基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制裝置應(yīng)用研制

1、技術(shù)創(chuàng)新中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC 2008年第24卷第12-2期360元/年郵局訂閱號(hào):82-946現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用200例單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制裝置應(yīng)用研制Application Developing of Stepping Motor Control Equipment Based on Single Chip Micro-Controller(長(zhǎng)沙理工大學(xué)李光富易理剛LI Guang-fu YI Li-gang摘要:介紹了一種單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的用于裝量生產(chǎn)線(xiàn)上的蠕動(dòng)泵裝置。它可實(shí)現(xiàn)裝量生產(chǎn)線(xiàn)的手動(dòng)或自動(dòng)的單次、多次及混合分裝,其分裝的精度可達(dá)到1ml 。關(guān)鍵詞

2、:單片機(jī);步進(jìn)電機(jī);蠕動(dòng)泵;分裝中圖分類(lèi)號(hào):TV698121TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(hào):1008-0570(200812-2-0116-03現(xiàn)代藥廠制藥生產(chǎn)上的裝配,如針劑、瓶裝藥液等,大多采用單片機(jī)或其它智能裝置,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分裝。其中,單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的分裝,大多是根據(jù)公式,將分裝量轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù),由單片機(jī)按照控制程序,控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)的。但是,由于電機(jī)的起動(dòng)是一個(gè)變加速的非線(xiàn)性曲線(xiàn),如果采用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性常系數(shù)法,則很難真實(shí)再現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程,由此方法計(jì)算得來(lái)的脈沖數(shù),也是不夠精確的,存在較大的計(jì)量誤差。本文采用指數(shù)對(duì)

4、數(shù)法,實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程非線(xiàn)性擬合,由此得來(lái)的脈沖頻率或脈沖數(shù),較之線(xiàn)性常數(shù)法,更加符合電機(jī)的啟動(dòng)特性,可獲得較高的計(jì)量精度。1概述本文步進(jìn)電機(jī)控制的蠕動(dòng)泵裝置基于單片機(jī)AT89S58,可工作于自動(dòng)或手動(dòng)方式。在自動(dòng)方式下工作時(shí),分為單次、多次及混合三種分裝形式。多次分裝時(shí),則在設(shè)置分裝量、轉(zhuǎn)速、回吸量、主控方式的同時(shí),設(shè)置分裝次數(shù)和暫停時(shí)間。單片機(jī)根據(jù)分裝量、回吸量、分裝次數(shù)、暫停時(shí)間及轉(zhuǎn)速等的設(shè)定值控制步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài),其控制輸出的時(shí)標(biāo)曲線(xiàn),如圖1所示。分裝次數(shù)、分裝量等參數(shù)的設(shè)定可由用戶(hù)按不同的要求從鍵盤(pán)輸入,并存放在EEPROM 中。手動(dòng)方式下工作時(shí),單片機(jī)僅起監(jiān)測(cè)作用。控制操作均在步進(jìn)電

5、機(jī)上進(jìn)行,分裝量由控制步進(jìn)電機(jī)的手動(dòng)給定提供。圖1單片機(jī)控制輸出的時(shí)標(biāo)曲線(xiàn)2硬件設(shè)計(jì)為了簡(jiǎn)化電路,提高裝置的可靠性,本系統(tǒng)的硬件以AT89S58單片機(jī)為核心,外圍擴(kuò)展電路包括控制開(kāi)關(guān)量輸入輸出、EEPROM 存儲(chǔ)、lcd 顯示及鍵盤(pán)電路、485通信接口電路。圖2裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,電機(jī)“控制輸入”的開(kāi)關(guān)量主要有操作面板上的電機(jī)起、停信號(hào)。“控制輸出”電路主要有控制電機(jī)起、停的開(kāi)關(guān)信號(hào),控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號(hào)以及脈寬調(diào)制輸出信號(hào)。EEPROM 電路由CAT24C021串口i2c 總線(xiàn)電路組成,主要存儲(chǔ)由鍵盤(pán)設(shè)置的密碼、時(shí)間和在菜單結(jié)構(gòu)下設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)。鍵盤(pán)電路由4*5矩陣行列式

