本站原创【摘 要】本文采用以STC89C52单片机为核心,进行了步进电机控制系统的软硬设计,实现了步进电机的起停、正反转、调速等控制,并实现了电机转速的实时显示.经实验验证,该系统具有软硬件设计合理、运行稳定可靠、抗干扰能力强及实时显示性好等特点.
【关 键 词】步进电机；STC89C52；调速
1.引言
随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都具有广泛的应用.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.应用单片机实现步进电机控制系统的设计,具有成本低、使用灵活的特点,广泛应用于数控机床、机器人、工业自动控制以及各种可控有定位要求的机械工具等应用领域.
本文介绍的步进电机控制系统,采用以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化的硬件电路和软件设计方法.该步进电机硬件控制电路分为电源模块、按键控制模块、步进电机及驱动模块、测速模块及显示模块等部分组成.整个系统软件设计采用模块化设计方法,由主程序、预置子程序、正转子程序、反转子程序、加减速和显示子程序等模块组成.通过向步进电机驱动电路发送控制信号,实现对步进电机的起停、正反转、调速等控制,并实时显示电机转速.经反复实验证明,本套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时显示性能良好.
2.系统总体设计方案
根据步进电机控制系统设计要求,整个控制系统电路可以分为电源模块、按键控制模块、步进电机驱动模块、步进电机模块、测速模块、显示模块等部分.步进电机控制系统方框图如图1所示.
本设计中选用的单片机是STC89C52RC,包括单片机的下载电路及单片机的一些电路.在步进电机的选择上,考虑到三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩,所以选择了57H7652A3三相混合式步进电机.驱动电路由六个反相器,六个光电耦合器,六个场效应管及一些处理部分电路构成.测速部分采用对射式光电传感器H92B4和扇形挡板配合实现.显示部分采用1602液晶显示器.
3.系统硬件电路设计
根据系统功能需求分析,绘制出系统原理图如图2所示.
3.1单片机控制电路
单片机工作的控制电路主要包括晶振电路和STC单片机下载电路等,其对应电路如图2中所示.
3.2按钮控制电路
本步进电机控制系统中控制按钮包括启停按钮,正转按钮,反转按钮,加速按钮及减速按钮等.
3.3驱动电路
因为步进电机工作时的驱动电流比单片机端口所能提供的要大得多,单片机要控制电机的运动就不能直接将端口与电机各相相连,必须使用一定的接口电路和驱动电路.驱动电路主要由一个六非门芯片74LS04,六个光电耦合芯片4N25,六个场效应管IRFP450组成的三相桥驱动电路,可调电源模块,散热装置等组成.结构图如图3所示.
1）反相器部分
在本设计中使用的单片机芯片STC89C52,在上电时所有的管脚都是高电平,这样容易产生误动作,因此在本设计中加上了非门电路,以避免首次上电时产生的不良反应.因为需要六个脉冲输出,因此在本设计中选用74LS04芯片.
2）驱动桥电路
本设计中使用的步进单机是三相混合式步进电机,内不是三角形连接,额定的电流为5.2A.额定转速是50r/min.所以普通的三极管承受不了这么大的功率只能选用场效应管器件.用场效应管搭成三相桥式驱动电路实现对步进电机的驱动,搭建的三相桥式驱动电路的结构图如图4所示.
根据步进电机及电源考虑,本设计中选用的场效应管是MOETIRFP450.MOETIRFP450内部已经封装了一个快恢复二极管,所以在设计电路时可以不用在选择快恢复二极管.
3）光电耦合部分
前面提到本系统选用的是大功率的场效应管,因此,要考虑到实际使用中的干扰和电压安全,所以要在单片机与驱动器之间使用必要的光电隔离器.在本设计中选用的是芯片4N25,该器件具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰性强等特点,因而是开关电路、逻辑电路、长线传输、模/数变换、微控制器的隔离电路、高压控制、过流保护、电平匹配、线性放大等领域中的首选芯片.
