基于at89c51单片机的步进电机控制系统设计

基于at89c51单片机的步进电机控制系统设计内容摘要：

动小功率步进电机或对步进电机运行性能要求不高的情况。 图 4 单电压驱动 高低压驱动方式 为了改善驱动器的高频特性，就必须提高导通电流的前沿，即提高电源电压，但是电压提高的同时也会使相绕组电流增大，必须加限制电阻，加入电阻后又会引起发热，加剧功率的损耗，降低效率。 为了解决这些问题，又产生了高低压驱动电路。 高低压驱动的设计思想是不论电动机的工作频率如何，在导通相的前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿 过后用低电压来维持绕组的电流。 高低压驱动的原理线路如图 5 所示。 图 5 高低压驱动电路原理图 图 6 斩波驱动电路原理图 1―整形电路 2―脉冲分配器 3―控制门 4―高压前置放大器 5―低压前置放大器 高低压驱动可保证在很宽的频段内绕组都有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，能够产生较大的且较稳定的电磁转矩。 其优点是：功耗小，启动转矩大，高频性能较好。 但是也存在着低频振荡加剧，波形呈凹形，驱动电源和大功率管数量加倍，成本上升的缺点。 斩波恒流驱动 恒流斩波驱动控制技术 是目前步进电机控制的主流技术之一，斩波电路的出现是为了弥补高低压驱动电路波形呈凹形的缺陷，使电机的输出转矩的平均值基本恒定。 同时电机的高频响应得以提高，共振现象减弱。 其电路结构如图 6 所示。 斩波驱动中，虽然电路较复杂，但是由于驱动电压较高，电机绕组回路又没有串入电阻，整个系统功耗下降很多，所以电流上升快。 当达到所需要的电流时，由于取样电阻的反馈作用，使绕组电流基本恒定，从而保证在很大的频率范围内电动机的输出转矩基本恒定。 而输出转矩是步进电机的一个重要性能指标，当我们使电机的绕组电流恒定在一个较高的数值时，就 可提升电机的输出转矩。 因此，为克服步进电机在高频时牵出转矩下降的问题，很多文献提出了一些新的恒流斩波驱动设计。 但是，恒流斩波技术不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题，无法克服步进电机因受步距角限制而不能实现多种步距角控制的缺陷。 只有与单拍和双拍运行时相对应的两种步距角。 方案的确定 对比上面的各种方案方案，各有各自的优缺点。 电流滞环型由于不需要三角载波环节，控制系统实现起来比较简单。 而固定开关频率型在电磁噪声和输出电流谐波方面具有优势。 在实际的步进电机驱动电路中考虑到成本和驱动电路精度要求的问题 ，双极性步进电机采用 H 桥驱动，单极性步进电机采用分立元件构成的驱动电路驱动。 3 混合式步进电动机驱动控制系统硬件设计 本章在以上章节的理论分析基础上，充分从实践的角度出发，主要介绍了该混合式步进电机驱动器的硬件设计部分，对硬件电路的总体设计方案及每个主要组成部分的功能及实现方法进行了详细的论述和分析。 系统的框图如图 7 所示： 图 7 系统框图 单片机最小系统 单片机集成度高，具有丰富的内部资源，再加上少量的外围扩展电路就可以构成体积小、可靠性高、控制功能强且性价比高的控制系统。 Intel 公司一直致力于 单片机的开发研究，不断推出了许多功能更多，使用更方便的单片机系列，1980 年在 MCS48 的基础之上推出了完善的、典型的单片机系列 MCS51。 与MCS48 系列相比， MCS51 系列单片机有更高的集成度，更丰富的指令系统，更好的可扩展性，以后好多系列的的单片机都是基于 51核的。 8051单片机是 MCS51系列单片机中最基础的单片机型号，广泛应用己各个工程领域。 本系统便采用了此款单片机。 图 8 给出了它的最小系统电路图。 图 8 单片机最小系统 红外遥控电路 红外线属于不可见光。 与可见光不同，其波长为 85011000nm，是人眼看不见的光线。 红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上，它的出现给使用电器提供了很多 的便利。 红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。 红外发射电路 红外发射装置可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。 