基于单片机及VC+的步进电机控制系统设计

1、1 引言步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下， 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给 电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周 期性的误差而无累积误差，使得在速度、位置等控制领域，用步进电机来控制变的非常的简 单1。本文设计了一种基于AT89S52 单片机和VC+的步进电机控制系统，可以实现对步进 电机的基本控制及状态实时显示。2 系统组成使用、控制步进电机必须由环形脉冲源、功率放大电路等部分组成控制系统，脉冲信号 一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0

2、.4左右，电机转速越高，占空比则 越大。功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态 平均电流而非静态电流，平均电流越大，电机力矩越大，要达到平均电流大，这就需要驱动 系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方式。到目前为止，驱动方式 一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流等2。本文设计系统中，脉冲信号由单片机AT89S52产生并分配给步进电机各相，功率放大部分由驱动电路完成，系统结构框图如图1所示。本文所设计系统中，步进电机模块采用35BY48S03永磁式步进电机，用户利用4*4键盘或上位机的控制界面实现指令输入，采用上位机或1602字

3、符型液晶模块实时显示运行状态。3 硬件设计3.1 单片机最小系统电路单片机的最小系统电路包括时钟电路和复位电路。本文所设计系统中，时钟电路采用内 部振荡方式，所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多3。复位电路作用是使单片机 的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。复位电路采用2种基本形式：上 电复位、开关复位。3.2 键盘电路设计P1口接4*4键盘，键盘电路图如图2所示：3.3 电机驱动电路35BY48S03型步进电机接线图如图3所示，从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有5根引出线。要使步进电机转动，只要以一定的 次序轮流给各引出端通电即

4、可，加电的方式可以有多种，包括单相驱动、双相驱动、单双 相驱动等，相应步进角有整步和半步区分。在本文设计的系统中，采用单相驱动和单双相 驱动两种加电方式驱动步进电机运转。根据该电机参数，不难设计出驱动电路，因其工作电压为12V，最大电流为0.26A，因 此用一块开路输出达林顿驱动器(ULN2003)作为驱动，通过P2.7-P2.4来控制各线圈的接通与 切断。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间，而要改变电机的转动方向， 只要改变各线圈接通的顺序4。3.4 串行通信电路在PC机内接有PC16550（和8250兼容）串行接口、EIA-TTL的电平转换器和RS-232C连 接器，除鼠标

5、占用一个串行口外，还留有两个串行口给用户，这就是COM1（地址3F8H-3FFH） 和COM2（地址2F8H-2FFH），通过这两个口，可以连接串行通信设备，如单片机、仿真机 等。由于单片机的串行发送和接收线TXD和RXD是TTL电平，而PC的COM1或COM2的 RS-232C连接器（D型9针插座）是EIA电平，因此单片机需加接MAX232芯片，通过串行电 缆线和PC相连接。本文所设计的串行通信电路如图4所示。3.5 下位机显示电路液晶采用显示容量为2行16个字的1602液晶，1602采用标准的16脚接口，内部的字符发 生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都

6、有一个固定的 代码5。设计电路图如图5所示。4 软件设计软件设计可分为两个部分：上位机软件设计和下位机软件设计。上位机软件设计包括： 上位机控制环境设计、上位机通信程序设计以及上位机程序的封装发布；下位机软件设计包 括：键盘扫描程序、下位机通信程序、主驱动程序、测试部分程序、显示部分程序。4.1 上位软件设计Visual C+设计了一套基础类库（Microsoft Foundation Class Library, MFC）, MFC把编 程规范中的大多数内容封装成为各种类，使程序员从繁杂的编程中解脱出来6。根据系统设 计需要，设计一个基于对话框的应用程序即可，如图6所示。为实现上位机与下位机

7、通信，利用Microsoft提供的串行通信ActiveX控件。该控件的相 应文件是MSCOMM32.OCX。在基于对话框的程序中使用控件，需要进行以下几方面操作： 拖动控件图标到窗口上，创建控件ID。在对话框头文件中声明CMSComm类的变量及引用控 件类头文件。创建CMSComm类的实例。建立控件事件响应代码框架7。在电机状态改变后，由下位机将代表各状态的数据发送给上位机，上位机接收到后存入 一个数组内，根据此数组内容刷新各编辑框内容，以达到实时显示的目的。此处共有五个数 据，放入rxdata数组中，分别代表励磁状态、转动方向、速度、测试1计数、测试2计数。上 位机MSComm控件SetRT

