、s 8檔567ms 9檔666.7ms根據式(1,可將啟動曲線以表格形式存放在程序中,當電機啟動時,供定時器t2裝載。電機轉速轉換為輸出頻率的換算公式為:輸出頻率=系數3*電機轉速/60(2根據式(2,可求得設定轉速下對應頻率的時間初值。這里,系數3為常量,電機轉速由鍵盤設定。本文StartPWM 和StopPWM 子程序,為單片機對步進電機實施控制的數據預處理模塊。其中,StartPWM 子程序的作用是根據PWMState 的狀態(tài)(其狀態(tài)為0時,獲取計算脈沖數所需系數:系數1(由查表求得或系數2(由公式計算得出,并計算出正轉脈沖數和反轉脈沖數,根據系數3(常量、轉速(由鍵盤設置、系數2計算出

14、流量,根據公式(2,計算出設定轉速下對應輸出頻率的時間常數。同時,置1電機啟停開關信號,開啟電機。StopPWM 子程序的作用是賦值PWMStae 為1,清0電機啟停開關信號,關閉電機。本文顯示模塊顯示主要內容是:首頁界面、主運行界面和操作界面。主運行界面主要顯示:分裝量、轉速、流量、回吸量的中文顯示及設置值或實際運行值顯示。操作界面為中文菜單形式,界面清晰明了,使用非常方便、簡單。菜單設置的主要參數有:分裝量,回吸量,轉速,實際裝量(標定,變速斜率,分裝形式(單次、多次、混合,分裝次數(1-10000次,暫停時間(060s,主控形式(鍵盤或端口,以及系統(tǒng)配置(泵頭、膠管型號,輸送方向(正向或

15、反向。485通訊模塊,采用串口中斷方式,主要用在多機運行情況下,主從機通訊的場合,由主機發(fā)送通訊請求或電機控制命令,從機應答并響應控制命令。4結語裝置充分利用了51系統(tǒng)單片機軟、硬件資源,采用指數對數法,實現啟動過程曲線擬合,較之線性常系數化,具有更高的可靠性和裝量精度;通過485總線接口,利用工業(yè)控制機,可構成智能化的分布式測控網絡,實現某一范圍內分裝線的集中式測控管理。通過某藥廠制藥車間8條分裝線對應每條安裝一臺裝置實施自動分裝,及使用一年多的情況看來,該裝置實際使用效果良好,從未出現過故障,其裝量的精度達到1ml ,深受用戶歡迎。而且,項目經濟效益明顯,據不完全統(tǒng)計,其直接經濟效益達30

16、0萬元。本文作者創(chuàng)新點:采用指數對數法,實現啟動過程曲線擬合,較之線性常系數化,具有更高的裝量精度。參考文獻1陸坤等,電子設計技術M.成都:電子科技大學出版社,2004.72王曉明,電動機的單片機控制M.北京航空航天大學出版社.2005.54劉愛元等,基于51單片機的飛機調壓控制保護裝置自檢測系統(tǒng)設計,微計算機信息,2001,17-1:92-935張穎超,施亮,吳士芬等,單片機與LCD 的串行接口設計與實現,微計算機信息,2007,10-2:79-80作者簡介:李光富(1966-,男(漢族,湖南長沙人,長沙理工大學講師,碩士,主要從事自動控制方面的研究與開發(fā);易理剛(1970-,男(漢族,湖南

17、長沙人,碩士,主要從事自動控制及相關實用軟件的研究與開發(fā)。Biography:LI Guang-fu(1970-,Man(the Han nationality,HuNan -ChangShang,master,mostly engage research and exploitation of au -tocontrol and correlation practicality software.(410007長沙長沙理工大學李光富易理剛(Changsha University of Science &Technology,Changsha 410007LI Guang-fu YI

18、Li-gang通訊地址:(410007湖南省長沙市勞動中路37號海華嘉園1504李光富(上接第45頁4范子榮,張友鵬.基于Matlab 的自適應模糊PID 控制器的設計J.電氣傳動自動化,2006,(03.作者簡介:周三牛(1961-,男,講師,研究方向:醫(yī)學儀器儀表。李培培(1982-,女,碩士研究生,研究方向:嵌入式系統(tǒng)、智能化儀器與儀表。彭宣戈(1950-,男,教授,碩士生導師,研究方向:嵌入式系統(tǒng)、智能化儀器與儀表。Biogaphy:ZHOU Shan-niu (1961-,Male,Lecturer,Main Study:Medicine instrument measuring appliance.(343009江西吉安井岡山大學周三牛李培培彭宣戈(Jinggangshan University,Ji an,Jiangxi,343009ZHOU San-niu LI Pei-pei PENG Xuan-ge通訊地址:(343009江西省吉安市青原區(qū)學苑路28號井岡山大學彭宣戈(上接第135頁通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法,從而使硬件系統(tǒng)的擴展簡單、靈活。另外,本系統(tǒng)中采用TC74進行溫度的采集,方法簡單且測試范圍較廣。參考文獻3李群芳,肖看.單片機原理、接口及應用-嵌入式系統(tǒng)技術基礎.北京:清華大學出版社.2