基于单片机at89c52的步进电机的控制器设计

基于单片机at89c52的步进电机的控制器设计内容摘要：

PLC 来产生控制脉冲。 通过 PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。 环形脉冲分配器将 PLC 输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分 9 配到相应的绕组。 PLC 控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。 采用软件环形分配器占用 PLC 资源较多，特别是步进电机绕组相数大于 4 时，对于大型生产线应该予以考虑。 采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省 PLC 资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。 步进电机功率驱动电路将 PLC 输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。 采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用 PLC 中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。 但由于 PLC 的扫描周期一般为但由于 PLC 的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。 并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。 、基于单片机的控制 采用单片机来控制步进电 机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。 用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。 系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。 由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。 环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。 本方案有以下优点： (1)单片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控 制，避免了失步、振荡等对控制精度的影响； (2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动，大大提高了接口电路的灵活性和通用性； (3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有机的组合，大大提高系统的交互性。 基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。 根据设计要求，采用的方案如下。 硬件部分实现电机转动和速度显示功能，包括控制开关模块；电机转动模块和速度显示模块。 软件部分实现对步进电机的控制功能，主要设计思想通过控制台控制程序的开关来控制电机的转 动，由电机反馈回来的数据经单片机控制显示器显示数据 .。 设计框图如下： 10 11 3 系统硬件设计 本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。 最小系统只要是为了使单片机正常工作。 控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。 显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。 驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。 控制电路 根据系统的控制要求，控制输入部分设置了顺时针控制，逆时针控制，加速控制，减速控制和停止按键。 控制电路如图 2 所示。 当按下按键，内部程序检测 的状态变化来调用相应的启动和换向程序，从而实现系统的电机的启动和正反转控制。 根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。 对于单片机而言，主要的方法有：软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过按键的断开和闭合，从而控制外部中断。 根据按键次数，改变速度值存储区中的数据（该数据为定时器的中断次数），这样就改变了步进电机的输出脉冲 频率，从而改变了电机的转速。 12 图 2 控制电路原理图 最小系统 单片机最小系统或者称为最小应用系统，就是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。 复位电路：使用了独立式键盘，单片机的 P1 口键盘的接口。 该设计要求只需 4 个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，使用了 6路独立式键盘。 复位电路采用手动复位，所谓手动复位，是指通过接通一按钮开 13 关，使单片机进入复位状态，晶振电路用 22PF 的电容和一 12M 晶体振荡器组成为整个电路提供时钟频率。 如图 3 示。 晶振电路： 8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式电路得到：内部震荡方式和外部中断方式。 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外部接晶振电路器（简称晶振）或陶瓷晶振器，就构成了内部晶振方式。 由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 内部振荡方式的外部电路如图 5 示。 其电容值一般在 5~30pf,晶振频率的典型值为 12MHz,采用 6MHz的情况也比较多。 内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路实用较多。 图 3 复位及时钟振荡电路 驱动电路 本次设计用 ULN2020 来驱动步进电机，电路图如图 4 所示。 通过单片机的~ 输出脉冲到 ULN2020 的 1B~4B 口，经信号放大后从 1C~4C 口分别输出到电机的 ABCD 四相。 ULN2020 是大电流驱动阵列 ,多用于单片机、智能仪表、 PLC、数字量输出卡等控制电路中。 可直接驱动继电器等负载。 输入 5VTTL电平，输出可达 500mA/50V。 ULN2020 是高耐压、大电流达林顿陈列 ,由七个硅 NPN 达林顿管组成该电路的特点如下 : ULN2020 的每一对达林顿都串联一个 的基极电阻 ,在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路 直接相连 ,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器ULN2020 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品 ,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点 ,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 14 USN2020 的参数 本设计所用的 步进电机 是 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC5V— DC12V。 当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。 每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也 就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。 当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（ ABCDA），双（双相绕组通电）四拍（ ABBCCDDAAB），八拍（ AABBBCCCDDDAA。 ） 15 橙 黄 粉 蓝 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 由此可得电机逆时针旋转的相 {0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09} 图 4 步进电机驱动电路 显示电路 16 在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为十级，为了方便知道电机转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。 在显示电路中，主要是利用了单片机的 P0 口接一个两位的共阳极数码管。 数码管 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 dp 分别接 ~ 口 .数码管的公共角 1， 2 分别接 ，。 本次所用的数码管参数和管脚图如下： 17 图 5 步进电机显。