51單片機(jī)下的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

民權(quán)縣職業(yè)技術(shù)教育中心機(jī)電工程系 杜冬梅

本文提出了以AT89S51單片機(jī)為控制核心，以SJ-230M2為驅(qū)動(dòng)器、以ADS7846為觸摸屏操作按鍵控制兩相步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的啟停、速度調(diào)節(jié)、方向調(diào)節(jié)、手動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本控制系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。

隨著科技經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們逐漸從勞動(dòng)力解放出來且對(duì)自動(dòng)化程度的要求越來越高，控制技術(shù)發(fā)展得到人們的重視，做為控制系統(tǒng)重要的控制部件之一的步進(jìn)電機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，因此研究以51單片機(jī)為控制核心的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)框圖（圖1）

圖1 總體框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)包括MCU、輸入設(shè)備、顯示設(shè)備、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及控制元件步進(jìn)電機(jī)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

傳統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)的控制器一般采用的是AT89C51種類的，本文為了設(shè)計(jì)需要選用了AT89S51。AT89S51的相對(duì)于傳統(tǒng)的AT89C51新增了以下功能：支持串行ISP接口（P1引腳5、6、7的第二功能口）編程與并行編程、計(jì)算速度較快、編程電壓較低、工作電壓的范圍較大4-5.5V，抗干擾性強(qiáng)、采用加密功能更強(qiáng)的加密算法等，性價(jià)比高。結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備條件的情況下設(shè)計(jì)出基本的硬件支撐單片機(jī)最小系統(tǒng)。下面對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路與時(shí)鐘電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）時(shí)鐘電路

AT89S51運(yùn)行速度的快慢與穩(wěn)定程度主要取決于時(shí)鐘電路中晶振的頻率與質(zhì)量。一般情況下晶振的工作頻率為1.2MHZ-12MH。在我們實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件下選用了晶振為12MHZ的時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路中的電容選值為30PF。

（2）復(fù)位電路

單片機(jī)的復(fù)位電路主要是在系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)或者當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生失控現(xiàn)象時(shí)能夠讓單片機(jī)恢復(fù)到到默認(rèn)狀態(tài)，因此單片機(jī)的復(fù)位系統(tǒng)在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)十分重要，本文采用的是按鍵復(fù)位。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

由于步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)時(shí)常不穩(wěn)定、抗干擾性不強(qiáng)、噪聲大、遇到斷電等情況不能進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)，本文針對(duì)以上出現(xiàn)的弊端，采用SJ-230M2

驅(qū)動(dòng)器，SJ-230M2是原裝進(jìn)口模塊，可以實(shí)現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動(dòng)，具有很強(qiáng)的抗干擾性，高頻性能好，起動(dòng)頻率高，控制信號(hào)與內(nèi)部信號(hào)試驗(yàn)光電隔離，電流可選。其中具體的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定規(guī)則如下所示：

設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)及相電流的功能的是驅(qū)動(dòng)器上的撥盤開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。在考慮控制器頻率允許的情況下，我們盡量選用高細(xì)分?jǐn)?shù)的方法進(jìn)行設(shè)定如表1所示。

表1 設(shè)定表

脈沖信號(hào)CP、方向可控信號(hào)DIR、脫機(jī)信號(hào)FREE組成了驅(qū)動(dòng)器SJ-230M2的3路控制信號(hào)。

步進(jìn)電機(jī)位置與速度控制的過程是上電初始化后，驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)CP信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的步距角。步進(jìn)電機(jī)位置主要取決于接受脈沖的個(gè)數(shù)。即通過輸送驅(qū)動(dòng)器脈沖個(gè)數(shù)可以直接控制步進(jìn)電機(jī)的位置。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)速度的控制主要是驅(qū)動(dòng)器接受脈沖信號(hào)頻率的高低，頻率越高則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越快。本驅(qū)動(dòng)器的CP信號(hào)為低電平有效，要求CP信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流為8-15mA，對(duì)CP的脈沖寬度也有一定的要求，一般不小于5uS。

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制主要是通過DIR信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。其主要的工作過程是對(duì)DIR信號(hào)的賦值。當(dāng)DIR=1即高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行一個(gè)方向。當(dāng)DIR=0即低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行反方向。步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)一定在電機(jī)停止后進(jìn)行并且注意方向信號(hào)脈沖的施加時(shí)間。