8、hreshold属性设置为5，则当下位机将五个数据发送完后，上位机立 即触发OnComm事件，进行接收8。当我们安装VC+6.0时，如果选择了ACtiveX控件项（自定义安装），MSComm控件就 会自动安装在计算机上了，并在系统文件夹下多了3个文件：Mscomm.srg，Mscomm32.ocx， Mscomm32.dep，即MSComm控件已经过授权，但要注意的是，如果程序移植到其它没有安 装VC软件的PC机上，必须将其使用“执照”License 在注册表中登记注册，才可以正常运行。 为了正常运行， 还需要将VC开发的可执行文件与运行所需的三个动态链接文件 MFC42D.DLL，MFCO4

9、2D.DLL，MSVCRTD.DLL放在同一个文件夹中。使用Installshield软 件进行封装实现以上要求即可。4.2 下位机软件设计本文所设计系统中，采用单相驱动和单双相驱动两种加电方式驱动步进电机运转，即 单相四拍和单双相八拍驱动，分别为整步和半步运转，步进角分别为7.5度和3.75度，不同 的驱动方式其状态表不同，两种驱动方式的波形及状态表如下，其中1代表高电平，表示驱 动的磁极绕组通电；0代表低电平，表示驱动的磁极绕组不通电。按照设计要求改变转速，则只要改变P2.7-P2.4轮流改变电平的时间即可达到要求，这个 时间不应采用延时来实现，因为会影响到其他功能的实现。这里以定时的方式

10、来实现，晶振 频率为11.0592M，采用T0方式1定时。主程序流程图如图7所示：系统上电后，首先进行初始化，包括液晶屏初始化及将程序所用到的内存单元（开关机 状态标志位7FH、正反转标志位7EH、单相励磁或单双相励磁标志位7DH、测试标志位7CH、 当前速度寄存单元2EH）清零。然后检测是否开启电机，检测到开信号后，设置状态位，7FH=1,7EH=1,7DH=1,2EH=10,代表起始状态设置为：单双相励磁正转，起始速度为10r/m。设置 T0 相关参数后，开始定时，同时检测键盘是否有其它请求发生，如果有，则改变 相应的状态位，并改变单片机输出波形，控制步进电机运行状态改变。串行通信的编程方

11、式有两种查询方式：查TI 或RI 是否为“1”。中断方式：如果预先开 了中断，当TI、RI 为“1”，会自动产生中断。两种方式中当发送或接受数据后都要注意清 TI 或RI。本文所设计系统中，下位机采用查询及中断两种接收方式，接收上位机的控制指 令；发送采用查询方式，将当前电机运行状态信息发给上位机实时显示。5 功能验证利用示波器测量P2.7-P2.4口产生的波形，以测试电机的激励脉冲是否与理论相符，所测 波形如图8、9所示。图8是在单-双相八拍励磁方式，转速为10转/分的情况下，测量出的P2.7 和P2.5波形，即A，/A的激励波形。图9是在单相四拍励磁方式，转速为30转/分的情况下， 测量出

12、的P2.7和P2.6波形，即A，/B的激励波形。上位机控制操作和键盘控制操作可以单独发出指令，也可以交互发出指令，该系统应用 环境较广。经测试，所设计系统可以很好的达到设计要求，可以实现对步进电机的基本控制 及状态实时显示。6 结论本文设计出的步进电机控制系统，可以实现对步进电机的基本控制及运行状态的实时显 示。该系统实用性强，操作方便，经测试取得了良好效果。经过一定的技术改进后，可以应 用于包装机械的物料计量、包装膜供送、横封等过程中，精确控制执行机构的运行速度和运 行位置。利用步进电机替代传统的机械或其它方式，不仅能使包装机械结构变得简单、调节 方便、可靠性增加，而且精度会得到很大提高。D

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