基于at89c51單片機的步進電機控制及驅動電路設計-wenkub

　

【正文】 實時系統的控制核心。鍵盤用于設定給定轉速、位置。為實現各模塊的功能，分別對兩種不同的設計方案分別進行論證及比較，最終確定一個最優方案。 設計方案設計要求：設計步進電機控制器硬件電路圖，并使用相應的軟件實現硬件和軟件的仿真、調試。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。驅動模塊由芯片ULN2003A驅動步進電機工作；顯示部分由七段LED共陰數碼管組成；人機互換部分由相應的按鍵實現相應的功能。本文主要介紹了步進電機的基本原理及AT89C51單片機的性能特點。如電機技術、電力電子技術、微電子技術、傳感器技術、控制理論和微計算機技術等，運動控制技術是這些技術的有機結合體?？傮w上來說，國內研究取得很大的進步，但無論從控制器還是從控制軟件上來看，與國外相比還是具有一定差距。設計主要研究了一種基于AT89C51單片機和ULN2003驅動芯片的步進電機控制及驅動電路系統。通過實際測試表明本設計系統的性能優于傳統步進電機控制器，具有結構簡單、可靠性高、實用性強、人機接口簡單方便、性價比高等特點。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規下使用。實現功能如下：（1）控制步進電機實現正轉和反轉；（2）控制步進電機轉速；（3）設計步進電機的脈沖放大電路，能驅動相電壓位12V；（4）實現對步進電機圈數的預置；（5）同步顯示步進電機所轉圈數及速度?？刂颇K人機交互模塊驅動模塊顯示模塊電源步進電機圖1 步進電機控制驅動系統圖 方案一方案一：基于FPGA的步進電機控制器及驅動的電路設計。采用光電編碼器對步進電機的轉速、位置進行采樣檢測實現閉環控制。通過輸入模塊將參數輸入給FPGA，FPGA通過程序設計控制步進電機運動，但是由于本設計對數據處理的時間要求不高，FPGA的高速處理的優勢得不到充分體現，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩定，而且電路的制作也比較復雜，參數選擇困難，且需要多級放大，同時又要考慮功率的放大。 （4）人機交互模塊采用4乘4矩陣鍵盤，查詢工作方式。整個系統可分為：AT89C51單片機系統控制器、驅動電路、數碼管顯示、按鍵輸入模塊及電源電路五大部分。用相應的按鍵實現預置圈數設置和清零的功能。由于其功耗低、體積小、技術成熟和成本低，且可對其進行擴展，附帶顯示設備，鍵盤輸入等設備，使用方便。（2）驅動模塊直接采用ULN2003芯片進行功率放大。約1V左右，耐壓BVCEOULN2003芯片自身功耗小、 驅動能力強、可靠穩定、體積小、使用方便、價格不高、50V/。（4）人機交互模塊采用獨立式按鍵。采用獨立式按鍵，中斷工作方式。方案二:采用AT89C51單片機作為系統控制的核心，軟件編程靈活、自由度大、功耗低、體積小、成本低，芯片引腳少，軟硬件連接簡便靈活，硬件容易實現。ULN2003芯片自身功耗小、 驅動能力強、可靠穩定、體積小、 使用方便。方案二采用獨立式按鍵，中斷工作方式，原理易懂、程序簡單、軟件較容易、硬件電路較繁瑣、價格低廉。圖4 四相步進電機步進示意圖開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，轉子的4號齒就和C、D相繞組磁極產生錯齒，5號齒就和D、A相繞組磁極產生錯齒。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。圖5 步進電機工作時序波形本設計中步進電機的參數：模組配備的步進電機為25BY2406電機，工作方式為雙極性四相。 。只需以一定的順序控制兩組線圈中的電流方向即可使步進電機按指定方向轉動。采用HMOS制造工藝的MCS51單片機都采用40管腳雙列直插式封裝，除采用40腳雙列式直插式封裝外，還有用方形的封裝方式。圖9 六位LED共陰數碼顯示管圖 步進電機控制及驅動系統電路設計實現 硬件設計根據之前確定方案及各元器件的功能原理步進電機控制及驅動系統的詳細電路設計如下：（1）控制模塊采用ATMEL公司的AT89C51單片機作為系統控制的核心。步進電機的方向控制方法是：用單片機輸出接口的每一位控制一根相繞組。圖11 驅動模塊硬件電路圖（3）顯示模塊采用六位LED七段共陰數碼管進行動態顯示。總共設置了15個按鍵，其中四個控制按鍵分別執行對步進電機的啟動/停止、正轉/反轉、加速、減速四種控制功能，～。圖13 人機交互模塊硬件電路圖（5）步進電機部分，該設計中所用到的步進電機為四相六線步進電機，圖14 步進電機部分硬件電路圖 軟件設計綜合以上選取的方案。為了驗證作品的可行性，我還做了硬件電路，來對設計作品中設計方案的主要功能及其理論進行實際驗證。（2）排除電源故障預設時，第一位置0，不分正反轉。表3正轉時測試數據測試次數123456預設值001125000101002128000087004012000023測試值011250010102128000870401200023。為了便于測量，選取90、180、270、360度，各測三次讀出步距角求平均值。數碼管所顯示的結果為可以信賴的結果。由單片機產生的信號經ULN2003A芯片進行功率放大，驅動步進電機工作，同時由數碼管同步顯示預置數和所轉圈數，由相應的按鍵實現預置圈數、控制、清零功能。本設計作品，就是單片機在智能化儀表方面的具體應用，充分體現了單片機的優越之處。參考文獻[1] [M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,1997,1～200.[2] 王曉明. 電動機的單片機控制[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2002,50～150.[3] 王福瑞 [M].北京:北京航空航天大學出版社,1998,67～85.[4] 胡壽松. 自動控制原理[M]. 北京: 國防工業出版社,2000,43～88.[5] 楊寧 [M].北京：北京航空航天大學出版社,2005,22～175.[6] 陳隆昌，（ 第三版）[M].西安：西安電子科技大學出版社,2000,35～65.[7] 楊寧 [