6、電路組成,包括0-9十個(gè)數(shù)字鍵,小數(shù)點(diǎn)鍵,左(下、右(上光標(biāo)移動(dòng)鍵,控制電機(jī)起、停鍵,手動(dòng)正、反轉(zhuǎn)鍵,另外還有編程鍵、確認(rèn)鍵和取消鍵。其中,數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)鍵、光標(biāo)移動(dòng)鍵、編程鍵、確認(rèn)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(jī)并列運(yùn)行的場(chǎng)合,在單臺(tái)裝置運(yùn)行模式下,該接口一般不用。3軟件部分的設(shè)計(jì)利用設(shè)定的分裝量及標(biāo)定(實(shí)際裝量與脈沖數(shù)的換算關(guān)系,將分裝量轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)。利用單片機(jī)的定時(shí)器,進(jìn)行脈寬調(diào)制,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變頻調(diào)速,并帶動(dòng)蠕動(dòng)泵工作。利用單片機(jī)發(fā)送計(jì)算所得數(shù)量的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)分裝的精確裝

7、量。分裝量與脈沖數(shù)的換算關(guān)系,如下:李光富:碩士 116-郵局訂閱號(hào):82-946360元/年技術(shù)創(chuàng)新 單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用PLC 技術(shù)應(yīng)用200例您的論文得到兩院院士關(guān)注正轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=有效脈沖數(shù)+回吸反轉(zhuǎn)脈沖數(shù);未定標(biāo)操作過(guò)的有效脈沖數(shù)=分裝量*系數(shù)1(系數(shù)1,可由查表得來(lái);定標(biāo)操作過(guò)的有效脈沖數(shù)=分裝量*系數(shù)2;系數(shù)2=上次運(yùn)行脈沖數(shù)/實(shí)際裝量;圖3主程序框圖主程序框圖,如圖3所示。裝置采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法,即主程序由若干個(gè)子程序模塊組成,各個(gè)模塊的功能相對(duì)獨(dú)立,從而給程序的編寫(xiě)和功能的擴(kuò)充帶來(lái)了方便。主程序由以下幾個(gè)部分組成,分別是初始化模塊、鍵盤(pán)端口掃描模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、電機(jī)控制模塊、

8、顯示模塊。其中,初始化模塊主要是設(shè)置堆棧,開(kāi)放定時(shí)器t0、定時(shí)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(shù)寫(xiě)入E2PROM.。掃描鍵盤(pán)和端口子程序,主要是掃描鍵盤(pán)及端口是否有鍵按下,如果有鍵按下,則執(zhí)行相應(yīng)的鍵盤(pán)分析處理程序;無(wú)鍵按下,則顯示運(yùn)行界面。在該子程序的開(kāi)始,分別調(diào)用了WriteTIME 和Load 兩個(gè)子程序模塊。其中,WriteTIME 子程序,主要是將設(shè)定時(shí)間寫(xiě)入E2PROM ,或利用定時(shí)器T0的計(jì)時(shí),每運(yùn)行30分鐘,即從設(shè)定時(shí)間中減去30,并改寫(xiě)上次寫(xiě)入E2PROM 時(shí)間單元的內(nèi)容。Load 為電機(jī)控制子程序,其作用是根據(jù)分裝形式和輸送方向和脈寬調(diào)制的狀態(tài)(PWMS

9、ate ,分別調(diào)用電機(jī)停止,電機(jī)正向加速,電機(jī)正向減速,電機(jī)反向加速,電機(jī)反向減速,電機(jī)暫停等子程序。在電機(jī)執(zhí)行啟動(dòng)階段(正向加速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后,電機(jī)轉(zhuǎn)入勻速運(yùn)行階段;當(dāng)勻速運(yùn)行階段的脈沖數(shù)減為0時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)入正向減速運(yùn)行階段;完成后,延時(shí)100ms ,電機(jī)轉(zhuǎn)入反向加速運(yùn)行階段,達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后,電機(jī)轉(zhuǎn)入短暫的勻速運(yùn)行階段,或直接進(jìn)入反向減速階段,完成后,如果裝載模式為單次分裝,則電機(jī)停止運(yùn)行;如果所設(shè)置的裝載方式為多次分裝,則電機(jī)暫停一段時(shí)間后,將重復(fù)上述過(guò)程,直到設(shè)定的分裝次數(shù)分裝完,電機(jī)停止運(yùn)行;如果裝載模式為混合,則先正轉(zhuǎn)分裝量,完成后停頓100ms 再反轉(zhuǎn)分裝量,完成后停頓100ms 再

