基于單片機紅外發(fā)射步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

陳 中，沈翠鳳，張 凱

1.鹽城工學院電氣工程學院，江蘇鹽城 224051;

2.中能建江蘇電力建設(shè)第一工程公司靖江分公，江蘇靖江 214513

單片機控制的步進電機調(diào)速系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)簡單和編程方便等優(yōu)點。但由于單片機在步進電機調(diào)速系統(tǒng)控制的設(shè)計時候按照一些文獻［1］給出的方案，在具體設(shè)計時候會出現(xiàn)不同的問題，本文在系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用硬件設(shè)計和軟件調(diào)試相結(jié)合的方法，對單片機控制的紅外遙控步進電機調(diào)速系統(tǒng)控制進行了研究，充分利用單片機控制的特點和優(yōu)良性，對出現(xiàn)的各種問題提出了解決的新方法。試驗結(jié)果表明，該控制方法具有較高的實用價值。

1 基于單片機控制的步進電機調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路標準化程度高，制作成本低，且元器件不受溫度變化的影響，其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同一般的線性調(diào)節(jié)最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改程序方便，數(shù)字控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高［2］，可以提高控制性能。而且還有信息存儲、數(shù)據(jù)通訊和故障診斷等優(yōu)點。

STC89C52RC單片機有加密性強、超強抗干擾、超低功耗、在系統(tǒng)中可編程、無需編程器、無需仿真器、價格便宜等優(yōu)點。本次設(shè)計采用STC89C52RC單片機作為控制核心，步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移、直線位移的控制微電機。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為步距角)，其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。它具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，它的特點是啟動轉(zhuǎn)矩大，最大轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。

當給步進電機施加一系列連續(xù)不間斷的控制脈沖時，步進電機可以連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。每一個脈沖信號對應(yīng)的是步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)的改變，也就使得對應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。當通電狀態(tài)的改變完成一個完整的循環(huán)時，轉(zhuǎn)子就能剛好轉(zhuǎn)過一個完整的齒距。常見的四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，通電方式有單(單相繞組通電)四拍(A－B－CD－A……)，雙(雙相繞組通電)四拍(AB－BCCD－DA－AB－……)，八拍(A－AB－B－BC－C－CD－D－DA－A…….)等。在精密數(shù)控車床中，步進電機得到廣泛的應(yīng)用。

2 基于單片機硬件電路的設(shè)計

2.1 主電路的設(shè)計

由于是小功率步進電動機，本設(shè)計直接采用ULN2003AN芯片進行驅(qū)動，ULN2003AN是一種7路反向器的電路，即當ULN2003AN輸入端為高電平時，ULN2003AN對應(yīng)輸出端則為低電平;當ULN2003AN的輸入端為低電平時，ULN2003AN對應(yīng)輸出端則為高電平，步進電機得電旋轉(zhuǎn)。由于ULN2003AN模塊在通入電流過大時候可能損壞，因此在其輸入端加限流電阻用以保護芯片，為了保證步進電機的電壓滿足要求，在設(shè)計中還加入了上拉電阻，主電路如圖1所示。

圖1 步進電機控制主電路Fig.1 Main circuit of stepper motor control

2.2 控制電路的設(shè)計

基于單片機控制電路主要是鍵盤電路、數(shù)碼管顯示電路、紅外接收電路、急停電路等組成，其中鍵盤電路采用矩陣鍵盤方法［3］，下面介紹紅外接收電路、數(shù)碼管采用動態(tài)顯示和急停電路的設(shè)計方法。

