基于單片機(jī)at89c52的步進(jìn)電機(jī)的控制器設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 PLC 來產(chǎn)生控制脈沖。通過 PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將 PLC 輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分 9 配到相應(yīng)的繞組。 PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用 PLC 資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)大于 4 時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省 PLC 資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動電路將 PLC 輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號，并用 PLC 中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于 PLC 的掃描周期一般為但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。 、基于單片機(jī)的控制 采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電 機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程的辦法實(shí)現(xiàn)脈沖的分配。 本方案有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動控制和精確控 制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響； (2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機(jī)的設(shè)定，用同一種電路實(shí)現(xiàn)了多相步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性； (3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。 基于以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計采用基于單片機(jī)的控制方案。 根據(jù)設(shè)計要求，采用的方案如下。硬件部分實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動和速度顯示功能，包括控制開關(guān)模塊；電機(jī)轉(zhuǎn)動模塊和速度顯示模塊。軟件部分實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制功能，主要設(shè)計思想通過控制臺控制程序的開關(guān)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn) 動，由電機(jī)反饋回來的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)控制顯示器顯示數(shù)據(jù) .。 設(shè)計框圖如下： 10 11 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本設(shè)計的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機(jī)正常工作。控制電路只要由開關(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)動電路主要是對單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。 控制電路 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入部分設(shè)置了順時針控制，逆時針控制，加速控制，減速控制和停止按鍵。 控制電路如圖 2 所示。當(dāng)按下按鍵，內(nèi)部程序檢測 的狀態(tài)變化來調(diào)用相應(yīng)的啟動和換向程序，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電機(jī)的啟動和正反轉(zhuǎn)控制。 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于單片機(jī)而言，主要的方法有：軟件延時和定時中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷來實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過按鍵的斷開和閉合，從而控制外部中斷。根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)），這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖 頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 12 圖 2 控制電路原理圖 最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，就是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)，對 51 系列單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。 復(fù)位電路：使用了獨(dú)立式鍵盤，單片機(jī)的 P1 口鍵盤的接口。該設(shè)計要求只需 4 個鍵對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對控制功能的擴(kuò)展，使用了 6路獨(dú)立式鍵盤。復(fù)位電路采用手動復(fù)位，所謂手動復(fù)位，是指通過接通一按鈕開 13 關(guān)，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，晶振電路用 22PF 的電容和一 12M 晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。如圖 3 示。 晶振電路： 8051 單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內(nèi)部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構(gòu)成了內(nèi)部晶振方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖 5 示。其電容值一般在 5~30pf,晶振頻率的典型值為 12MHz,采用 6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實(shí)用電路實(shí)用較多。 圖 3 復(fù)位及時鐘振蕩電路 驅(qū)動電路 本次設(shè)計用 ULN2020 來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，電路圖如圖 4 所示。通過單片機(jī)的~ 輸出脈沖到 ULN2020 的 1B~4B 口，經(jīng)信號放大后從 1C~4C 口分別輸出到電機(jī)的 ABCD 四相。 ULN2020 是大電流驅(qū)動陣列 ,多用于單片機(jī)、智能儀表、 PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動繼電器等負(fù)載。輸入 5VTTL電平，輸出可達(dá) 500mA/50V。 ULN2020 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列 ,由七個硅 NPN 達(dá)林頓管組成該電路的特點(diǎn)如下 : ULN2020 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻 ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路 直接相連 ,可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器ULN2020 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品 ,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn) ,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 14 USN2020 的參數(shù) 本設(shè)計所用的 步進(jìn)電機(jī) 是 28BYJ48 型四相八拍電機(jī)，電壓為 DC5V— DC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也 就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB），八拍（ AABBBCCCDDDAA。） 15 橙 黃 粉 藍(lán) 十六制（ P1 口） 1 0 0 0 0x08 1 1 0 0 0x0c 0 1 0 0 0x04 0 1 1 0 0x06 0 0 1 0 0x02 0 0 1 1 0x03 0 0 0 1 0x01 1 0 0 1 0x09 由此可得電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)的相 {0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09} 圖 4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 顯示電路 16 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)速的等級分為十級，為了方便知道電機(jī)轉(zhuǎn)速的等級，這里設(shè)計了電機(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 口接一個兩位的共陽極數(shù)碼管。數(shù)碼管 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp 分別接 ~ 口 .數(shù)碼管的公共角 1， 2 分別接 ， 。 本次所用的數(shù)碼管參數(shù)和管腳圖如下： 17 圖 5 步進(jìn)電機(jī)顯