10、正轉(zhuǎn)分裝量,如此反復(fù)直到停止信號(hào)到來(lái)并完成一次反轉(zhuǎn)分裝量后才停止。單次分裝和多次分裝的控制啟動(dòng)曲線(xiàn)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(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制具有啟動(dòng)、加速、勻速、減速及停止的運(yùn)行過(guò)程,而且由于電機(jī)起動(dòng)過(guò)程是一個(gè)變加速的非線(xiàn)性曲線(xiàn),如果簡(jiǎn)單的采用線(xiàn)性常系數(shù)方法,則很難真實(shí)再現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程;用此方法計(jì)算得來(lái)的脈沖頻率來(lái)擬合電機(jī)的啟動(dòng)曲線(xiàn),則是不夠精確的,存在較大的擬合誤差。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的非線(xiàn)性加速,真實(shí)地再現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的特性曲線(xiàn),本文采用指數(shù)對(duì)數(shù)法,實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程曲線(xiàn)擬合,并根據(jù)不同啟動(dòng)的要求,將整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分為0-9檔,對(duì)應(yīng)不同的檔位,有不同的啟動(dòng)速度。

11、檔位切換由變速斜率K 確定,K 值可由鍵盤(pán)菜單設(shè)定;而對(duì)于減速階段,則采用線(xiàn)性下降法,并規(guī)定一個(gè)統(tǒng)一的下降時(shí)限:25ms 。另外,采用了二個(gè)定時(shí)器:定時(shí)器T0和定時(shí)器T2。其中,在啟動(dòng)變加速階段,T0用于啟動(dòng)檔位定時(shí)限速,T2用于裝載變化的脈寬調(diào)制頻率;在勻減速階段,T0用于裝載經(jīng)過(guò)計(jì)算所得時(shí)限值,以限制下降速度;T2用于裝載以設(shè)定頻率的溢出時(shí)間值為基準(zhǔn),每次減一個(gè)固定值(公差的變化量。這可滿(mǎn)足各種不同的應(yīng)用需要,由此得來(lái)的脈沖頻率,較之線(xiàn)性常數(shù)法,更加符合電機(jī)的啟動(dòng)特性,可獲得較高的裝量精度。本文啟動(dòng)曲線(xiàn)方程如下:f=f max (1-e T1/T2(1其中,f max 為常數(shù)。T 1為運(yùn)行

12、時(shí)間,T 2為斜率檔位時(shí)間。T1,T2數(shù)據(jù)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(shù)創(chuàng)新中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC 2008年第24卷第12-2期360元/年郵局訂閱號(hào):82-946現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用200例單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用200ms4檔267ms 5檔333.3ms 6檔400ms 7檔根據(jù)式(1,可將啟動(dòng)曲線(xiàn)以表格形式存放在程序中,當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),供定時(shí)器t2裝載。電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為

13、輸出頻率的換算公式為:輸出頻率=系數(shù)3*電機(jī)轉(zhuǎn)速/60(2根據(jù)式(2,可求得設(shè)定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)頻率的時(shí)間初值。這里,系數(shù)3為常量,電機(jī)轉(zhuǎn)速由鍵盤(pán)設(shè)定。本文StartPWM 和StopPWM 子程序,為單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。其中,StartPWM 子程序的作用是根據(jù)PWMState 的狀態(tài)(其狀態(tài)為0時(shí),獲取計(jì)算脈沖數(shù)所需系數(shù):系數(shù)1(由查表求得或系數(shù)2(由公式計(jì)算得出,并計(jì)算出正轉(zhuǎn)脈沖數(shù)和反轉(zhuǎn)脈沖數(shù),根據(jù)系數(shù)3(常量、轉(zhuǎn)速(由鍵盤(pán)設(shè)置、系數(shù)2計(jì)算出流量,根據(jù)公式(2,計(jì)算出設(shè)定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)輸出頻率的時(shí)間常數(shù)。同時(shí),置1電機(jī)啟停開(kāi)關(guān)信號(hào),開(kāi)啟電機(jī)。StopPWM 子程序的作用是賦值

