第37卷第5期,术 Vo!.37No.5HUNAN湖南农机AGRICOLTURALMACHINERy2010年9月SeP.2010基于单片机AT89c51的步进电机控制系统设计委俊,朱志甫(东华理工大学机械与电子工程学院,江西抚州3科仪旧)摘要:介绍采用单片机89C51根据输入的数据转化成的控制信号来控制步进电动机的角位移的一种方法,包括硬件设计和软件设计该系统通过MSP430单片机控制步进电机运转情况,可靠性高在电机运行时能够方便设定步进电机的启,停 转速和方向,提高步进电机的步进精度,能够控制三相或四相步进电机,且电路简单,成本较低,控制方便,移植性强,实用价值高关键词:步进电动机:AT89C51;SN75452中图分类号:TM304文献标识码:A文章编号:1007一8320(2010)05e()3X4一3 DesignfocontrolsystemfostePPermotorbasedonAT89C51LOUJun,ZHUZhi一u (Meehanic以朋汉EecltronicE九多neeringofE山tChinaUn初ers妙ofTechnolo群IstnitueCtole邵沪飞!hou沂田健笋1344∀XX),China)Abstract二hep叩erin加dueeoTenw叮thateontOlstIhesteppingmotorbymie慨omputerAT89C51dependingonthe eontols咖arltowhiehinputdaaeonvertteontIOTinehidingitshadrwaerndsofatwaerheltinedisplacementofthesteppingmotor,namelysimply脚phploter,tKeywords:steppingmotor;AT89C51;SN75452随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,特别是单片微机的出现和发展,使传统的电动仪器在原理 功能 精度及自动化水平等方面都发生了巨大变化,特别是步进电动机,它的工作职能正好符合数字控制系统的要求,电子技术的发展解决了它的电源问题因此,它在数控机车床 波峰焊 打印机 2.,2硬件电路设计单片机的选用AT89C51是一种低功耗高性能CMOSS位单片微机,它除了具有与毗S一51完全兼容的若干特性外,最为突出的优点就是片内集成了4K字节FhshPEROM,可用来存放应用及光学仪器中得到了广泛的应用步进电机是一种将输人脉冲信号转换成输出轴的角位移(或线位移)的执行元件这种电动机每输人一个脉冲信号,输出轴便转过一个固定的角度,即向前迈进一步,因而,输出轴转过的总角是与输人脉冲数成程序,这个Flash程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外,还允许在应用系统中实现在线编程,并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能,AT89C51的另一个特点是工作速 正比的,步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统的要求度更高,晶振频率可高达24MHz,一个机器周期仅500ns,比MCS一51快了一倍.2步进电动机2在测量中,,为了准确定位,随绘图点在绘图平面位置的变化,需要有一装置带动摆头灵活移动根据现场实际情况,确定采用型号为3C13的步进电动机这样就要有一控制装置控系统整体设计系统中,键盘输人的数据经由单片机AT89C51的邵口将其采集进来,经过运算,最终须给出两个输出量:一为与控制信号相对应脉冲和正 反转控制信号,脉冲由Pl口输出,控制信号由P2.0输出;另一为显示绘图点位置的显示信号,其 制信号来调整相应的步进电动机的转角控制信号为键盘输人的数据转化而成,要求步进电动机的线位移范围为一IM-由七段数码管显示,这由AT89C51的P3.0 3.1输出根据键P盘输人信号的大小产生对应的脉冲序列数,由74岱oo和SN78452驱动步进电动机IM,由此确定,步进电动机的线位移最小单位为1mm因为3C13的转轴直径d=1.7m,所以S=fld=5.3舰m由G.=3600 /N,得0.=zl.8度由上又可求到最小单位所要走的步距角的个数n==0.1耐5.34emx3600/1.80二4.32步进电动机驱动部分矩阵键盘.单片机机AT89C511图1系统整体框图双外围设备驱动器SN75452,可以对输出的信号起到功率放大的作用,用放大的信号来驱动外围的设备本设计中它用来放大89C51的Pl口输出用来控制步进电动机的脉冲功率,从而来驱动步进电动机SN75452的逻辑框图(正逻辑)如图2所示,而741另()内含四对与非门,可以与SN7545X2组成收稿日期:2010一05一28作者简介:姿俊(1988一),大学本科第37卷娄俊:墓于单片机AT89C51的步进电机控制系统设计简单的步进电机驱动电路进电动机的U V W X相绕组 图2SN75452逻辑图.42键盘及显示设计 键盘采用4x4矩阵键盘,其中,O一9:为数字键#*∃键:启动,转数设定完成后,按#*∃启动步进电动机D:设定正逆转按#D%,键则P2.0比D亮,表示逆转,再按珑D熄为正转,再按 