基于单片机的步进电机控制系统.pdf

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1、第 2 1 卷第 1 期 2 0 o 9 年2 月 宁德师专学报(自然科学版)J o u rna l o f N i n g d e T e a c h e m C o U e g e(N a t u r a l S c i e n c e)Vo 1 2 l No 1 F e b 2 0 o 9 基于单片机的步进电机控制系统 陈 石 龙(宁德师范高等专科学校现代教育技术室，福建 宁德3 5 2 1 0 0)摘要：采用基于 A T 8 9 C 5 1 单片机为核心，包 括系统硬件设 计和系统软件设计，来实现对步进 电机 的控制 系统为一 自动控制系统，通过按键向单片机输 送控制信号，控制步进电机

2、的转 速和正反转，以及控制悬挂物体 在做 自行运动 采 用 A T 8 9 C 5 1 单片机指令系统进行编程来实现软件部分 经测试，系统能实现上述功能 关键词：A T 8 9 C 5 1；步进 电机；控制系统 中图分类号：T P 3 6 8 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 4 2 9 1 1(2 0 0 9)0 1 0 0 1 6-0 4 在电气时代的今天，电动机一直在现代的生产和生活起着十分重要 的作用 据资料统计，现在有 9 0 以上的动力源来 自于电动机，我国生产的电能大约有 6 0 用于电动机 电动机与人们 的生活密切相关 步进电动机作为机电一体化的关键产品之一，是一种专门

3、用于位置和速度精确控制的特种电机 其最大 特点是“数字性”，在控制器的推动下运转一个角度，称为一步或步矩角，非常适合微机和单片机控制 随 着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与 日俱增，在国民经济各个领域都有应用 鉴此，设计 开发了一种基于单片机的步进电机控制系统 1 设 计方案 本控制系统采用 A T ME L公司 MC S 一 5 1系列单片机 A T 8 9 C 5 1 作为微处理器 A T 8 9 C 5 1内部有 4 K的 可编程 E P R O M、1 2 8字节的 R A M(其 中有 l 6个字节既可以作一般的 R A M单元使用，又可对 1 2 8位进 行位操作)、2

4、 1 个特殊功能寄存器、2个 1 6位的定时计数器 以及一个全双工 串行 口，对外有 4个端 口、3 2 条 I O线，它们都具有位寻址功能，使用非常方便 系统采用的步进电机为 Q H 4-4 1 1 9型两相永磁式步进电机，每相线圈的电阻约为 7 0 Q 笔者采用单 电压驱动电路来驱动步进电机，在本质上它是一个简单的反相器 该驱动电路一般适用于小功率步进 电 动机的驱动 本设计 中的步进电机都是小功率的步进电动机，通过对软件的控制来改变步进电机的转速 大小 和正 反转 向的要 求 电源电路采用单路 固定稳压 电源电路，并提供给硬件电路工作电源 使用加速键、减速键、启停键、正反转键、运动键控制

5、步进电机 其整体框图如图 1 所示 2硬 件结构 2 1 电源部分 2 1 1 工作原理将外界低压交流电通过 4个二极 管组 成 的整 流桥进行 整流，并 通过 电容滤波，最后经稳压器 7 8 1 2、7 8 0 5稳压 输 出+1 2 V、+5 V 的直 流稳 压 电源 由于稳 压 器 7 8 1 2所 能承受的电压范 围为 1 5 4 5 V，最佳输入电压取值为 1 5 2 0 V，所以选择比 较适合的 1 5 V交流电作为输入电源硬件 暮 l茧 臣 口 一 匝 一 臣 I 图 1 步进电机控制系统整体框图 收稿 日期：2 O 0 9 0 2 1 O 作者简介：陈(1 9 8 4 一)，男

6、，见 习助理工程师，福建福安人，现从事高校现代教育技术工作及研究 E-ma i l：s h i l o n g 1 9 8 4 y a h o o c o rn c F I 第 1期 陈石龙：基于单 片机 的步进 电机控制系统 1 7 电路工作原理图见 图 2 图 2 硬件电路原理图 7 0 p,F 2 V 2 1 2参数计算 根据整流桥特性 RC 1 0 ms，R=了 U 为负载电阻)，所 以 C I 1 U 本设计使用的步进电机型号为 Q H 4 4 l l 9，将两组线圈的中间抽头对接起来，形成四相线圈，每相 线 圈的电阻约为 3 5 Q 按本设计 的驱动电路计算，电路正常工作时流经每相

7、的电流约为 2 0 0 mA(计算方 法参照步进电机驱动 电路的参数计算)，设计 中用 的步进 电机共为四相，所以流经整流桥后端、供电极工 作的电流要求最少为 1。2 A，再加上后端控制电路的电流，估计输入 电流应大于 1 4 A 这样可算得 C 1至 少要 4 9 0 1 x F 为了安全起见，本设计设置 C 1为 1 0 0 0 1x F 2 5 V 2 2显示部分 显示部分采用单片机 A T 8 9 C 5 1 控制七段 B C D数码管驱动器 C D 4 5 1 1 芯片 A T 8 9 C 5 l的引脚 P 2 3 P 2 O输出数值至 C D 4 5 1 1的 A D输入端 口，经