14、PWMStae 為1,清0電機(jī)啟停開(kāi)關(guān)信號(hào),關(guān)閉電機(jī)。本文顯示模塊顯示主要內(nèi)容是:首頁(yè)界面、主運(yùn)行界面和操作界面。主運(yùn)行界面主要顯示:分裝量、轉(zhuǎn)速、流量、回吸量的中文顯示及設(shè)置值或?qū)嶋H運(yùn)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(jiǎn)單。菜單設(shè)置的主要參數(shù)有:分裝量,回吸量,轉(zhuǎn)速,實(shí)際裝量(標(biāo)定,變速斜率,分裝形式(單次、多次、混合,分裝次數(shù)(1-10000次,暫停時(shí)間(060s,主控形式(鍵盤(pán)或端口,以及系統(tǒng)配置(泵頭、膠管型號(hào),輸送方向(正向或反向。485通訊模塊,采用串口中斷方式,主要用在多機(jī)運(yùn)行情況下,主從機(jī)通訊的場(chǎng)合,由主機(jī)發(fā)送通訊請(qǐng)求或電機(jī)控制命令,從機(jī)應(yīng)答并響應(yīng)控

15、制命令。4結(jié)語(yǔ)裝置充分利用了51系統(tǒng)單片機(jī)軟、硬件資源,采用指數(shù)對(duì)數(shù)法,實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程曲線(xiàn)擬合,較之線(xiàn)性常系數(shù)化,具有更高的可靠性和裝量精度;通過(guò)485總線(xiàn)接口,利用工業(yè)控制機(jī),可構(gòu)成智能化的分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)某一范圍內(nèi)分裝線(xiàn)的集中式測(cè)控管理。通過(guò)某藥廠制藥車(chē)間8條分裝線(xiàn)對(duì)應(yīng)每條安裝一臺(tái)裝置實(shí)施自動(dòng)分裝,及使用一年多的情況看來(lái),該裝置實(shí)際使用效果良好,從未出現(xiàn)過(guò)故障,其裝量的精度達(dá)到1ml ,深受用戶(hù)歡迎。而且,項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益明顯,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),其直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)300萬(wàn)元。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用指數(shù)對(duì)數(shù)法,實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程曲線(xiàn)擬合,較之線(xiàn)性常系數(shù)化,具有更高的裝量精度。參考文獻(xiàn)1陸坤等,電子設(shè)計(jì)技術(shù)M

16、.成都:電子科技大學(xué)出版社,2004.72王曉明,4劉愛(ài)元等,基于51單片機(jī)的飛機(jī)調(diào)壓控制保護(hù)裝置自檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),微計(jì)算機(jī)信息,2001,17-1:92-935張穎超,施亮,吳士芬等,單片機(jī)與LCD 的串行接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),微計(jì)算機(jī)信息,2007,10-2:79-80作者簡(jiǎn)介:李光富(1966-,男(漢族,湖南長(zhǎng)沙人,長(zhǎng)沙理工大學(xué)講師,碩士,主要從事自動(dòng)控制方面的研究與開(kāi)發(fā);易理剛(1970-,男(漢族,湖南長(zhǎng)沙人,碩士,主要從事自動(dòng)控制及相關(guān)實(shí)用軟件的研究與開(kāi)發(fā)。Biography:LI Guang-fu(1970-,Man(the Han nationality,HuNan -ChangSh

17、ang,master,mostly engage research and exploitation of au -tocontrol and correlation practicality software.(410007長(zhǎng)沙長(zhǎng)沙理工大學(xué)李光富易理剛(Changsha University of Science &Technology,Changsha 410007LI Guang-fu YI Li-gang通訊地址:(410007湖南省長(zhǎng)沙市勞動(dòng)中路37號(hào)海華嘉園1504李光富(上接第45頁(yè)4范子榮,張友鵬.基于Matlab 的自適應(yīng)模糊PID 控制器的設(shè)計(jì)J.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2

18、006,(03.作者簡(jiǎn)介:周三牛(1961-,男,講師,研究方向:醫(yī)學(xué)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(dǎo)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(xué)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(xué)苑路28號(hào)井岡山大學(xué)彭宣戈(上接第135頁(yè)通過(guò)軟件尋址完全避免了器件的片選線(xiàn)尋址方法,從而使硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展簡(jiǎn)單、靈活。另外,本系統(tǒng)中采用TC74進(jìn)行溫度的采集,方法簡(jiǎn)單且測(cè)試范圍較廣。參考文獻(xiàn)1胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,1996,7.2劉守義,楊宏麗,王靜霞.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).西安:西安電子科技大學(xué)出版社.2002,8.3李群芳,肖看.單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用-嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社.20