采用AT89S52和VC++的實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

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，即給 電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。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，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。本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52 單片機(jī)和VC++的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn) 電機(jī)的基本控制及狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

2 系統(tǒng)組成

使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖源、功率放大電路等部分組成控制系統(tǒng)，脈沖信號(hào) 一般由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3-0.4左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則 越大。功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài) 平均電流而非靜態(tài)電流，平均電流越大，電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大，這就需要驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的驅(qū)動(dòng)方式。到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式 一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流等。

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，脈沖信號(hào)由單片機(jī)AT89S52產(chǎn)生并分配給步進(jìn)電機(jī)各相，功率放大部分由驅(qū)動(dòng)電路完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)模塊采用35BY48S03永磁式步進(jìn)電機(jī)，用戶利用4*4鍵盤或上位機(jī)的控制界面實(shí)現(xiàn)指令輸入，采用上位機(jī)或1602字符型液晶模塊實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路采用內(nèi) 部振蕩方式，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中使用較多[3]。復(fù)位電路作用是使單片機(jī) 的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。復(fù)位電路采用2種基本形式：上 電復(fù)位、開關(guān)復(fù)位。

3.2 鍵盤電路

設(shè)計(jì)P1口接4*4鍵盤，鍵盤電路圖如圖2所示：

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

35BY48S03型步進(jìn)電機(jī)接線圖如圖3所示，從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有5根引出線。要使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要以一定的 次序輪流給各引出端通電即可，加電的方式可以有多種，包括單相驅(qū)動(dòng)、雙相驅(qū)動(dòng)、單－雙 相驅(qū)動(dòng)等，相應(yīng)步進(jìn)角有整步和半步區(qū)分。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，采用單相驅(qū)動(dòng)和單－雙相 驅(qū)動(dòng)兩種加電方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)該電機(jī)參數(shù)，不難設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)電路，因其工作電壓為12V，最大電流為0.26A，因 此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器(ULN2003)作為驅(qū)動(dòng)，通過P2.7-P2.4來(lái)控制各線圈的接通與 切斷。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間，而要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向， 只要改變各線圈接通的順序[4]。

3.4 串行通信電路

在PC機(jī)內(nèi)接有PC16550（和8250兼容）串行接口、EIA-TTL的電平轉(zhuǎn)換器和RS-232C連 接器，除鼠標(biāo)占用一個(gè)串行口外，還留有兩個(gè)串行口給用戶，這就是COM1（地址3F8H-3FFH） 和COM2（地址2F8H-2FFH），通過這兩個(gè)口，可以連接串行通信設(shè)備，如單片機(jī)、仿真機(jī) 等。由于單片機(jī)的串行發(fā)送和接收線TXD和RXD是TTL電平，而PC的COM1或COM2的 RS-232C連接器（D型9針插座）是EIA電平，因此單片機(jī)需加接MAX232芯片，通過串行電 纜線和PC相連接。本文所設(shè)計(jì)的串行通信電路如圖4所示。

3.5 下位機(jī)顯示電路

液晶采用顯示容量為2行16個(gè)字的1602液晶，1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，內(nèi)部的字符發(fā) 生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的 代碼[5]。設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)部分：上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括： 上位機(jī)控制環(huán)境設(shè)計(jì)、上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)程序的封裝發(fā)布；下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包 括：鍵盤掃描程序、下位機(jī)通信程序、主驅(qū)動(dòng)程序、測(cè)試部分程序、顯示部分程序。

4.1 上位軟件設(shè)計(jì)

Visual C++設(shè)計(jì)了一套基礎(chǔ)類庫(kù)（Microsoft Foundation Class Library, MFC）, MFC把編 程規(guī)范中的大多數(shù)內(nèi)容封裝成為各種類，使程序員從繁雜的編程中解脫出來(lái)[6]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè) 計(jì)需要，設(shè)計(jì)一個(gè)基于對(duì)話框的應(yīng)用程序即可，如圖6所示。

為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信，利用Microsoft提供的串行通信ActiveX控件。該控件的相 應(yīng)文件是MSCOMM32.OCX。在基于對(duì)話框的程序中使用控件，需要進(jìn)行以下幾方面操作： 拖動(dòng)控件圖標(biāo)到窗口上，創(chuàng)建控件ID。在對(duì)話框頭文件中聲明CMSComm類的變量及引用控 件類頭文件。創(chuàng)建CMSComm類的實(shí)例。建立控件事件響應(yīng)代碼框架[7]。

在電機(jī)狀態(tài)改變后，由下位機(jī)將代表各狀態(tài)的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收到后存入 一個(gè)數(shù)組內(nèi)，根據(jù)此數(shù)組內(nèi)容刷新各編輯框內(nèi)容，以達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的目的。此處共有五個(gè)數(shù) 據(jù)，放入rxdata數(shù)組中，分別代表勵(lì)磁狀態(tài)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、速度、測(cè)試1計(jì)數(shù)、測(cè)試2計(jì)數(shù)。上 位機(jī)MSComm控件SetRThreshold屬性設(shè)置為5，則當(dāng)下位機(jī)將五個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送完后，上位機(jī)立 即觸發(fā)OnComm事件，進(jìn)行接收[8]。

