51單片機下的步進電機控制系統(tǒng)研究

民權(quán)縣職業(yè)技術(shù)教育中心機電工程系 杜冬梅

本文提出了以AT89S51單片機為控制核心，以SJ-230M2為驅(qū)動器、以ADS7846為觸摸屏操作按鍵控制兩相步進電機系統(tǒng)，實現(xiàn)了步進電機的啟停、速度調(diào)節(jié)、方向調(diào)節(jié)、手動調(diào)節(jié)的功能，實驗驗證本控制系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、噪聲低的優(yōu)點。

隨著科技經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們逐漸從勞動力解放出來且對自動化程度的要求越來越高，控制技術(shù)發(fā)展得到人們的重視，做為控制系統(tǒng)重要的控制部件之一的步進電機在現(xiàn)代社會的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，因此研究以51單片機為控制核心的步進電機控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)框圖（圖1）

圖1 總體框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

本控制系統(tǒng)包括MCU、輸入設(shè)備、顯示設(shè)備、電機驅(qū)動器以及控制元件步進電機。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 單片機最小系統(tǒng)

傳統(tǒng)控制步進電機的控制器一般采用的是AT89C51種類的，本文為了設(shè)計需要選用了AT89S51。AT89S51的相對于傳統(tǒng)的AT89C51新增了以下功能：支持串行ISP接口（P1引腳5、6、7的第二功能口）編程與并行編程、計算速度較快、編程電壓較低、工作電壓的范圍較大4-5.5V，抗干擾性強、采用加密功能更強的加密算法等，性價比高。結(jié)合我校實驗室現(xiàn)有設(shè)備條件的情況下設(shè)計出基本的硬件支撐單片機最小系統(tǒng)。下面對單片機最小系統(tǒng)復(fù)位電路與時鐘電路進行設(shè)計。

（1）時鐘電路

AT89S51運行速度的快慢與穩(wěn)定程度主要取決于時鐘電路中晶振的頻率與質(zhì)量。一般情況下晶振的工作頻率為1.2MHZ-12MH。在我們實驗室現(xiàn)有的條件下選用了晶振為12MHZ的時鐘電路。時鐘電路中的電容選值為30PF。

（2）復(fù)位電路

單片機的復(fù)位電路主要是在系統(tǒng)重新啟動時或者當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生失控現(xiàn)象時能夠讓單片機恢復(fù)到到默認狀態(tài)，因此單片機的復(fù)位系統(tǒng)在進行單片機系統(tǒng)設(shè)計時十分重要，本文采用的是按鍵復(fù)位。

2.1.2 驅(qū)動器設(shè)計

由于步進電機在運行過程中會時常不穩(wěn)定、抗干擾性不強、噪聲大、遇到斷電等情況不能進行手動調(diào)節(jié)等缺點，本文針對以上出現(xiàn)的弊端，采用SJ-230M2

驅(qū)動器，SJ-230M2是原裝進口模塊，可以實現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動，具有很強的抗干擾性，高頻性能好，起動頻率高，控制信號與內(nèi)部信號試驗光電隔離，電流可選。其中具體的細分數(shù)設(shè)定規(guī)則如下所示：

設(shè)定細分數(shù)及相電流的功能的是驅(qū)動器上的撥盤開關(guān)實現(xiàn)的。在考慮控制器頻率允許的情況下，我們盡量選用高細分數(shù)的方法進行設(shè)定如表1所示。

表1 設(shè)定表

脈沖信號CP、方向可控信號DIR、脫機信號FREE組成了驅(qū)動器SJ-230M2的3路控制信號。

步進電機位置與速度控制的過程是上電初始化后，驅(qū)動器每接受一個CP信號，步進電機就同時轉(zhuǎn)動一定的步距角。步進電機位置主要取決于接受脈沖的個數(shù)。即通過輸送驅(qū)動器脈沖個數(shù)可以直接控制步進電機的位置。對于步進電機速度的控制主要是驅(qū)動器接受脈沖信號頻率的高低，頻率越高則步進電機轉(zhuǎn)動的速度越快。本驅(qū)動器的CP信號為低電平有效，要求CP信號的驅(qū)動電流為8-15mA，對CP的脈沖寬度也有一定的要求，一般不小于5uS。

步進電機轉(zhuǎn)動方向的控制主要是通過DIR信號實現(xiàn)的。其主要的工作過程是對DIR信號的賦值。當(dāng)DIR=1即高電平時，步進電機執(zhí)行一個方向。當(dāng)DIR=0即低電平時，步進電機執(zhí)行反方向。步進電機進行轉(zhuǎn)向時一定在電機停止后進行并且注意方向信號脈沖的施加時間。

