基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

謝海明

（湖南長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004）

0 引言

關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)涉及國(guó)民生活的方方面面，例如指針式電子鐘表、印刷機(jī)等等。為了能夠進(jìn)一步達(dá)到智能化控制的要求，需要步進(jìn)電機(jī)的控制性能上升一個(gè)水平，于是提出了單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)與其他電機(jī)最大的不同在于，步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，其作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的一個(gè)執(zhí)行元件，轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)的頻率決定，這就使得步進(jìn)電機(jī)十分適合與單片機(jī)結(jié)合。

1 步進(jìn)電機(jī)概述

步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于精確定位系統(tǒng)，與其他電機(jī)不同，不會(huì)出現(xiàn)積累誤差。綜合分析步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：第一，控制更加方便，直接使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制；第二，使用更加方便，不需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；第三，在起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)以及變速上具有良好反應(yīng)，響應(yīng)性較佳；第四，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。目前，步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi)從類(lèi)型上分為機(jī)械式、電磁式、組合式三種［1］，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分為反應(yīng)式、永磁式、混合式［2］。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，同時(shí)也是應(yīng)用范圍最廣泛的一種。從步進(jìn)電機(jī)的原理分析，其之所以能夠旋轉(zhuǎn)起來(lái)，最根本的原因是錯(cuò)齒。

2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制部件、驅(qū)動(dòng)部件、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件組成［3］。作為一個(gè)完整的整體，以單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、外圍電路、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)組成。其中，單片機(jī)系統(tǒng)是利用微處理器、只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)等電路集成在一個(gè)芯片中，這種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率與可靠性。

3 基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

3．1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮各方面條件、因素，本次設(shè)計(jì)采用AT89S52型單片機(jī)，在系統(tǒng)功能方面，采用電路上電復(fù)位或手動(dòng)按鈕復(fù)位，精度高。使用單片機(jī)最小系統(tǒng)和少量外圍器件組成基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、時(shí)鐘晶振電路、復(fù)位電路等組成［4］。AT89S52單片機(jī)主要功能如表1所示。

考慮到單片機(jī)直接輸出的脈沖信號(hào)太小，需要增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，本文采用型號(hào)為ULN2003A的高壓大電流、大功率達(dá)林頓芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，保證步進(jìn)電機(jī)正常工作。為了進(jìn)一步提高其性能，本設(shè)計(jì)增加拓展實(shí)現(xiàn)方案，利用兩個(gè)型號(hào)為ULN2003A的大功率達(dá)林頓芯片作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，提高低電平驅(qū)動(dòng)能力。

表1 AT89S52單片機(jī)主要功能

3．2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

借助軟件編程，利用單片機(jī)進(jìn)行電極控制的脈沖分配，保證步進(jìn)電機(jī)的正常工作。本次研究中步進(jìn)電機(jī)采用的是四相步進(jìn)電機(jī)，但為提高步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力，使用八拍驅(qū)動(dòng)方式，因此最后組成四相八拍。這種方式的通電順序是A相線圈最先開(kāi)始通電，之后轉(zhuǎn)換為A、B兩相線圈同時(shí)通電，然后再單獨(dú)給B相通電，之后B、C兩相線圈通電。在設(shè)計(jì)階段，關(guān)于基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)方案程序的設(shè)計(jì)方面，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的流程可以簡(jiǎn)單化為開(kāi)始→初始化按鍵判斷→相應(yīng)按鍵子程序。

關(guān)于軟件設(shè)計(jì)的拓展實(shí)現(xiàn)方案，在單片機(jī)的P2口設(shè)計(jì)堆棧，開(kāi)始時(shí)步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，判斷是否有按鍵按下，一般情況下，在每次按鍵按下之后，一般所按的按鍵都會(huì)在閉合與斷開(kāi)位置之間跳幾下才能夠穩(wěn)定閉合，這種情況稱(chēng)為按鍵抖動(dòng)。一般這種抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過(guò)10ms。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可以在系統(tǒng)中加入按鍵消抖程序，只要按下了按鍵，按鍵消抖程序就會(huì)啟動(dòng)，消除按鍵抖動(dòng)。