脫機(jī)信號(hào)是低電平有效。當(dāng)沒有脈沖施加或者是施加脈沖后由于出現(xiàn)某種特殊情況又想手動(dòng)調(diào)節(jié)步進(jìn)脈沖時(shí)使用。

驅(qū)動(dòng)器的三路信號(hào)有一個(gè)共同端OPTO端口，在本控制系統(tǒng)中須把此端口接+5V電源電壓。目的是能夠?yàn)轵?qū)動(dòng)器內(nèi)部光電耦合器提供驅(qū)動(dòng)電流。保證驅(qū)動(dòng)器正常工作。具體的連接設(shè)計(jì)步驟是：將單片機(jī)的EA選擇開關(guān)在1的位置。用單片機(jī)的P2.0和P2.1端口分別接驅(qū)動(dòng)器的CP端和DIR端，將驅(qū)動(dòng)器的撥碼開關(guān)1打到ON檔2、3、4分別打到OFF檔位置。驅(qū)動(dòng)器電流調(diào)節(jié)電位器調(diào)到0.8A的位置。具體連接方式如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)器與控制單元連接電路

2.1.3 輸入電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的輸入電路采用的是獨(dú)立按鍵的操作模式設(shè)計(jì)電機(jī)的啟停、加速減速、正反轉(zhuǎn)等。本文采用目前應(yīng)用比較廣泛的觸摸屏技術(shù)對(duì)輸入信號(hào)如啟動(dòng)、停止、加速、減速、正反轉(zhuǎn)、進(jìn)行操作。觸摸屏的優(yōu)勢(shì)：壽命長(zhǎng)，美觀性好，更符合現(xiàn)代人的使用習(xí)慣、更加智能便捷，精準(zhǔn)度高?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)本文采用觸摸屏的方式設(shè)置電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速等。觸摸屏從工作原理上來分可以分為電容式，紅外線式，表面式等，本文采用的是電阻式觸摸屏ADS7846。ADS7846是最普遍的四線電阻式觸摸屏，其內(nèi)部是有一個(gè)多路選擇器和一個(gè)12位的AD轉(zhuǎn)換器組成。

觸摸屏控制器ADS7846與單片機(jī)AT89S51要實(shí)現(xiàn)通訊控制兩者之間應(yīng)加一SPI接口。如圖3所示。當(dāng)檢測(cè)有觸摸動(dòng)作時(shí)，此時(shí)ADS7846的PEN IRQ輸出低電平發(fā)出中斷請(qǐng)求，通過SPI接口將中斷信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接受到ADS7846發(fā)出的中斷請(qǐng)求進(jìn)而讀取信息。

圖3 觸摸屏控制電路圖

2.1.4 顯示電路設(shè)計(jì)

為了方便查看電機(jī)的加速減速正反轉(zhuǎn)以及啟停的情況，特設(shè)計(jì)顯示電路作為輔助電路。主要用單片機(jī)的P0口作為控制端口，因?yàn)镻O口內(nèi)部沒有上拉電阻因此需要外加10KΩ上拉電阻，并采用三八線74LS745作為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行顯示電路的控制。

2.1.5 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)過程及生活的各個(gè)方面起著十分重要控制作用，其本身具有精度高、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、且不需要進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換直接可以計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn)，因此在空調(diào)出風(fēng)口定位等一些定位場(chǎng)合應(yīng)用的十分廣泛。

本控制方案將選用5V直流步進(jìn)電機(jī)，即將脈沖信號(hào)一運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)化成角位移的執(zhí)行，因?yàn)榭赏ㄟ^數(shù)字量驅(qū)動(dòng)，所以該步進(jìn)電機(jī)十分適合于單片機(jī)的控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文是以windowns7為操作系統(tǒng)，以keil為編程平臺(tái)，以C語言為編程語言對(duì)本文的設(shè)計(jì)進(jìn)行編程。其中包含有主函數(shù)、中斷函數(shù)、初始化函數(shù)、顯示函數(shù)等。其中主函數(shù)流程圖4如所示。

圖4 主函數(shù)流程圖

結(jié)論：本文提出的以AT89S51單片機(jī)為控制核心，并引入現(xiàn)代人們習(xí)慣使用的觸摸屏ADS7846代替獨(dú)立按鍵、以SJ-230M2穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、噪聲小的驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度、啟停進(jìn)行控制，根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了相關(guān)程序的編寫并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)最優(yōu)控制的研究提供了一定的基礎(chǔ)理論與指導(dǎo)。