脫機信號是低電平有效。當(dāng)沒有脈沖施加或者是施加脈沖后由于出現(xiàn)某種特殊情況又想手動調(diào)節(jié)步進脈沖時使用。

驅(qū)動器的三路信號有一個共同端OPTO端口，在本控制系統(tǒng)中須把此端口接+5V電源電壓。目的是能夠為驅(qū)動器內(nèi)部光電耦合器提供驅(qū)動電流。保證驅(qū)動器正常工作。具體的連接設(shè)計步驟是：將單片機的EA選擇開關(guān)在1的位置。用單片機的P2.0和P2.1端口分別接驅(qū)動器的CP端和DIR端，將驅(qū)動器的撥碼開關(guān)1打到ON檔2、3、4分別打到OFF檔位置。驅(qū)動器電流調(diào)節(jié)電位器調(diào)到0.8A的位置。具體連接方式如圖2所示。

圖2 驅(qū)動器與控制單元連接電路

2.1.3 輸入電路設(shè)計

傳統(tǒng)的輸入電路采用的是獨立按鍵的操作模式設(shè)計電機的啟停、加速減速、正反轉(zhuǎn)等。本文采用目前應(yīng)用比較廣泛的觸摸屏技術(shù)對輸入信號如啟動、停止、加速、減速、正反轉(zhuǎn)、進行操作。觸摸屏的優(yōu)勢：壽命長，美觀性好，更符合現(xiàn)代人的使用習(xí)慣、更加智能便捷，精準度高。基于以上優(yōu)點本文采用觸摸屏的方式設(shè)置電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速等。觸摸屏從工作原理上來分可以分為電容式，紅外線式，表面式等，本文采用的是電阻式觸摸屏ADS7846。ADS7846是最普遍的四線電阻式觸摸屏，其內(nèi)部是有一個多路選擇器和一個12位的AD轉(zhuǎn)換器組成。

觸摸屏控制器ADS7846與單片機AT89S51要實現(xiàn)通訊控制兩者之間應(yīng)加一SPI接口。如圖3所示。當(dāng)檢測有觸摸動作時，此時ADS7846的PEN IRQ輸出低電平發(fā)出中斷請求，通過SPI接口將中斷信號傳輸給單片機，單片機接受到ADS7846發(fā)出的中斷請求進而讀取信息。

圖3 觸摸屏控制電路圖

2.1.4 顯示電路設(shè)計

為了方便查看電機的加速減速正反轉(zhuǎn)以及啟停的情況，特設(shè)計顯示電路作為輔助電路。主要用單片機的P0口作為控制端口，因為PO口內(nèi)部沒有上拉電阻因此需要外加10KΩ上拉電阻，并采用三八線74LS745作為驅(qū)動進行顯示電路的控制。

2.1.5 步進電機

步進電機在工業(yè)過程及生活的各個方面起著十分重要控制作用，其本身具有精度高、價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單、且不需要進行模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換直接可以計算機的數(shù)字信號等特點，因此在空調(diào)出風(fēng)口定位等一些定位場合應(yīng)用的十分廣泛。

本控制方案將選用5V直流步進電機，即將脈沖信號一運算處理后轉(zhuǎn)化成角位移的執(zhí)行，因為可通過數(shù)字量驅(qū)動，所以該步進電機十分適合于單片機的控制。

2.2 軟件設(shè)計

本文是以windowns7為操作系統(tǒng)，以keil為編程平臺，以C語言為編程語言對本文的設(shè)計進行編程。其中包含有主函數(shù)、中斷函數(shù)、初始化函數(shù)、顯示函數(shù)等。其中主函數(shù)流程圖4如所示。

圖4 主函數(shù)流程圖

結(jié)論：本文提出的以AT89S51單片機為控制核心，并引入現(xiàn)代人們習(xí)慣使用的觸摸屏ADS7846代替獨立按鍵、以SJ-230M2穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、噪聲小的驅(qū)動器對步進電機的轉(zhuǎn)向、速度、啟停進行控制，根據(jù)設(shè)計需求進行了相關(guān)程序的編寫并進行了實驗，實驗證明該控制系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定好等優(yōu)點，該系統(tǒng)對步進電機最優(yōu)控制的研究提供了一定的基礎(chǔ)理論與指導(dǎo)。