將編寫(xiě)完成的程序輸入單片機(jī)硬件芯片中，同時(shí)還需要各種輔助工具才能完成［5］。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為提高編程效率及效果，加入仿真器對(duì)已經(jīng)編寫(xiě)好的單片機(jī)程序進(jìn)行調(diào)試。所謂的仿真器就是利用仿真軟件進(jìn)行單片機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)模擬及在線調(diào)試。仿真器具備基本的輸入裝置和輸出裝置，同時(shí)配備各種相應(yīng)支持程序調(diào)試的軟件，最后達(dá)到直接通過(guò)單片機(jī)仿真器進(jìn)行程序輸入與修改的效果，同時(shí)還能夠觀察程序運(yùn)行結(jié)果和運(yùn)行過(guò)程中的中間值，以大大提高編程效果。其中使用到的編程器作用是將數(shù)據(jù)寫(xiě)入可以編程的集成芯片中，目前比較常用的是存儲(chǔ)器之類(lèi)可編程的芯片，在經(jīng)過(guò)仿真器調(diào)試之后，編譯出十六進(jìn)制或二進(jìn)制的代碼，將其寫(xiě)入單片機(jī)程序存儲(chǔ)器中，保證單片器能夠在電路板上正常運(yùn)行。

開(kāi)始進(jìn)行仿真調(diào)試，將仿真器的仿真頭插在插座上，連接電源。啟動(dòng)仿真軟件，選擇CPU和相關(guān)設(shè)置。新建一個(gè)文件夾，將步進(jìn)電機(jī)的控制程序輸入，完成保存。進(jìn)行程序編譯操作，如出現(xiàn)出錯(cuò)的命令，會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)信息窗口，顯示錯(cuò)誤的相關(guān)信息。在編譯完成后會(huì)生成一個(gè)HEX文件。進(jìn)行調(diào)試操作，觀察電路板步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效果，如果存在功能障礙問(wèn)題，則需重新進(jìn)行編譯操作。為了更加快速、準(zhǔn)確地找到錯(cuò)誤，可以在仿真調(diào)試中將單步執(zhí)行和全速執(zhí)行兩種調(diào)試方式結(jié)合起來(lái)使用。其中，單步執(zhí)行能夠詳細(xì)了解每條指令的具體執(zhí)行情況，全速執(zhí)行可以配合設(shè)置斷點(diǎn)，在大致范圍上確定錯(cuò)誤出現(xiàn)的位置。

在完成了仿真調(diào)試并且結(jié)果未出現(xiàn)錯(cuò)誤之后，將編程器中已經(jīng)編寫(xiě)好的程序放進(jìn)單片機(jī)硬件芯片中，具體操作程序?yàn)椋旱谝徊?，將單片機(jī)根據(jù)要求插入編程器插座中，接通電源；第二步，打開(kāi)編程軟件，在還未進(jìn)入程序之前所有窗口的顯示均為“FF”；第三步，選擇需要編程器件的型號(hào)，最后點(diǎn)擊“確定”選擇；第四步，調(diào)入選擇，需要注意的是，在調(diào)入之前需要清空緩沖區(qū)；第五步，在完成文件的調(diào)入后，數(shù)據(jù)窗口會(huì)顯示出具體的數(shù)據(jù)；第六步，進(jìn)行編程操作，直接選擇自動(dòng)編程，完成整個(gè)操作；第七步，在點(diǎn)擊自動(dòng)編程之后，程序會(huì)開(kāi)始自動(dòng)進(jìn)行寫(xiě)入操作，完成之后顯示100%，則編程成功。程序在完成調(diào)試仿真并且最后結(jié)果無(wú)誤之后，利用編程器將已經(jīng)編寫(xiě)好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的存儲(chǔ)器中，整個(gè)操作就完成，單片機(jī)就可以在電路板上進(jìn)行正常運(yùn)行了。

4 結(jié)語(yǔ)

基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)利用單片機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，并傳動(dòng)給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向控制。在硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)方面通過(guò)一些列操作，有效提高了控制的靈活性。這種基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器控制效果較佳，展現(xiàn)出了良好的運(yùn)行效果。本文將研究的重點(diǎn)放在了設(shè)計(jì)方面，后期的仿真操作以及實(shí)際運(yùn)行仍然需要從多個(gè)角度、多個(gè)方面進(jìn)行深入分析與研究。

［1］王晨光，孫運(yùn)強(qiáng)，許鴻鷹．步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制設(shè)計(jì)分析［J］．國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2008，27（9）：39－41，60．

［2］鄭虎子．單片機(jī)控制混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的研究及設(shè)計(jì)［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2007：123－124．

［3］汪姝．基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．南昌：南昌大學(xué)，2012：186－187．

［4］熊超美．步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．湖南有色金屬 ，2011，27（2）：61－64．

［5］高亮．8051單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制及步進(jìn)電機(jī)升降速曲線的設(shè)計(jì)［J］．測(cè)控技術(shù)，2002，21（11）：64－65，67．