嵌入式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)是一種進(jìn)行精確步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)電執(zhí)行元件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及性價(jià)比最優(yōu)，根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用環(huán)境，確定了設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分，從而實(shí)現(xiàn)了基于8051單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)主要控制系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)存儲(chǔ)器、I/O接口、中斷、鍵盤(pán)、LED顯示器的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動(dòng)電路等的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了四相步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，急停等功能。一、硬件設(shè)計(jì)（一）、控制方式分析和原理圖設(shè)計(jì)由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用信號(hào)發(fā)生裝置來(lái)對(duì)它進(jìn)行控制，而實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的主要器件就是單片機(jī)，此設(shè)計(jì)主要是解決步進(jìn)電機(jī)的啟停、換向、轉(zhuǎn)速控制三方面：1、步進(jìn)電機(jī)的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為三相六拍，艮口A—AB—B—BC—C—CA—A。如果按反序通電換相，即A—AC—C—CB—B—BA—A，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類(lèi)似。2、步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。3、步進(jìn)電機(jī)的起?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過(guò)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，則需采用合適的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。4、從所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)來(lái)看，就不難設(shè)計(jì)它的硬件連接部分，其具體硬件設(shè)計(jì)原理圖如下圖所示:圖1總體設(shè)計(jì)方框圖（二）、電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大部分。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(kāi)關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作。顯示電路主要是為了顯示電機(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)。1、控制電路根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了啟動(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。通過(guò)K1、K2狀態(tài)變化來(lái)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)P1.0和P1.1的狀態(tài)來(lái)調(diào)用相應(yīng)的啟動(dòng)和換向程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)控制。2、最小系統(tǒng)單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，主要是用最少的元件組成單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。在此設(shè)計(jì)中為了操作方便，我采用了手動(dòng)復(fù)位方式。如下圖所示：3、驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)ULN2803構(gòu)成比較多的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)單片機(jī)的P1.0?P1.3輸出脈沖到ULN2803的1B?4B口，經(jīng)信號(hào)放大后從1C?4C口分別輸出到電機(jī)的A、B、C、D相。

4、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P0口和P2口。采用兩個(gè)共陽(yáng)數(shù)碼管作顯示。第一個(gè)數(shù)碼管接的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P0.0?P0.7口，用于顯示電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，正轉(zhuǎn)時(shí)顯示“1”，反轉(zhuǎn)時(shí)顯示“一”，不轉(zhuǎn)時(shí)顯示“0”。第二個(gè)數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、h分別接P2.0?P2.7口，用于顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速級(jí)別，共七級(jí)，即從1~7轉(zhuǎn)速依次遞增，“0”表示轉(zhuǎn)速為零。5、主電路圖把各部分組合在一起構(gòu)成主電路:圖2主電路U2XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10圖2主電路U2XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T4P1.6P3.6/WRP1.7AT89C51P3.7/RDU1~COM1B1C2B2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C1、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(kāi)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。主程序流程圖如圖3所示：圖3主程序流程圖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，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，速度就越快。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)。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，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于7時(shí)，不改變?cè)瓟?shù)值返回，小于7時(shí)，數(shù)據(jù)加1后返回；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)，原數(shù)據(jù)為0則保持不變。4、具體程序(C語(yǔ)言)設(shè)計(jì)如下：C語(yǔ)言程序如下：#include<reg51.h>#defineuintunsignedintsbitk1=P3人4;//啟動(dòng)開(kāi)關(guān)sbitk2=P3人5;//換向開(kāi)關(guān)sbits2=P3人2;〃加速按鈕sbits3=P3人3;〃減速按鈕voidisr_int0(void);//外部中斷0中斷服務(wù)函數(shù)聲明voidisr_int1(void);voidzd_t0ist(void);uintspeed,count,r1,i,t,k;main(){k=0;t=0;r1=0x11;speed=0;count=1;TMOD=0x01;ET0=1;EA=1;EX0=1;EX1=1;TH0=0xcf;TL0=0x2c;for(;;){if(k1==0){P0=0xff;P2=0xff;speed=0;TR0=0;}else{if(k2==0)P0=0xbf;elseP0=0xf9;if(speed==0){P2=0xc0;TR0=0;}elseTR0=1;}}}voidisr_int0(void)interrupt0{if(speed<7)speed=speed+1;while(s2==0){for(i=0;i<10;i++);}}voidisr_int1(void)interrupt2{if(speed>0)speed=speed-1;while(s3==0){for(i=0;i<10;i++);}}voidzd_t0ist(void)interrupt1{TH0=0xd8;TL0=0xf0;switch(speed){case0:P2=0xc0;count=0;break;case1:P2=0xf9;count=60;break;case2:P2=0xa4;count=40;break;case3:P2=0xb0;count=35;break;case4:P2=0x99;count=30;break;case5:P2=0x92;count=28;break;case6:P2=0x82;count=25;break;case7:P2=0xf8;count=21;break;default:break;}if(t==0)t=count;if(t>0)t=t-1;if(k2==0){if(t==0){switch(k){case0:P1=0x01;break;case1:P1=0x02;break;case2:P1=0x04;break;case3:P1=