基于AT89C51單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)

摘 要：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)采用AT89C51對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)IO口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)A3967SLB驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；同時(shí)，用4X4的鍵盤來(lái)對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用數(shù)碼管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且采用74LS164作為4位單個(gè)數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)，從單片機(jī)輸入信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路；鍵盤；數(shù)碼管

中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 10-0000-01

一、方案比較和論證

（一）對(duì)于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

方案一：使用多個(gè)功率放大器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)

通過(guò)使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對(duì)四路信號(hào)分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來(lái)會(huì)不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。

方案二：使用A3967SLB驅(qū)動(dòng)電機(jī)

A3967SLB是驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器。它的工作電壓可達(dá)30V，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)750mA，一個(gè)A3967SLB即可驅(qū)動(dòng)一臺(tái)二相步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)8細(xì)分驅(qū)動(dòng)。另外，A3967SLB還能提供完善的保護(hù)措施，包括抑制瞬態(tài)電壓，過(guò)熱保護(hù)、防止電流直通、欠電壓自鎖等功能。

通過(guò)對(duì)兩種方案的比較得到：

A3967SLB和微處理器之間不需要附加其他的接口電路，該芯片采用Easy Stepper接口，將8條控制線減少了2條（步長(zhǎng)和方向），只要簡(jiǎn)單輸入控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖，其內(nèi)嵌的轉(zhuǎn)換器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。A3967SLB還需要一些電阻、電容來(lái)調(diào)整其工作參數(shù)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單。所以在此我選擇方案二。

（二）數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)

方案一：并行接法

使用并行接法時(shí)要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管用IO口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。

方案二：串行接法

設(shè)計(jì)中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動(dòng)，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約IO口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易控制。

通過(guò)對(duì)兩種方案的比較得到：

由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)行控制，資源有限，選擇了方案二。另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。

二、單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理

步進(jìn)電機(jī)2個(gè)相鄰磁極之間的夾角為60°。線圈繞過(guò)相對(duì)的2個(gè)磁極，構(gòu)成一相（A-A′，B-B′，C-C′）。磁極上有5個(gè)均勻分布的矩形小齒，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，而有40個(gè)小齒均勻分布在其圓周上，且相鄰2個(gè)齒之間的夾角為9°。步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)是開(kāi)環(huán)控制，不需要反饋信號(hào)。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）基于A3967SLB步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

MS1和MS2是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分分辨率選擇的邏輯輸入口；DIR是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的選擇口；RESET用于重置芯片初始值，屏蔽所有外部輸出；STEP為脈沖輸入端口；OUT1A、OUT1B、OUT2A、OUT2B為H橋的兩對(duì)輸出端口。最大限流Imax是由取樣電阻Rs和取樣比較器的輸入?yún)⒖茧妷篤ref決定的，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單。其中Imax=Vref/8Rs。

（二）通信電路

在最簡(jiǎn)單的RS-232直接傳送通信系統(tǒng)中，只要發(fā)送和接受雙方同時(shí)準(zhǔn)備好，僅用信號(hào)發(fā)送端（TXD）、信號(hào)接收端（RXD）和信號(hào)地（GND）3根信號(hào)線就可以進(jìn)行通信；若以應(yīng)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可使用請(qǐng)求發(fā)送（RTS）、清除發(fā)送（CTS）或數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備（DTR）、數(shù)據(jù)裝置準(zhǔn)備（DSR）4個(gè)信號(hào)進(jìn)行硬件握手。在AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)中，分別從P3.0和P3.1引出串口線RXD和TXD，通過(guò)專用的電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)的電平，這樣，二者之間就可以通過(guò)RS-232接口進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳送。

單片機(jī)可以通過(guò)直接傳送或應(yīng)答握手的方式與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但由于握手方式占用其它端口，而單片機(jī)的端口數(shù)量有限，所以，計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信常采用直接傳送的方式。

（三）數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)

數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)使用74LS164，通過(guò)SPCE061A的IOB0和IOB1口對(duì)DATA和CLK發(fā)送數(shù)據(jù)。

（四）4x4鍵盤電路

在設(shè)計(jì)中，使用了標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤，單片機(jī)的A口低8位為鍵盤的接口。盡管設(shè)計(jì)要求中只需要4個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)控制功能的擴(kuò)展，使用了4x4的鍵盤。

四、軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)按MCU的接收程序、脈沖控制程序以及上位機(jī)的串口發(fā)送程序。上位機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)的程序主要通過(guò)Windows可視化編程VC++實(shí)現(xiàn)。

下位機(jī)程序主要負(fù)責(zé)接受PC發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，按照要求產(chǎn)生控制脈沖，具體流程為：首先對(duì)要使用的串口進(jìn)行初始化，然后P2輸出口清零，接著進(jìn)入住程序的死循環(huán)，等待中斷觸發(fā)。接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，RI=1，接著將RI清零。當(dāng)單片機(jī)接收完數(shù)據(jù)后，標(biāo)志位置1。將緩存中的數(shù)據(jù)存入控制的變量中，以便控制時(shí)使用（具體操作時(shí)先法數(shù)據(jù)幀再發(fā)啟動(dòng)幀）。

五、結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合以上介紹的基于A3967SLB的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，在VC++環(huán)境下，利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)了PC與單片機(jī)之間的串行通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用這種方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)基于A3967SLB的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行精確的驅(qū)動(dòng)可行有效。本系統(tǒng)中，利用PC的豐富軟硬件資源和強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，可進(jìn)行一些數(shù)據(jù)處理、顯示等工作；而從控制器AT89C51則用于實(shí)時(shí)控制。另外，該系統(tǒng)為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)升級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李華.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2001.

[2]何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[3]郝鴻安.常用數(shù)字集成電路應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1987.

[4]王鴻鈺.步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.