基于80S51单片机同时对X、Y轴两个步进电机进行精密控制的实现

所属栏目：机械论文
发布时间：2012-07-25 09:38:45  更新时间：2012-07-25 09:09:44

摘 要： 以单片机为核心，通过硬件和软件相结合，用自动和手动的方法控制步进电动机完成X方向和Y方向的移动控制，系统硬件包括键盘输入电路、单片机主控电路、显示电路、和驱动电路和两个步进电机。主控电路是使用89S51单片机，从P3口键盘输入，P1口输出控制步进电动机的脉冲序列，P0和P2口输出显示信号。显示电路使用共阳数码管实现从键盘设置的坐标参数的显示。驱动电路和主控制电路间使用光耦合器实现隔离。从单片机P1口输出的脉冲序列通过达林顿管TIP122的放大输出到X方向和Y方向的两个步进电机，从而实现系统在X和Y两个方向的吊装控制。

关键词：89S51;步进电机;达林顿管

Abstract：Take the monolithic integrated circuit as the core, unifies through the hardware and the software, step-by-stepped the electric motor with automatic and the manual method control to complete X direction and the Y direction movement control, the system has included the keyboard entry electric circuit, the monolithic integrated circuit master control electric circuit, the display circuit and the actuation electric circuit and two stepping motors. The master control electric circuit uses 89S51 monolithic integrated circuit, from P3 mouth keyboard entry, P1 mouth output control step-by-steps the electric motor pulse sequence, P0 and P2 mouth output demonstration signal. The display circuit use altogether positive numerical code tube realization the coordinates parameter demonstration which establishes from the keyboard. Actuates between the electric circuit and the master control electric circuit uses the optical coupler to realize the isolation. Outputs from the monolithic integrated circuit P1 mouth output pulse sequence through the Darington tube TIP122's enlargement to X direction and Y direction two step-by-steps the electrical machinery, thus realization system in X and Y two direction hoisting controls.

Key words：89S51; stepping motor;drington tube

中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)

1. 引言

随着经济的发展，步进电机在车床、机器人等精密控制领域的使用越来越广泛，而实现更准确、更智能、更安全高效的控制步进电机是当前最迫切需要。

使用单片机对步进电机进行控制，可以使控制更简单、更精确，并且扩展性更好。

2. 步进电动机工作原理

电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。 首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在第一个位置上。然后，A相断电，6相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过去，停止在第二个位置上，这时转子逆时针转了30°。再接下去B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30°，停止在第三个位置上。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30°，使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按A→B→C→A→B→C→A→…次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转30°，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A→C→B→A→C→B→…的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。

3. 系统结构设计

3.1. 系统设计要求

A. 能用单片机控制两台步进电机,实现吊装控制;

B. 能实现变速和匀速控制。

3.2. 系统组成

A、系统硬件包括键盘输入电路、单片机主控电路、显示电路、驱动放大电路以及X方向和Y方向两个步进电机。

B、主控电路的P3口从键盘接收控制信号，然后对接收到的信号判别和进行对应的运算，从P1口输出对应的脉冲序列，同时从P0和P2口输出显示信号，显示电路完成对具体坐标的显示;脉冲序列通过驱动电路的放大，输出到X和Y两个方向的步进电机。从而实现从键盘输入到系统的控制。

4. 硬件电路设计

4.1. 步进电机选择

实验步进电机使用的是混合式4相步进电机，其工作电压较低只有3.6V，单步相位 ，经过软件细分，可以做到单步相位 。

4.2. 步进电机驱动部分

由于此步进电机的电流较大1.2A，开始设计时使用了达林顿阵列芯片ULN2003A来驱动，但该芯片单路工作最大电流仅提供0.5A，工作后不久，芯片温度急剧上升，故未采用此方案，而是自己搭建达林顿阵列，选用了TIP122达林顿管,电流可达5A，已完全满足电路的设计要求。

4.3. 键盘输入部分

为了能够进行人机交互，必须有键盘输入系统，考虑到本系统并不需要太多的按键信息，故采用普通的非编码键盘.简单的按键电路,可以实现在按下的时候是高电平。

方案一:用电容消除抖动。

方案二:在单片机程序里用10MS再检测来消除抖动。

4.4. 主控电路部分

系统中的ATMEL 89S51是核心部分，所有的控制算法都由其来完成。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。

4.5. 驱动电路的选择：

由于以往很多都是使用ULN2003驱动，所以最先是使用了ULN2003芯进行驱动，但后来发现发热问题很严重，而且工作不稳定，最后实验电路选择了S8050来驱动。在最后使用大的步进电机时，选择了用光耦合的办法来消除脉冲对单片机的影响。并且选择使用达林顿管TIP122来驱动。

5. 软件结构设计

系统软件设计相对复杂，为了便于调试和系统功能的扩充，采用了子程序模块的办法来编程序，使得程序实现更容易，调试更快捷。

5.1. 步进电机控制

对于相位 的步进电机，要实现更高精度的运动，必须对其进行软件细分。本系统则采用 相位步进。

相位的驱动时序为：

A-->B-->C-->D-->A

相位的驱动时序为：

A-->AB-->B-->BC-->C-->CD-->D-->DA-->A

5.2. 程序设计

下面是用到的四相八步取值表：(未取反)

X轴电机正转表:

TAB1:DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H

X轴电机反转表:

TAB2:DB 09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H

Y轴电机正转表:

TAB3:DB 10H,30H,20H,60H,40H,0C0H,80H,90H

Y轴电机反转表:

TAB4:DB 90H,80H,0C0H,40H,60H,20H,30H,10H

(程序在附页)

6. 系统测试及误差分析

整个系统安装完毕后，在X方向长度为60厘米，Y方向长度为40厘米的测试范围里进行了测试：在自动模式下，误差控制在1厘米范围内。手动模式下误差控制在5毫米的范围内。

参考文献

[1] 白驹珩 雷晓平. 单片计算机及其应用[M].成都.电子科技大学出版社2003，(5)：163.

[2] 谢自美.电子线路设计.实验.测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2000：189.

[3] The Control Method of Stepping Motors for Biped-Robot[S],2001.

[4] 蔡春晓.单片机原理与应用[M].桂林：桂林电子科技大学教学实践部，2005.1~100

[5] Electric Direct-drive Stepping Motor for Robots[P], Tokyo, Japan,2004

[6] 老虎工作室.电路设计与制版——Protel 99入门与提高[M]，北京，人民邮电出版社出版

[7] 黄冰 覃伟年 黄知超.微机原理及应用[M].桂林.重庆大学出版社.2003.200-300