2.2.1 紅外接收電路的設(shè)計

紅外遙控接收可用紅外接收二極管附加專用的紅外處理電路方法，如CXA20106，但這種方法電路的復(fù)雜性高，通常不使用。因此，更好的接收方法是使用集成紅外接收頭。此次設(shè)計采用HS0038芯片。HS0038為直立側(cè)面收光型，功耗低、靈敏度高。它接收紅外信號頻率為38 kHz，信號可以在被放大的同時進行檢波、整形，然后取得TTL電平的編碼信號。3個管腳分別是解調(diào)信號輸出端、地、+5 V電源。由于紅外接收電路產(chǎn)生的編碼通過單片機外部中斷進入單片機，故把HS0038的輸出端接入單片機的外部中斷端口的INTO腳。當遙控器發(fā)出一串信號時候，通過中斷來檢測遙控器的信號，再用定時器設(shè)定的時間來解碼，從而判斷遙控器發(fā)出信號的高低電平。

2.2.2 中斷電路的設(shè)計

在單片機控制的步進電機設(shè)計中，一般要考慮到緊急情況的狀況。由于各種原因需要步進電機立即停止工作，如過電壓、過電流等以及加工過程中刀具問題等［3］，可以采用斷電的方法，但這種方法容易產(chǎn)生較大的沖擊電流，對系統(tǒng)危害很大，故障排除后必須重新啟動系統(tǒng)。單片機控制的步進系統(tǒng)，對于特殊情況下停止步進電機，設(shè)計采用中斷方式進行。急停電路由按鍵和電阻組成，其一端接在單片機外部中斷INT1上，另一端接地，采用低電平觸發(fā)方式，當出現(xiàn)緊急情況時，按下急停按鈕，產(chǎn)生中斷，停止步進電機。另一個獨立按鍵接在P3.1端口上，其作用是確定步進電機的高低速。

2.2.3 數(shù)碼管顯示電路

設(shè)計選用了共陽極4位數(shù)碼管F5461BR－1N顯示，其中只顯示后面兩位，采用動態(tài)顯示方式。數(shù)碼管的位選沒有采用常見的三極管元器件，而是采用了74LS139芯片作為位選的控制。由P2.7和P2.6端口控制74LS139，使能端接地，采用直通方式。另外，P3.1端口還接發(fā)光二極管且串電阻，其作用是當單片機接收到紅外信號后，發(fā)光一段時間，表明單片機已經(jīng)接收到紅外信號。

整個硬件電路如圖2所示。

圖2 單片機步進電機控制系統(tǒng)硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit of Stepper motor control

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要有鍵盤掃描程序、鍵盤處理程序、顯示程序、定時中斷程序、紅外解碼程序和步進電機驅(qū)動程序組成，其方框圖如圖3所示。

3.1 數(shù)碼管顯示程序的編制

本設(shè)計采用的數(shù)碼管動態(tài)顯示方法，需要顯示的數(shù)據(jù)通過P0口和限流電阻輸入到數(shù)碼管同時控制，進而控制數(shù)碼管位選［4］。完整程序如下。

圖3 基于單片機步進電機調(diào)速系統(tǒng)流程圖Fig.3 Stepper motor control system flowchart based on microcontroller

3.2 步進電機調(diào)速程序

步進電機高低速是供電時間不同造成的，根據(jù)P3.1端口電平狀態(tài)變化來確定步進電機的高低速。采用一個標志位 kp3，初始 kp3為零，當P3.1是由高電平變成低電平時候，kp3取反。根據(jù)kp3是1或0來決定步進電機的轉(zhuǎn)速，這樣做的好處，當按下連接P3.1端口的鍵盤時候，可以實現(xiàn)步進電機高低速轉(zhuǎn)換。部分程序如下。

設(shè)計采用兩兩導通方式，也即是通過A－AB－B－BC等方式進行導通的，所以p37為高電平，等過了一拍延遲一段時間后，p36也為高電平。程序中delay()為延遲函數(shù)，延遲時間設(shè)定的不同，步進電機轉(zhuǎn)速就不同

3.3 紅外接收程序

遠程發(fā)出的一串二進制代碼，稱為數(shù)據(jù)。按照各自功能，將其劃分為引導碼、地址碼(用戶碼)、地址碼(用戶碼)、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼5部分。遙控器發(fā)射代碼時，均是低位在前，高位在后。引導碼高電平為9 ms，低電平為4.5 ms。在接收到起始碼后，真正的數(shù)據(jù)才開始發(fā)送［5］，此時就可以準備接收了。完整程序如下。