4）驱动电路可调电源模块
本设计中的三相桥驱动电路,是由六个场效应管组成,输出电流主要是靠G极的电压控制,所以一个可变的稳压电流源在本设计中是非常必要的,用以改变场效应管G极的电压,进而改变驱动电流的大小.在本设计中选用了LM2596开关电压调节器.
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路,能够输出3A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性.固定输出版本有3.3V、5V、12V,可调版本可以输出小于37V的各种电压.该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150KHz,与低频开关调节器相比较,可以使用更小规格的滤波元件.由于该器件只需4个外接元件,可以使用通用的标准电感,这更优化了LM2596的使用,极大地简化了开关电源电路的设计.该驱动电路中可调电源模块的电路原理图如图5所示.
输出电压的计算可由下式给出：
为了确保输出稳定,选用标称阻值为1kΩ,精度为1%的电阻,―470μF/50V,―220μF/35V,―5A/40V,―68μH,―参照有关的应用信息.
3.4测速模块
设计中采用对射式光电传感器H92B4为电机的测速元件.红外线光电传感器是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射,由同步回路选通而检测物体的有无,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均可检测.
本系统中通过光电传感器实现测速的具体方法为：在电机的轴上连接一个60度的扇形挡片,电机转动的时候,当有挡片挡住时,P0.6口为高电平,通过定时中断方式进行累加,直到P0.6口变为低电平即挡板转过,当挡板离开时,P0.6为低电平,将累加变量清零.这样得到的时间间隔即是电机转动1/6周的时间,通过换算得到一分钟转的圈数,从而计算出当前的转速.如此循环进行,则可实时的显示电机的当前转速.3.5显示模块
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用.本设计中使用的是2行16字的1602液晶模块.
3.6系统实物图
根据系统原理图,所搭建的系统硬件实物图如图6所示.
4.系统软件设计
本设计中步进电机控制系统的控制要求是利用单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号来实现对步进电机的起停、正反转、调速等控制,并实时显示电机转速.当系统电源接通时,显示器显示初始字符；启动按钮按下后,显示相应信息,此时转速为0；当按下正转按钮时,电机开始正转,同时检测反转按钮是否未按下,如果按下,则电机停止转动,检测是否有加速或者减速的需求,如果有就执行加速或者减速,并有相应的显示；当反转按钮按下时,工作过程与正转按钮按下时类似.根据系统控制要求绘制出系统主程序流程图如图7所示.正转加减速流程图,反转加减速流程图及定时器的中断流程图如图8,图9和图10所示.
5.结束语
本设计中利用STC89C52单片机设计的步进电机控制系统,具有设计简单、成本低、精度高、微型化等特点.经过多次反复软硬件联调测试可见：本设计完成了步进电机的起停、正反转、调速等控制功能,并实现了电机转速的实时稳定显示等,且系统运行稳定可靠,达到了系统的控制要求,具有一定的实际应用价值.
91;M].科学出版社,2010.[5]冯晓,刘仲恕.电机与电器控制[M].机械出版社,2005.
[6]秦曾煌.电工学[M].北京：高等教育出版社,1999.
[7]刘保延等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1997.
[8]恒清,张靖.加强单片机系统抗干扰能力的方法[M].通化师范学院学报,2004,10.
[9]徐波.C语言教程.机械工业出版社[M].2011（06）.
[10]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社,2011（03）.
[11]吴红星.电动机驱动与控制专用集成电路[M].中国电力出版社,2009（09）.
[12]王成华,王友仁,胡志忠.现代电子技术基础[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005.
作者简介：
傅忠云（1980―）,女,安徽霍邱人,硕士,讲师,现供职于南京航空航天大学金城学院自动化系,主要从事PLC、单片机及嵌入式系统等方面的应用研究和教学工作.
王震（1989―）,男,江苏盐城人,现供职于常熟医药化工设备有限公司.