嵌入式步进电机控制系统

步进电机控制系统步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。此设计主要控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。一、硬件设计（一）、控制方式分析和原理图设计由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用信号发生装置来对它进行控制，而实现这一任务的主要器件就是单片机，此设计主要是解决步进电机的启停、换向、转速控制三方面：1、步进电机的换向控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍，艮口A—AB—B—BC—C—CA—A。如果按反序通电换相，即A—AC—C—CB—B—BA—A，则电机就反转。其他方式情况类似。2、步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。3、步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。4、从所要实现的目标来看，就不难设计它的硬件连接部分，其具体硬件设计原理图如下图所示:图1总体设计方框图（二）、电路的设计本设计的硬件电路包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大部分。最小系统主要是为了使单片机正常工作。控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。1、控制电路根据系统的控制要求，控制输入部分设置了启动控制，换向控制，加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3。通过K1、K2状态变化来实现电机的启动和换向功能。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P1.0和P1.1的状态来调用相应的启动和换向程序，发现系统的电机的启动和正反转控制。2、最小系统单片机最小应用系统，主要是用最少的元件组成单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。在此设计中为了操作方便，我采用了手动复位方式。如下图所示：3、驱动电路通过ULN2803构成比较多的驱动电路，通过单片机的P1.0〜P1.3输出脉冲到ULN2803的1B〜4B口，经信号放大后从1C〜4C口分别输出到电机的A、B、C、D相。

4、显示电路在该步进电机的控制器中，电机可以正反转，可以加速、减速，其中电机转速的等级分为七级，为了方便知道电机的运行状态和电机的转速的等级，这里设计了电机转速和电机的工作状态的显示电路。在显示电路中，主要是利用了单片机的P0口和P2口。采用两个共阳数码管作显示。第一个数码管接的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P0.0〜P0.7口，用于显示电机正反转状态，正转时显示“1”，反转时显示“一”，不转时显示“0”。第二个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接P2.0〜P2.7口，用于显示电机的转速级别，共七级，即从1~7转速依次递增，“0”表示转速为零。5、主电路图把各部分组合在一起构成主电路:图2主电路U2XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10图2主电路U2XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T4P1.6P3.6/WRP1.7AT89C51P3.7/RDU1~COM1B1C2B2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C1、主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。主程序流程图如图3所示：图3主程序流程图2、定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。3、外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据(该数据为定时器的中断次数)，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为原数据，当值等于7时，不改变原数值返回，小于7时，数据加1后返回；速度减少按钮S3,当原数据不为0，减1保存数据，原数据为0则保持不变。4、具体程序(C语言)设计如下：C语言程序如下：#include<reg51.h>#defineuintunsignedintsbitk1=P3人4;//启动开关sbitk2=P3人5;//换向开关sbits2=P3人2;〃加速按钮sbits3=P3人3;〃减速按钮voidisr_int0(void);//外部中断0中断服务函数声明voidisr_int1(void);voidzd_t0ist(void);uintspeed,count,r1,i,t,k;main(){k=0;t=0;r1=0x11;speed=0;count=1;TMOD=0x01;ET0=1;EA=1;EX0=1;EX1=1;TH0=0xcf;TL0=0x2c;for(;;){if(k1==0){P0=0xff;P2=0xff;speed=0;TR0=0;}else{if(k2==0)P0=0xbf;elseP0=0xf9;if(speed==0){P2=0xc0;TR0=0;}elseTR0=1;}}}voidisr_int0(void)interrupt0{if(speed<7)speed=speed+1;while(s2==0){for(i=0;i<10;i++);}}voidisr_int1(void)interrupt2{if(speed>0)speed=speed-1;while(s3==0){for(i=0;i<10;i++);}}voidzd_t0ist(void)interrupt1{TH0=0xd8;TL0=0xf0;switch(speed){case0:P2=0xc0;count=0;break;case1:P2=0xf9;count=60;break;case2:P2=0xa4;count=40;break;case3:P2=0xb0;count=35;break;case4:P2=0x99;count=30;break;case5:P2=0x92;count=28;break;case6:P2=0x82;count=25;break;case7:P2=0xf8;count=21;break;default:break;}if(t==0)t=count;if(t>0)t=t-1;if(k2==0){if(t==0){switch(k){case0:P1=0x01;break;case1:P1=0x02;break;case2:P1=0x04;break;case3:P1=