當(dāng)我們安裝VC++6.0時(shí)，如果選擇了ACtiveX控件項(xiàng)（自定義安裝），MSComm控件就 會(huì)自動(dòng)安裝在計(jì)算機(jī)上了，并在系統(tǒng)文件夾下多了3個(gè)文件：Mscomm.srg，Mscomm32.ocx， Mscomm32.dep，即MSComm控件已經(jīng)過授權(quán)，但要注意的是，如果程序移植到其它沒有安 裝VC軟件的PC機(jī)上，必須將其使用“執(zhí)照”License 在注冊(cè)表中登記注冊(cè)，才可以正常運(yùn)行。 為了正常運(yùn)行， 還需要將VC開發(fā)的可執(zhí)行文件與運(yùn)行所需的三個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接文件 MFC42D.DLL，MFCO42D.DLL，MSVCRTD.DLL放在同一個(gè)文件夾中。使用Installshield軟 件進(jìn)行封裝實(shí)現(xiàn)以上要求即可。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用單相驅(qū)動(dòng)和單－雙相驅(qū)動(dòng)兩種加電方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，即 單相四拍和單－雙相八拍驅(qū)動(dòng)，分別為整步和半步運(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)角分別為7.5度和3.75度，不同 的驅(qū)動(dòng)方式其狀態(tài)表不同，兩種驅(qū)動(dòng)方式的波形及狀態(tài)表如下，其中1代表高電平，表示驅(qū) 動(dòng)的磁極繞組通電；0代表低電平，表示驅(qū)動(dòng)的磁極繞組不通電。

按照設(shè)計(jì)要求改變轉(zhuǎn)速，則只要改變P2.7-P2.4輪流改變電平的時(shí)間即可達(dá)到要求，這個(gè) 時(shí)間不應(yīng)采用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闀?huì)影響到其他功能的實(shí)現(xiàn)。這里以定時(shí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，晶振 頻率為11.0592M，采用T0方式1定時(shí)。主程序流程圖如圖7所示：

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，包括液晶屏初始化及將程序所用到的內(nèi)存單元（開關(guān)機(jī) 狀態(tài)標(biāo)志位7FH、正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位7EH、單相勵(lì)磁或單雙相勵(lì)磁標(biāo)志位7DH、測(cè)試標(biāo)志位7CH、 當(dāng)前速度寄存單元2EH）清零。然后檢測(cè)是否開啟電機(jī)，檢測(cè)到開信號(hào)后，設(shè)置狀態(tài)位，7FH=1,7EH=1,7DH=1,2EH=10,代表起始狀態(tài)設(shè)置為：?jiǎn)坞p相勵(lì)磁正轉(zhuǎn)，起始速度為10r/m。

設(shè)置 T0 相關(guān)參數(shù)后，開始定時(shí)，同時(shí)檢測(cè)鍵盤是否有其它請(qǐng)求發(fā)生，如果有，則改變 相應(yīng)的狀態(tài)位，并改變單片機(jī)輸出波形，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)改變。

串行通信的編程方式有兩種查詢方式：查TI 或RI 是否為“1”。中斷方式：如果預(yù)先開 了中斷，當(dāng)TI、RI 為“1”，會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生中斷。兩種方式中當(dāng)發(fā)送或接受數(shù)據(jù)后都要注意清 TI 或RI。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，下位機(jī)采用查詢及中斷兩種接收方式，接收上位機(jī)的控制指 令；發(fā)送采用查詢方式，將當(dāng)前電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)給上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

5 功能驗(yàn)證

利用示波器測(cè)量P2.7-P2.4口產(chǎn)生的波形，以測(cè)試電機(jī)的激勵(lì)脈沖是否與理論相符，所測(cè) 波形如圖8、9所示。圖8是在單-雙相八拍勵(lì)磁方式，轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/分的情況下，測(cè)量出的P2.7 和P2.5波形，即A，/A的激勵(lì)波形。圖9是在單相四拍勵(lì)磁方式，轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分的情況下， 測(cè)量出的P2.7和P2.6波形，即A，/B的激勵(lì)波形。

上位機(jī)控制操作和鍵盤控制操作可以單獨(dú)發(fā)出指令，也可以交互發(fā)出指令，該系統(tǒng)應(yīng)用 環(huán)境較廣。經(jīng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以很好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的基本控制 及狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的基本控制及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯 示。該系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，操作方便，經(jīng)測(cè)試取得了良好效果。經(jīng)過一定的技術(shù)改進(jìn)后，可以應(yīng) 用于包裝機(jī)械的物料計(jì)量、包裝膜供送、橫封等過程中，精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和運(yùn) 行位置。利用步進(jìn)電機(jī)替代傳統(tǒng)的機(jī)械或其它方式，不僅能使包裝機(jī)械結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié) 方便、可靠性增加，而且精度會(huì)得到很大提高。