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1、基于单片机的步进电机限制系统及串行通信设计张保许艳玲朱红永许骥海军蚌埠士官学校摘要：设计采纳了AT89S52单片机对步进电机进行限制，主要介绍了步进电机限制潜的基本电路设计，编写了驱动程序,并实现了与PC机的连接。关健IriJ:单片机步进电机限f刖系统通信设计TheDesignofContro1SystemaboutStep*motorandSerialCommunicationosing1eChipbasedAbstract.Thedei*TMEL89552igle*controlthestep-motor.ThispapermainlyintroBnthifcdesignoficircit
2、boottepmotorconiroIIeranddrivingprogram.ThedesikdYucceeIft计TheDesignofControlSystemaboutStep-motorandSerialCommunicationbasedonSingleChipAbstract：IedeilaeaATMEU9SS2皿kchiptocontrolthetep-motor.ThiSpapermainlyintroducesthedesignof.baeiecircuitaboutstep-rootercontrollerenddrivingpropani.ThedenMiceeedti
3、nTediXi%theconnectingbetweenoftinglechipandPC.Keywords：ATMELS9S52singledhstep-motorCOrrtroisystemOOfnmUnicatiOndesign0前言步进电机是一种将电脓冲信号转换成相应的角位移或直线位移的机电控制元件.即控制执行部件.也是机电一体化的关艇部件之一,广泛应用于各种自动化控制系统与精密机械等篌域。步进电机和普通电机的区别在于脉冲枢动的形式,正是这个特点,步送电机可以和现代的数字控制技术相结合。尽管步进电机在控制的精度、速度变化的范围、低速性能等方面不如传统的闭环控制的直流伺版电动机,但在精度
4、不需要特别高的场合就可以使用步进电机,可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。因此,随若数字化技术的发展以及步进电机自身技术的槌高,步进电机将会在更多的犊域得到广泛应用。本文运用AT89S52单片机实现了对步进电机的数字控制,同时将步进电机的脉冲信号通过申口输出,被PC所接收,从血控制整个系境。1总体方案设计在本设计系统中,主要控制步进电机带动工件的转动,从而使工件转到相应的位置,同时能够使系统调速方便。设计中利用串口通信,可以实现单片机与PC机的连接。将步进电机的转速分为IO级.每控制一次,转速加一级或者减一级,转速也跟灯变化,并将基数显示出来。总体方案的结构框图如图1所示。2步进电机的
5、控制原理步进电机是纯怦的数字控制电动机。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时,就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,通过控制脉冲个数来控制角位移盘.从而达到精确定位的目的;同时,通过控制脉冲频率来控制电机的转动速度与加速度,达到调速的目的。步进电机的驱动电路依据限制信号工作。在步进电机的单片机限制中，限制信号由单片机产生。其基本限制作用如下：1)限制换相依次步进电机的通电换相依次严格按工作方式进行。通常，我们把通电、换相这一过程称为脉冲分配。例如，四相步进电机的四相八拍工作方式，其各振荡器刚好钟电路。系统中，单片机的主要作用是接收键盘设定值，显示转动速度，同时还具有中行通信功能。当单片