2.P0LED亮为逆转X:设定X轴步进电动机转动Y:设定Y轴步进电动机转动计娜指针加1显示采用串行动态数码管显示电路,本设计单片机的串行接口有4种工作方式,当处串行方式0时,成为一个同步移位寄存器,能用于扩展并行输人/输出口此时自单片机P3.0输出的串行数据信号输人74玲164的A B两端口,P3.1接在CLOCK上,数据在CIDCK上升沿时输出在CLOCK上升沿按顺序把致位位存入即一,班时74岱164串行输人,移位 且并行输出二.52操作方法圈3总设计流程圈(l)送电时,设定为正转,数码管为#(拟),,(2)输人绘图点X轴位置,数码管将显示输出X轴的位置,按#x%,,驱动X轴步进电动机,按#D%,设定负位移,P2.0亮 (2)根据控制方式找出控制模型,如表l和表2所示裹1四相单四拍节拍正转反转4山,j内且1控制模型通电相WVUX表示逆转,然后按#*∃,步进电动机开始运转同理,输人绘图二进制(心叱日刀1仪X刀阅10十六进制8H4210点Y轴位置,数码管将显示输讼x轴的位置,按#Y%%,驱动Y轴步进电动机(义心叩1月洲)(洲X旧1仪力(3)电机每转过4个步距角(即线位移达到一个最小单位),数码显示减1,直到以X)步进电动机停止运转节拍裹2通电相xW姗VUx四相双四拍控制模型反转43软件设计设步进电动机所要走的步数放在R4中,转向标志放在程正转l二进制(以刃阅11∀众X旧110(洲&X&111义&峨D阅1(侧)1十六进制03H(拓HOCH峨玲H 序状态寄存器用户标志位Fl(DSH)中当Fl为l,%∃时步进电动机反转正转模型o3H 6H 0oeH 9H存放在sgC51片内0数据存储器20H~23H中,24H中存放结束标志ooH在25H开始的存储区内存放反转控制模型03H oH cH o6H,在09H单元内存放结束标志o2oH软件部分总的设计流程图如图3所示.1时序脉冲的形成3(3)根据控制模型的顺序向步进电动机输人控制脉冲由四相四拍通电方式的二进制数可以看出,步进电动机每进一步,高电平就左移或右移一位因此可以考虑在A累加器中放一个时序字节,在每个采样时刻累加器左移或右移一位,径输出口输出89C51单片机为8位字长,能实现四相单四拍步进电动机的旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关四相步进电动机通常有三种通电方式:(1)四相单四拍U一V一W一X赞U(2)四相双四拍UV一V礴!WX,XU一UV和四相双四拍通电方式(在实现三相单三拍和三相双三拍通电方式时,可以把进位标志位CY考虑在内,这样8位字节可以看成9位就能被3整除)两种通电方式如图4 图5所示(3)四相八拍U一UV一V一VW一W一WXeeX一XU一U按以上顺序通电,步进电动机正转,按相反方向通电,步进电动机反转以四相单四拍和四相双四拍为例,产生时序脉冲的方法是: (l)用单片机的Pl.0 Pl.1 PI.2和Pl.3分别控制四相步忿__XLee图4四相单四拍示意圈(正转 反转)湖南农机!一日--一一1变了cf月2010年9月图5四相双四拍示意图(正转 反转).23步进电动机控制程序的设计步进电动机各绕组通电顺序不同,转动方向就不同,步进电动机控制程序的主要任务就是:判断旋转方向,按顺序送出控制脉冲,判断所要送出的脉冲是否送完下面以四相双四拍运转方式为例,说明这种程序的设计程序延时控制程序一般用在步进电动机的恒速运转方式本设计就运用这种方法分别控制X Y轴两个步进电动机恒速运转而利用定时器延时,中断方式输出控制脉冲的控制程序一般用在步进电动机的变速运转方式中当然,在精度要求比较高的情况下,在步进电动机的恒速运转方式中也采用4结论该系统通过MSP430单片机控制步进电机运转情况,可靠性高在电机运行时能够方便设定步进电机的启,停 转速和方向,提高步进电机的步进精度,能够控制三相或四相步进电机,且电路简单,成本较低,控制方便,移植性强,实用价值高参考文献∋1(刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统)M(.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.∗2(李广弟,朱月秀,冷祖那.单片机基础∋M+.湘京:北京航空航天大学出版社,20)7.(定时器延时;中断方式输出控制脉冲的控制程序,为了使步进电动机在运转中不出现失步现象,一般要小于(或等于)步进电动机启动频率fs,在该频率下,步进电动机可以任意启动 停止或反转而不发生失步现象当步进电动机走过的距离比较长时,需要低速启动,高速∋3]赵新民,王郊.智能仪器设计基础∋M(.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999.运转,然后降低速度,最后停止,这样就解决了#快速而不失步∃的矛盾实现变速控制的基本思想是改变控制频率Ll一L3分别代表各个不同运行阶段的步长,Ll段为升频,U段为恒速运行,U段为降频利用定时器延时,在升频段定时器的初值由小变大,在降频段定时器的初值由大变小,恒速段初值不∋41杨辉媛,杨红海,谭伟杰.基于AT89C51单片机步进控制系统的设计)].船舶电子工程,2阅8(8J):204-206.∋引沈建华,杨艳琴,翟晓借.MSP430系列16位单片机原理与应用∋M+.北京:清华大学出版社,20(又.∋]赵思宏,范惠林.电机转拒转速浏童方法的分析∋6].光学精密工程,J2()2,(3):29华29X4.