8、过 C D 4 5 1 l 译码后，在四位数码管上输 出显示 通过单片 机 A T 8 9 C 5 1 控制其 P 2 4，P 2 5，P 2 6，P 2 7的引脚 电平，来选择对应的数码管 的输出显示 数码管采用动态 扫描方式显示，L E D的显示 时间选择在 1 0 2 5 ms 均可，扫描频率不能太高，否则，每位 L E D显示 的时间 过短，亮度太低 2 3 步进电机驱动部分 2 3 1 步进电机的结构步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进 电机按设定的方向转动一个 固 定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行 的 可 以通过控制脉冲个数来控制角 位移量，从而达

9、到准确定位的 目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制 电机转动的速度，从而达到调速 的 目的 步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有 积累误差(精度为 1 0 0)的特点，广泛应 用 于各种开环控制 现在比较常用的步进电机包括反应式步进 电机(V R)、永磁式步进 电机(P M)、混合式 步进电机(H B)和单相式步进 电机等 2 3 2 步进 电机驱动电路原 理分析A T 8 9 C 5 1将控制脉冲从 P l口的 P 1 4 P 1 7输 出控制功率三极 管 2 S D 8 8 2，由功率管 2 S D 8 8 2将脉 冲信号进行 电压和电流放大，驱动步进 电机 的各相绕组，使步进

10、 电机 随 着不同的脉冲信号分别作相应的动作 图 3中 L 1 为步进电机的一相绕组 A r I 8 9 C 5 1选用频率 1 2 MH z的 晶振，选用较高晶振的 目的是为了尽量减小 A T 8 9 C 5 1 对上位机脉冲信号周期的影响 电阻 R1 3 R1 6是 一外接电阻，起 限流作用，也是一个改善回路时间常数的元件 DI D 4为续流二极管，使电机绕组产生的 反 电动势通过续流二极管(D 1 D 4)而衰减掉，从而保护了功率管 2 S D8 8 2不受损坏 在外接电阻上并联 一个电容，可以改善注入步进 电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能 与续 流二极管串 联 的电阻可

11、减小 回路 的放电时间常数，使绕组 中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高 高频工作性能的作用 硬件电路原理图见 图 3 2-3 3 参数计算通过电机每相线圈 的电流的计算 用数字万用表测得每相电阻为 3 5-4 0，三极管集 l 8 宁德师专学报(自然科学版)2 0 0 9 年 2月 电极电压为 1 2 V，三极管饱和导通压降 约为 0 3 V，所 以通 过 每相 电流约 为：(1 2 0 3)3 5 f =3 3 4 m A 考虑到流过三极 管(T 卜T 8)基极 电流大约为 1 A，故 采用 2 S D 8 8 2，电阻(R1 一 R 8)采用普 通碳膜 电 阻，阻值 为 4

12、 7 k Q 3 软件结构 3 1 软件设计思想 软件系统采用 MC S 一 5 1 单片机汇编 语言编写，时钟晶振为 1 2 MH z，故每条指 令周期为 s 根据设计任务的要求进行 图3 硬件电路原理图 按键扫描、显示扫描、电机状态控制，并根据功能要求进入各个功能模块 主要设计的子程序有电机状态 赋值子程序、显示扫描子程序、按键扫描子程序 在步进电机控制系统中单片机的主要作用是产生脉冲 序列，它通过 A T 8 9 C 5 1 的 P 1口中P 1 4 P 1 7发送的 系统软件编制采用定时中断产生脉冲序列，不使用 软件延时，不占用 C P U C P U在非中断时间内可以处理其他事件，唯

13、有到了中断时间驱动步进电机一个 脉冲信号 步进 电机工作方式为四相 8拍，通电顺序为：A AB B B C C C D D D A 如果按照上述通电顺序，步进电机正转；反之，如果通电顺序相反，则步进电机反相转动 步进电机正转发励磁逻辑，见表 1 表 中的代码 8 0 H、0 A O H、2 0 H、6 0 H、4 0 H、5 0 H、1 0 H、9 0 H称为励磁表 在编制程序时，先将代码按照顺 序放进存储器中，由单 片机通过接口依次送 出相应控制代码，即可控制步进 电机转动 在 确定步进电机的转动后，只需要改变给定脉 冲的频率即可改变步进电机的转速，不过输 送脉冲的频率不能太快，否则会造成电

14、机不 转，而发出啸声 考虑到要使步进 电机平稳运 行，采用定时器定时输 出控制脉冲，同时要将 定时器的中断优先级设为最高级别，以保证 不论 C P U在执行 哪段程序，定时中断一 到就 可 以无条 件 的执行 脉 冲输 出程 序 3 3 软件总 系统设计 表 1 步进电机正转发励磁逻辑表 总流程 图采用模块化结构，在 R A M建立各控制量 的映射，方便各功能模块的编程和修改 分功能模 块结构，可实现无扰动重入 软件模块按功能划分，是 以子程序 的形式设计的，程序分别对各个功能进行 调用，各个模块功能清晰明了 本次设计采用单极性直流电源供电，只要对步进电机的各 相绕组按合适 的时序通 电，就能