6、机发出脉冲信号的同时，PC机进行接收，以便对信号进行处理。单片机通过P1.O口提供限制步进电机的时序脉冲，以限制步进电机的运行。系统采纳软件来完成脉冲安排，就可依据系统应用的须要，便利敏捷地变更步进电机的限制方式。(正转)或DADCDCBCB-BAA(反转)。通电、限制脉冲必需严格这一依次分别限制A、B、c、D相的通电和断电。2)限制步进电机的转向假如按给定的工作方式正序通电、换相，步进电机就正转：按反序通电、换相，步进电机就反转。3)限制步进电机的速度由于给定步进电机一个限制脉冲，它就转一步，再发一个限制脉冲，就会再转一步，两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此脉冲的频率确定了步进
7、电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。4单片机的限制程序单片机的限制程序主要有主限制程序、键处理程序(加速程序、减速程序、点位限制程序)、显示驱动程序和串口通信监控程序。细分驱动主限制程序限制整个程序的流程，主要完成程序的初始化、中断方式的设置、计数器工作方式的设置及相关子程序的调用等。该主限制程序流程图如图3所示。部分限制程序如下：Aerate,derate,single接到P2口上，分别表示加速、减速、单圈限制，低电平有效；stage表示级数；en限制步进电机使能信号，高电平有效：CP限制步进电机转速信号。3限制器的基本限制电路限制器的主要限制电路如图2所示。wh
8、iIe(aerate=。)&(StageVIQ)/加速信号有效，级数不超过10,执行加速系统中的单口通信由专用的芯片MAX202组(delay(200)；/键盘延时eII=1；/步进电机使能成，主要用于系统与PC机的串行通信。CPU电路stage+=1；/级数加1由AT89S52作为中心处理器，并配以简洁的外围电路组成：同时选用30pF的电容和Ikfl组成系统aerate=1：/hl速信号置0while(aerate=l)&(derate=l)&(sing1e自=1)&(stage10)/没有限制则按着原动上电且位电路。11.0592MHZ晶振与2个30P速转动F的电容组成了系统的时钟基准电路
9、。由于CPU内fOr(j=0；j2；j+)部就有存贮器，所以本系统未对其进行存储扩展。限制键盘由3个独立式按键组成，一个加速、减速及time(dstage-1,thstage-1)；点位限制按键。选用的是共阳极数码管，可以显示相应的速度级数。采纳的单片机AT89S52,具有8HaSh闪速存储%2子程序，调整步进电机间隔时间，限制转速56Bytes内部RAM,32个JJi电睛卷术(叙此母声时/计数器一箍洌鬻嘴的步拣电砒M鹤极翰信我酒心罐雕U峭号IP断机构，二个正双L甲仃JllIliT!女,I呵呵日内处打一”.4步进电机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电微蝴片机控制中,控制信号由单片机产生。其基
10、本控制作用如下：I)控制换相顺序步进电机的通电换相顺序严格按工作方式进有。道亨,我们把通电、换相这一过程称为豚冲分W,四相步进电机的四相八拍工作方式,其各府通电的顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA(正转)或DA-D-CD-C-BC-B-BA-A(反转)。涵电、控制脓冲必须严格这一耿序分别控制A、B、C、D相的通电和断电。2)控制步进电机的转向如果按给定的工作方式正序通电、换相,步进电机就正转;按反序通电、换相,步进电机就反转。3)控制步进电机的速度由于给定步进电机一个控制脉冲,它就转一步，再发一个控制脓冲,就会再转一步,两个脉冲的间隔时间越短,步进电机就转得越快。因此脉冲的频率抉定了