紅外接收頭的輸出端接到單片機的外部中斷1上，根據(jù)外部中斷的響應(yīng)判定有無紅外信號，紅外信號有引導碼和用戶碼等32位組成，其中最重要是用戶碼，用戶碼是1或0，根據(jù)外部中斷兩個下降沿的時間來確定，故采用了一個定時器，根據(jù)定時器的時間長短來判定用戶碼是1或0，從而把不同的一串編碼分別開來［6］。

3.4 鍵盤掃描程序

由于采用矩陣式鍵盤，采用掃描方法來實現(xiàn)對按鍵的處理，流程如圖4所示。

監(jiān)視鍵盤的輸入有3種掃描方式:編程、定時和中斷［7］。從理論上來說，中斷掃描是最好的，單片機正常工作時候，不需要關(guān)心鍵盤是否動作，只有當鍵盤動作產(chǎn)生中斷，單片機才相應(yīng)地進行處理，節(jié)省時間。編程掃描時，設(shè)計程序也不是很長，功能不復(fù)雜，采用編程掃描更方便。通過掃描程序確定具體按鍵的鍵號，再根據(jù)程序判斷鍵號是數(shù)字鍵還是功能鍵，最后執(zhí)行相應(yīng)的鍵處理程序。本次設(shè)計采用掃描程序，部分程序如下。

圖4 基于單片機步進電機調(diào)速系統(tǒng)鍵盤掃描程序流程圖Fig.4 Flowchart of keyboard scanner of stepper motor control system based on microcontroller

4 實驗結(jié)果

為了驗證以上分析，根據(jù)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計，做成實物。實驗結(jié)果如圖5所示。

按鍵設(shè)定旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為78轉(zhuǎn)時，數(shù)碼管顯示“78”，按下正轉(zhuǎn)按鈕，電機會順時針旋轉(zhuǎn)78圈，運行狀態(tài)如圖5a所示。當按鍵設(shè)定旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為68轉(zhuǎn)時，數(shù)碼管顯示“68”，按下反轉(zhuǎn)按鈕時，電機會逆時針旋轉(zhuǎn)68圈，運行狀態(tài)圖如圖5b所示。如果按下高低速切換按鍵，步進電機就會改變轉(zhuǎn)速。當用遙控器控制時，設(shè)定的步進電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)顯示在數(shù)碼管上，再按遙控器的確認鍵，步進電機旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)光二極管亮，表明接收到紅外遙控信號。狀態(tài)如圖5c所示。

圖5 基于單片機步進電機調(diào)速系統(tǒng)實物實驗Fig.5 Physical experiments of stepper motor control system based on microcontroller

通過實驗，驗證了本次硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

5 結(jié)論

本文是在單片機控制步進電機調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對紅外接收、步進電機調(diào)速以及急停電路進行了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的分析和設(shè)計。實驗結(jié)果表明:采用軟件調(diào)試和硬件調(diào)試相結(jié)合的辦法，可以使得系統(tǒng)達到所設(shè)計的要求，為分析和設(shè)計基于單片機紅外遙控的步進電機調(diào)速系統(tǒng)提供了新的方法。

［1］陳中，沈翠鳳.基于單片機直流調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.鹽城工學院學報，2012(3):54－58.

［2］周冠軍，畢祥麗.LMD18200T的直流伺服電動機驅(qū)動器的設(shè)計［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2006(11):71－74.

［3］杭和平，楊芳.單片機原理和應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［4］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)［M］.3版.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［5］李蘭友.單片機開發(fā)應(yīng)用十例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1994.

［6］譚運光.單片機開發(fā)手冊［M］.北京:華齡出版社，1994.

［7］丁元杰.單片機原理及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.