基于單片機運動控制系統的設計與實現

王 坤

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

目前，在我國由于市場競爭日益增強，系統集成商和設備制造商要求運動控制系統向著高性能、低功耗、體積小和開放性方向發展。而μPSD3354D單片機處理器具有運算速度快、功耗低等優點，操作系統具有小型、專用、易攜帶和高可靠性等特點，因此在工業控制領域，得到了廣泛的應用。單片機實現的步進電機控制系統具有成本低、使用靈活的特點，廣泛應用于數控機床、機器人，定量進給、工業自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等應用領域、步進電機是數字控制電機，將脈沖信號轉換成角位移，電機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，非超載狀態下，根據上述線性關系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制、步進電機通過輸入脈沖信號進行控制，即電機的總轉動角度由輸入脈沖總數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅動電路是根據單片機產生的控制信號進行工作。因此，單片機通過向步進電機驅動電路發送控制信號就能實現對步進電機的控制[1]。

1 系統設計原理

μPSD3354D單片機運動控制系統主要由μPSD3354D單片機包含一個高速時鐘的8032微控制器、一個PSD模塊、兩塊大容量的FLASH存儲器（主FLASH提供256KB、次FLASH提供32KB），6個I/O口，通過PSDsoft Express 軟件對PSD模塊的配置實現I/O口和存儲器的擴展，使我們的設計真正實現了SOC系統，并可以在Keil μVision2環境下編程實現實時高速復雜的計算[2]。

在嵌入式系統的開發過程中，雖然匯編語言一直是電子工程師首選，但是高級語言程序移植方便，程序結構性、堅固性好，支持數學運算，采用條理清晰的結構化編程，程序的可維護性好，可協同開發軟件，開發周期短[3]。現在針對開發嵌入式單片機系統的高級語言C編譯器已可以產生代碼很高的機器代碼，而且我們使用的μPSD3354D單片機片內集成了大容量的SRAM和FALSH存儲器，很好地支持了高級語言的開發，同時我們的繪圖又要進行復雜的數據處理，因此我們選用在Keil μVision2環境下C語言編程。

系統框圖如圖1所示[4]。

圖1 系統框圖

2 系統的設計與實現

2.1 系統硬件的設計與實現

系統原理圖如圖2所示。μPSD3354D單片機用于進行數據處理和控制電機的運行。通過PSDsoft Express 軟件配置PSD實現存儲器和I/O口的擴展。主FLASH的fs0配置為數據存儲器，次FLASH的csb00t0配置為程序存儲器，配置PA口的8個引腳連接到LCD的8位數據總線；配置PB7作為連接到LCD的片選信號；配置PB6作為連接到LCD的讀／寫信號；配置PB5作為連接到LCD的寄存器選擇信號。P4口組成4×4鍵盤用于數據輸入，2×16字符點陣液晶顯示器LCD1602實現數據動態顯示。步進電機選用42BYGH102二相混合式步進電機，驅動器芯片選用BL-210二相混合式步進電機驅動器，通過P1.1和P1.7分別控制電機1和電機2的轉動方向，通過P1.0和P1.6分別控制電機1和電機2的轉速。

圖2 系統原理圖

2.2 系統軟件的設計與實現

我們利用A、B、C、D 、*作為功能鍵，首先掃描鍵盤有無鍵按下，若有則可以按任意功能鍵處理，若鍵入A輸入動圓的圓心橫坐標，若鍵入B輸入動圓的圓心橫坐標，若鍵入C輸入任一定點橫坐標，若鍵入D輸入任一定點橫坐標，*+1控制物體做任意曲線運動，*+2控制物體做動圓運動，*+3控制物體做到任意定點運動。系統軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

3 系統實現的功能

3.1 動態顯示物體所在位置坐標的設計與實現

在運動過程中如果物體位置每改變一次就顯示一次，由于單片機頻率太高而無法看清顯示內容。對此設置一個標志，將每個步進點橫坐標四舍五入與該標志比較，如果相同，就顯示該點坐標，并將該坐標值賦給標志，用于下次比較，以達到動態顯示重物坐標的預想效果。

3.2 鍵盤輸入容錯設計與實現

當從鍵盤輸入數據時，出現了字符，如果該字符不是結束輸入的“#”號確認符，給出非法輸入提示信息“error!”；如果輸入圓心坐標距離運動平面周邊小于半徑時，同樣提示錯誤信息，并返回系統重新輸入；若給定定點超出平面范圍，提示出錯，返回重新輸入界面。

3.3 任意曲線的尋跡設計

在該過程中，黑線的識別是問題的關鍵，我們在物體的上中下各接一個傳感器，使用反射式光電檢測器和電壓比較器LM339。對于接收，將反射式光電檢測器接受管設在深飽和區，只在檢測到黑色區域時退出飽和區，然后采用LM339將電壓信號轉變成數字信號。

在物體中的三個傳感器如圖4所示，傳感器1檢測到黑線物體向上運動，傳感器2檢測到黑線物體向前運動，傳感器3檢測到黑線物體向下運動，在物體上接一繼電器，在畫筆上接一彈簧。對于黑線的斷點處理則處理為：如果三個傳感器均未感應到黑線則物體繼續向前運動一段距離，并通過繼電器控制彈簧將畫筆提起，如果檢測到則畫筆放下繼續運動，否則以該點為圓心，選一較小半徑畫圓繼續尋找，直到找到為止。

圖4 傳感器安裝示意圖

4 結語

該系統的設計以通過μPSD3354D單片機控制步進電機控制物體的運行情況。系統可靠性高，利用鍵盤控制，具有良好的人機界面；能夠比較精確地控制物體運動，并給出誤差分析；用 LCD實時動態顯示物體坐標。適應范圍較廣，電路簡單，成本低，控制方便，移植性強，實用價值高。

[1]秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講[M].電子工業出版社，2007.7

[2]金之誠.uPSD32XX高速SOC51單片機原理及應用[M].清華大學出版社，2005.1

[3]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京航空航天大學出版社，2010.9

[4]李洪偉.可編程單片機外圍芯片PSD的原理及應用[M].電子工業出版社2003.1

[5]李偉，李保華.步進電機驅動電路[J].試驗技術與試驗機，2004年第3、4期