11、步进电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率,就可以对步进电机进行调速。3控制器的基本控制电路控制器的主要控制电路如图2所示。系统中的串口通信由专用的芯片MAx202组成,主要用于系统与PC机的串行通信。CPU电路由AT89S52作为中央处理器,并配以简单的外圉电路组成,同时选用30PF的电容和Ikn组成系统自动上电复位电路。ll0592MHi晶振与2个对PF的电容组成了系统的时钟基准电路。由于CPU内部就有存贮器,所以本系统未对其进行存储扩展。控制键及由3个独立式按键组成,一个加速、减速及点位控制按键。选用的是共阳极数码管,可以显示相应的速度级数。采用的单片机AT89S52.具有8ItBytcs
12、FIMh闪速存储器,256ByUs内部RAM,32个I/O口线,3个16位定时/计数器,1个六向立两极中断机构,一个全双工串行通信接口，同时片内还有振荡器及时钟电路。系统中,单片机的主要作用是接收键盘设定值,显示转动速度.同时还具有串行通信功能。当单片机发出脉冲信号的同时,PC机进行接收,以便对信号进行处理。单片机通过PLO口提供控制步进电机的时序脉冲,以控IW步进电机的运行。系统采用软件来完成脉冲分配,就可根据系统应用的需要,方便灵活地改变步进电机的控制方式。4单片机的控制程序雌片机的控制程序主要有主控制程序、键处理程序(加速程序、减速程序、点位控制程序)、显示驱动程序和串口通信监控程序。细
13、分驱动主控制程序控网整个程序的流程,主要完成程序的初始化、中断方式的设置、计数器工作方式的设置及相关子程序的调用等,读主控制程序流程四如图3所示。部分控制程序如F：ACmte、&rate、Sinde接到P2口上,分别表示加速、减速、单圈控刎,低电平有效;SM表示级数;Cn控制步进电机使能信号,高电平有效;CP控制步进电机转速信号。while(aerate=0)&(stage10)/加速信号有效,级数不超过IO,执行加速.Ideby(200)；健盘延时enu;步进电机使能心萨+=Ij级数加I三crate=l;加速信号置0while(aerate三derate三1)&(single三WI)&(X1
14、0)没有控制则继续原速转动IMj三0jj2sj)Itime(tl8Ue-1tthstage-1)/通用定时子程序,调节步进电机间隔时间,控制转速CP=polej%2t/出步进电机控制信号上毒硝屋）技怵（W际网 4）工建值BMK.基于单片机的步避电机成制泰维及串行通蛆比RDiVERPIQPLIPI27_7311918IH.3PMPUP1.7irrDTTOEAfVPRKETRXDTXO2223SW-PB2820SW-PB(ADl)F2Q(AIMP2.1(ADJPI2(ADH)P13(ADM4(A(MPO5(ADJF0.6(AlMpo.7(AalroQ(ADl)Pai(AD1)FOJ(ADJro3(
15、AtUro4(ADu)PlS(ADMn(AIMP2.7VCCGND-=-=-=tJLH=JA352627,Is5Ihn6Ikn7Ikn8ALEZP24WIlPSENA198S52(4F博松2?Jf产)万方数据上海电彝屋Kqa)即即柳永。.4)鳍邈蟋磔氧机曲曲痴相与蔚蒯仄舰自诩出IL上炯JMHh2tj同醐Ifma-镇amn南曦鹿根一的感m定交兼支架4f,WM!hWB4tB防腐、陶机防肝I撷,无需报相t护,撷t应各的 境,推制精度高、调替功器邮鞋等优点。33缁副通过传感*拨根的应用.实施对造绩航网前 篇燧趣伽怫捶制。梅播控制秦线电被愚极附隙 ,通避魁谅翻W朦曼熨摧潮崩并燃滤控技术.实施必选绒轴同前
16、蒯蜥的前部控制,匈眦取油. 产中理想的嬉崛唇口开淡,痛危生产工愈附隔仲和 物制嬖塔,保畸棚的身网质量。住 iSJ 上*酥痔沧和m借蠢物.醐到8枷n&tmj 1. 19WiJo(I：刈？； 149.W3 1片啦生程序NUmW嫩dM 吟小/X聘用于程序桥级岐显艰曲束出来CNTcOMt(C)M谢阳子程序施控制惭刎岫联号通过串口输热生培透基于如片棚艘迎剧机翻1三统其脚遍和低、硬件电播前单、程制隽便、通行检定等陡夜,刹用串口通信;询犷J聃片桃目我眺愕蝴以在实碌咽久将申耒鬟现的趣毙硼燥。粤址南献I)单洋机横用用级簸阳邮M北京倒点航窗，:航空败贝炳牧假社!他劣.3例.故蚯便蜘幽懒煨蚪北粕楮承屏擀出融n妫.九