该电路采用调幅方式，载波信号频率采用最常用的 38KHZ。 当编码调制信号为高时，有载波信号输出；但编码调制信号为低时，载波信号不输出。 已调制的信号为断续的等幅信号（调制载波信号），信号波形如图 9 所示。 图 9 信号波形图 调制信号时将指令编码后输出的信号。 用 MC145026 做编码器。 电路原理图如图 10 所示： 图 10 遥控器发射电路 图中 74LS147 是优先编码器。 从 8 条数据线（ 2SW12SW8）输入的开关状态信号被 74LS147 编码为 4 线 BCD 码（ 8421），再送 MC145026，形成串行编码信号输出到 NE555，产生调制、载波输出。 图中 R1， C2 和电位器 D1配合 NE555产生 38KHZ 的载波信号。 MC145026 发送串行编码脉冲。 MC145026 的引脚 A1A5为地址输入端，每一位都可设定为 0， 1 和“开路” 3 个状态。 图中仅采用了 0和“开路”这两个状态， MC145026 的地址设置应与解码器 MC145027 配对，否则不能解码。 红外发射电路板用 4 节 5 号电池供电。 红外发射电路板到接收器（在主板上）的距离应在 10m 以内，以保证信号的可靠收 /发。 红外接收电路 红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。 接收振荡频率应与发射振荡频率相同。 考虑到用集成电路（ HS0038A2）做红外接收头，其载波频率为 38KHZ。 与 MC145026 编码器配套的解码器为 MC145027。 接收电路原理图如图 11 所示： 图 11 遥控器接收电路 图中 HS0038A2 是集成红外接收头。 因为它的输出信号与解码器的输入信号反向，故加三极管 Q1 作为反相器。 当 MC145027 收到信号并解码成功后，其 VT端出现高电平，同时输出解码后的 4 位数据（ HD0HD3）。 将 VT 信号反向，即可产生中断信号（ INT0），向 CPU 申请中断。 在中断服务子程序中安排从输入端口读取这 4 位数据（ HD0HD3）。 LCD 显示电路 ST7920 是台湾矽创电子公司生产的中文图形控制芯片，它是一种内置 128 64－ 12 汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示 汉字及图形。 该芯片共内置 8192 个中文汉字（ 16 16 点阵）、 128 个字符的 ASCII 字符库（ 8 16 点阵）及 64 256 点阵显示 RAM（ GDRAM）。 为了能够简单、有效地显示汉字和图形，该模块内部设计有 2MB 的中文字型CGROM 和 64 256 点阵的 GDRAM 绘图区域；同时，该模块还提供有 4 组可编程控制的 16 16 点阵造字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了 4 位并行、 8 位并行、 2 线串行以及 3 线串行等多种接口方式。 利用上述功能可方便地实现汉字、 ASCII 码、点阵图形、自造 字体的同屏显示，所有这些功能（包括显示 RAM、字符产生器以及液晶驱动电路和控制器）都包含在集成电路芯片里，因此，只要一个最基本的微处理系统就可以通过 ST7920芯片来控制其它的芯片。 ST7920 的主要技术参数和显示特性如下： 电源： VDD － ～＋ ＋ 5V 内置升压电路，一般无需负压 ；功耗：正常模式： 450μＡ，睡眠模式： 3μ A，低功耗模式： 30μ A；显示内容： 128 列 64 行；显示颜色：黄绿；显示角度： 6： 00 钟直视； LCD 类型： STN；与 MCU接口： 8 位并行／ 3 位串行；配置有 LED 背光 显示功能；带有自动启动复位按钮 reset ； 软件功能设置：画面清除、光标显示／隐藏、光标归位、显示打开／关闭、显示字符闪烁、光标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠／唤醒、关闭显示、自定义字符、睡眠模式等。 图 12 显示电路原理图 双机通讯 在计算机冗余控制和分布式测控系统中，主要采用串行通信方式进行数据传输。 8051 单片机自备串行接口，为机间通信提供了极为便利的条件。 双击通信也称为点对点的通信，用于双机冗余控制单片机和单片机之间交换信息，也用于单片机和通用微机间的信息交流。 在。