15、使步进 电机步进转动 按键子程序中包括按键扫描、按键去抖动、按键 的键后处理 按 键扫描采用单个按键 的扫描，分别对不同功能的按键扫描并存放不同的按键标志 按键去抖动采用延时 去抖法 根据按键扫描后 的按键标志位结果来处理相应的子程序 键后处理采用键前沿，把键前沿后存 放成触型按键，把前次扫描到的存放成控制型按键 显示模块采用传统的 B C D编码显示数字，程序编译 容易，资源 占用少 使用 四位数码管，动态扫描显示的方式 总程序流程框图见图 4 4系统调 试 测试 方 法与结 果(1)使用变压器在电路中接人 1 5 V的电压，使用万用表测量电路中相应位置的电压是否正常 其结 第 1 期 陈石

16、龙：基于单片机的步进 电机控制系统 1 9 果为稳压块输出电压正常，电路芯片供电正常 (2)编写相应的测试程 序，并 将 程 序 烧 写 进 A T 8 9 C 5 1，将 A T 8 9 C 5 1 放入 实际电路中测量 结果：该系 统 电路 可 以满 足在功 能按 键 的操 作下控制 步进 电机 做正转、反转、加速、减速、以及 自行 运动 图 4 总程 序 流程框 图 参 考 文 献：【1】何立民，张俊谟 单片机中级教程：第 2版 M】北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 (2】王 琼单片机原理及应用实验教程【M】合M E：合肥工业大学出版社，2 0 o 5 【3 杨 振江，杜铁军

17、，李群 流行单片机使用子程序及应用实例：第 2版 M】西安：西安 电子科技大学 出版社，2 0 0 2 4】杨素行 模拟电子技术基础简明教程：第 2版 M】北京：北京高等教育出版社，1 9 9 8 5 S p e n c e r R R 电子电路设计基础 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 【6】徐 建军 M C S 一 5 1单片机应 用及接 口技术【M】北京：人 民邮电出版社，2 0 0 3 7 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉 8 0 5 1 单片机实践与应用 M】北京：清华大学出版社，2 0 0 3 【8 曾令全 电机学 M】北京：中国电力 出版社，2 o o 7：1 1 7 1 5 6

18、9】杨绍岩，黄立创，刘 丽 高精度步进电机控制方法【J 光电技术应用，2 0 0 6，0 1(8)：2 1 2 2 1 O】盛超，钟运平，韦忠朝 基于 A T 8 9 C 2 0 5 1的混合式两相步进 电机控制器 J 电气应用，2 0 0 5，0 1(2)：1 5 1 8 【l 1】李晓菲，胡 泓，王 炜，程云涛 步进 电机加 减速控 制规 律 L 机电产品开发 与创新，2 0 0 6 0 1(1 2)：8-1 0 1 2 周明安，朱光忠，宋晓华，肖俊建 步进 电机驱动技术发展 及现状【J】机电工程技术，2 0 0 5，0 2(5)：1 9 2 1 【1 3】王晓明 电动机的单片机控制【M

19、北京：北京航空航天大学 出版社，2 0 0 2 1 4 江思敏，姚鹏翼，胡荣，等 P r o t e l l 电路设计教程【M 北京：清华大学出版社，2 0 0 2 De s i g n o f Di g i t a l Ti m e r Ba s e d o n M CU CHEN S h i-l o n g (M o d e m E d u c a t i o n T e c h n o l o g y o ff i c e，N i n g d e T e a c h e r s C o l l e g e，N i n g d e F u j i a n 3 5 2 1 0 0，C h i

20、 n a)Ab s t r a c t：T h i s d e s i g n t a k e s t h e A T 8 9 C 5 1 a s t h e c o r e，i n c l u d i n g t h e d e s i g n o f t h e h a r d wa r e s y s t e m a n d t h e s o f t wa r e s y s t e m，t o r e a l i z e t h e c o n t r o l o n t h e S t e p p i n g Mo t o r As a n a u t o ma t i c c o

21、 n t r o l s y s t e m，t h i s s y s t e m s e n d s t h e c o n t r o l s i g n a l s t o t h e MC U b y p r e s s i n g t h e b u t t o n t o c o n t r o l t h e r o t a t i o s p e e d a n d r o t a t i o d i r e c t i o n o f t h e S t e p p i n g Mo t o r，a n d t o c o n t r o l t h e p r o p e

22、 r m o t i o n o f t h e Ha n g i n g o b j e c t s S o me s o f t w a r e c a n b e r e a l i z e d wh e n t h e c o mma n d s y s t e m o f t h e A T8 9 C5 1 i s a p p l i e d t o P r o g r a m Af t e r t e s t i n g，t h i s s y s t e m c a n a c h i e v e t h e a b o v e me n t i o n e d f u n o t i o n s Ke y wo r d s：AT8 9 C 5 1；s t e p p i n g mo t o r；c o n t r o l s y s t e m 军