17、(B1刘醒建加速电眺敖典幡跆槌财承徽Mw雷尔族调Q哈雉星姐群相版IE】初F-525万方数据基于单片机的步进电机限制系统及串行通信设计作者：张保，许艳玲，朱红7k,工作者单位：S411校刊名：上海电器技术英文刊名：SHANGHAlELEeTRICAPPLIANCETECHNOLoGY年，卷(期)：2008,(4)引用次数：。次参考文献(3条)1 .何立民唯片机应用系统设计19932 .于海生微型计算机限制技术19993 .刘宝廷步进电机及其骄动限制系统1997相像文献(10条)1.期刊论文高亮8051单片机对步进电机的限制及步进电机升降速曲线的设计-测控技术2002,21(11)步进电机是一种外
18、嘛确限刎的电机.由J：其良好的性能而受钊广泛的应用,其Ri制方法也多种多样JCE丽丽派片机对步进电机的眼：M方法.并U提出和对比了几种步进电机升降速曲线的设计方案.2 .学位论文刘爱萍基于C8051F5单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计27本课知采纳比殷单片机快十多倍的C8O5IFOO5圆片机.设计了基于C8O5IF5跟IW的直线步进电机驱动限IM系统.扩大了细分度和速度的可调整范IW.在限制策略上.依据宜线步进电机力速特性和动力学方程.推导了直线步进电动机志向的升降速限制曲线.实现了指数规律的升降速限制.使系统具有Ii好的动态特性解决了点位限制中的失步和直线步进电机行程末端的机械冲
19、击何题：来纳等佩匀称细分限制技术.有效地克IK直线步进电机低频振动提高了电机在中、低速运行时的性能提高了泰统的辨别率就小了味音：采纳具有忸流斩波功能的专用驱动芯片.便真线步进电机绕组电流恒定.电机运行更加平榇.完成了C8O5IF5/片机和UC3717A结合的硬件电路设计.用汇编语齐编写在线省进电机定位、匀速来回和加收速三种运行方式限制程序.实现了对电线步进电机的启停、定位、调速及正反向运行的取制.最终在SLPMUS25A样机匕进行了测试.试验结果满意设计要求.该驱动现制系统可做为步进电机本体研发的况套设备.通过修改软件参数也可推广应用于其他步进电机的驱动限制.具有较好的应用前景3 .学位论文李
20、海波单片机对步进电机三相六拍指数规律升降速的并行限制2003该文依据步进电机的动力学方程和矩-顺特性曲线建立系统的数学帙型,采纳指数规律的升降速算法,对升降速的过程进行禹欣处理川定时器限制发出脉冲的时何问般.采纳查表和“算相结合的方法实现了步进电机的升降速过程的限制,该系统采纳单片机为槌心对步进电机进行并行限制.系统的软件设计由C51培吉编程来实现.系统由十-个模块构成,各个模块完成特定的功能.用冲片机仿女系统,对该系统的软、硬件进行了调试,该文还设计了检测系统用于对眇进电机粒速和步数的检费.址绎,该系统可以实现以下功能:在显示器的提示下,由met输入运行的分数和稳定运行的速度;由各个功能犍限
21、制系统的运行.按启动键后,步进电机依据粕入的步数进行止步;如在运行期间按停止键,则步进电机伸止运行.探讨表明,采纳指数规律的升降濡曲戏将大大地提高德机限制步进电机的域高工作频率.大大缩短所需的升降速时何.4 .期刊论文郑凄.陈鸿.裴焕斗基于SPMC75F24I3A单片机的步进电机限制方法-航空科学技术2007(5)提出了一种相a际:用E次啦片机的步进电机微步型限制方法.通过单片机Iorl蛭出的数据为丽丽丽*、信号经微步K!两相步进电机专用骤动器SLA7042M更动步进电机,实现对步进电机的微步处限制.该限制方法由JM小了步进电机的步正角,从而提高了电机的辨别率.试依衣明,该方法能够满虎系统的精
22、度要求.5 .期刊论文黄勇.廖宇.高林.HuangYOng.LiaoYu.Ga。Lin基于单片机的步进电机运动限制系统设计,电子测量技术2008,31(5)一为了改善步进电机的应用性能,提出了由PC机和单片机组成的步进电机限制系统的设计方案,包括硬件设计、软件和界面程序,具体介绍了步进电机的升降速实现IS理和方法.用MaUab7.1绘制了升降速的指数曲战.在PC机上用C+Buikter6.0开发了系统的应用软件,能够通过申门向单片机发送数据产生限制信号.实现对步进电机的附加.试验结果表明,整个系统成本低、运行平粒、军藏性好.6 .期刊论文孟期刊.李亮.MENGWU-Sheng.LlLiang基
23、于AT89C52Y片机的步进电机限制系统设计.测控技术2006.25(11)提出了一个由AT89C52用片机限制步进电机的系统实例.可以通过M盘输入步进电机相关数据.步进电机依据这些数据来进行工作JHl可依据须要.实时对步进电机工作方式进行设置.具有实时性和交互性的特点:该系统可应用于步进电机IUiW的大多数场合.实践表明.系统性使优于传统的步进电机限制7 .期刊论文闫剑虹.何泰祥.YanJianhongHeTaixiana步进电机高速启停限制的单片机实现-空间电了技术2009,6(2)文章探讨了步进电机加-减建RiiW技术.依据步进电机负强对速度响应的要求.提出了种基于电片机的步进电机高速点
24、件限制的数字化实现方法.实践证明.该方法tT效克很了步进电机加速过程中简洁出现的尖步、堵转等问趋.8 .期刊论文王庆东,刘杰辉.陈亦仁.马强.张令.WANGOing-dong.UUJie-hui.CHENYi-ren.MAOianaZHANGLing单片机在步进电机驱动限制中的应用-煤矿机械2006.27步进电机的期动电路来纳ULN203达林顿管,琳动和ER出I整片机.通过悭序黑：M步进电机的转速和转向,实现软件与硬件相结台的限制方法,使步进电机运行检定、牢靠性高,达到了对步进电机的最佳限SM.9 .期刊论文。玉明.杭柏林.FANGYu-ming.HANGBUi-Iin基于单片机的步进电机开环
25、限制系统-电机与限制应用2006.33(4)通过ATMELS9C51单片机对步进电机进行限制,主要介绍了步进电机眼制器、驱动电路和LED显示电路的设计,实现了步进电机的开环眼制,在步进电机限制器的设计中Jft点阐述了脓冲产生电路以及对速度的限制,该系统具有成本低、限制便利的特电.10 .学位论文王晓丹基于单片机的步进电机细分驱动系统的探讨2008混合式步进电机的运行品质既与电机的本体性能有美，也与嬖动器和RI制器的性健有关.在开环限制下，步进电机的运行喋声大，限制粘度低，无法满意许多场合下较高运行品质的要求，因此实现步进电机的闭环限制可以较大地改善步进电机的系统性能.课题的主要探讨目的是设计一
26、款新型的葩单片机的步进电机细分城动系统，实现对步进电机的闭环限制,本文作者在深化探讨步进电机的结构、运行机理和细分照动原理的葩础上，提出了一种范r正弦电流细分和电流追踪型脉宽调制(PWM)的细分驱动技术,实现了电机的恒转矩运行，提高了运行精度.考虑到步进电机非发性的影响，对将最小二乘法应用1拟合细分步曲角误差曲或，以达到修正系统非畿性的方法进行了探讨.在以制策略方面，通过探讨两相混合式步进电机的数学模型，构建了步进电机转速闭环限制系统的结构：速度限制器来纳模期门整定Pl限制打法.为验证其可行性，建立了驱动系统的仿人模型，对模湖门整定PI限制策略与常规Pl限制策略进行了对比仿或分析.在以上探讨的
27、基础,以满意两相混合式步进电机的动态运行特性为动身点，设计了.驱动限制器的硬件和软件，驱动限制器主要分为数字Rt制部分、GAL片逻班淙合信号处理单元、TL494怛流阳：M电路，更动功放电路、电流反愦电路、速嗖检泅电路、过流爱护电路及系统供电电源模块等,采纳单片机DS89C45O为黑：H核心，实现怛流限加、正反转运行、过流爱护以及多档位细分等功能.速度检测电路采纳增量式光电编码器作为反馈元件，反馈电机转子的实际转速信息，实现闭环限制策略，从而获得优良限制效果.该盟动限制器己完成制作并进行了联调测试，给出了测试结果井对所测波形进行了分析.试验结果表明，系统硬件和软件设计合理可行，各项技术指标均达到了设计要求，明显抱改善步进电机的运行性能，具有肯定的好用价伍.本文链接:下载时间：2010年1月4日
