單片機控制步進電機

張秋妍

電機的定位精度、速度/加速度是位置控制中最常見的參數(shù)。其中定位精度是一個非常重要的參數(shù),它將直接影響到測量設備的測量精度、設備及人身的安全等。位置控制不好就可能給生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質量和產(chǎn)量等帶來一系列問題。因此設計一個低成本、使用方便的位置控制器是很有必要的。

位置控制是自動化控制中一個基本控制單元,設備精度的要求越來越高,器件及加工件越來越小,對位置的定位精度的要求也越來越高,原來的直流電機、交流電機也已不能滿足設備的要求,應在許多位置控制方面采用更高精度的步進電機、伺服電機去替換原先的直流電機及交流電機。雖然現(xiàn)在大部分的PLC都具有位置控制(脈沖輸出)功能,但使用起來很不方便,當要更改某些位置參數(shù)時,要么借助于個人PC或編程器去更改PLC內(nèi)存中的位置參數(shù)信息,要么增加觸摸屏去更改PLC內(nèi)存中的位置參數(shù)信息,以更改電機的位置參數(shù),這樣會增加設備使用的復雜性,同時也會增加設備的成本。為了方便使用設備、降低成本,筆者采用單片機及LCD顯示技術設計了一塊單軸運動控制板,該控制器可手動設置位置參數(shù)及按照設計的運動軌跡自動運行、具有LCD顯示、專用的電機限位接口、通用I/O、串行通訊接口,可滿足大部分設備的要求。下面談談該步進電機運動控制板。

一、主要功能

可手動設定位置參數(shù)。

有LCD顯示。

有專用及通用I/O。可擴展串行通訊,實現(xiàn)上位PC控制。

二、控制器系統(tǒng)結構框圖

AT89C52是一個低電壓,高性能CMOS 8位單片機,片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn),兼容標準MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元,功能強大的AT89C52單片機可提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。

AT89C52有40個引腳,32個外部雙向輸入∕輸出(I/O)端口,同時內(nèi)含2個外中斷口,3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口,2個讀寫口線,AT89C52可以按照常規(guī)方法編程,也可以在線編程。將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起,特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。

主要功能特性包括:與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容;8k可反復擦寫(>1000次)Flash ROM;3個16位可編程定時/計數(shù)器;時鐘頻率0-24MHz;256×8bit內(nèi)部RAM;8個外部中斷源;32個可編程I/O口,可直接驅動LED;低功耗空閑和掉電功能;可編程UARL通道;軟件設置睡眠和喚醒功能。

四、LED顯示模塊(NT-1624A)圖

此控制器采用的LCD顯示模塊為2×16的字符型顯示模塊,由單片機直接驅動。當選中該LCD模塊工作時,寫入要顯示數(shù)據(jù)的地址,再在數(shù)據(jù)總線上寫入需要顯示的數(shù)據(jù)后,即可在LCD模塊上顯示需要顯示的字符。在更新屏幕時需先清除屏幕,否則當更新的屏幕顯示的字符少于上次顯示的字符時,上次顯示的部分字符會不能清除。

五、串行通訊功能(MAX232E)

系統(tǒng)擴展一塊兩通道的串行通訊芯片MAX232E,用來與上位PC通訊,發(fā)送數(shù)據(jù)及返回狀態(tài)。

引腳功能:

數(shù)據(jù)發(fā)送(T1IN)。 用于向上位PC發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接收(R1OUT)。用于接收上位PC發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

六、I/O定義及其工作原理

1.I/O定義

本單軸運動控制器采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機控制,該單片機有32個可編程I/O接口,該單軸運動控制板應用在某公司生產(chǎn)的單軸點膠機上,這些I/O接口在單軸點膠機中作用定義如下。

(1)LCD顯示模塊接口。

P00～P07:用作LCD顯示模塊數(shù)據(jù)總線接口。

P20～P22:用作LCD顯示模塊操作接口。

(2)通用輸入接口。

P10～P13:用作按鈕輸入接口。

P10:GO_UP鍵;P11:GO_DOWN鍵;P12:SHIFT鍵;P13:ENTER鍵。

P14～P17:用作外部通用輸入接口。

P14:點膠頭下位;P15:點膠頭上位。P16、P17:備用。

(3)通用輸出接口。

P24～P27:用作外部通用輸出接口。

P27:點膠頭上、下;P15:點膠閥打開、關閉。P16、P17:備用。

(4)專用輸入輸出接口。

P32、P33:用作步進電機的限位輸入。

P33、P34:用作步進電機的脈沖及方向輸出。

2.工作原理

該單軸運動控制板應用在某公司生產(chǎn)的單軸點膠機上,具體工作原理是:當控制板上電后,系統(tǒng)初始化,LCD顯示歡迎界面:“COLIBRIWELCOME”延時1秒后,系統(tǒng)顯示:“POSITIONSET”系統(tǒng)進入點膠位置設置界面,用戶可按LCD顯示的提示位置參數(shù)的設定。在位置設置期間按SHIFT鍵可進行大小步切換;按GO_UP鍵電機正走一步(大步時步進電機走50步,小步時步進電機走5步);按GO_DOWN鍵電機反走一步(大步時步進電機走50步,小步時步進電機走5步);長按ENTER鍵保存位置參數(shù)并進入下一位置參數(shù)設定。當完成所有的位置參數(shù)后系統(tǒng)顯示:“POSITIONSETFINISH”延時1秒后,系統(tǒng)顯示:“SYSTEMGOHOME”系統(tǒng)復位,步進電機復位,所有通用輸出關閉,復位完成后,系統(tǒng)顯示待機界面: “READY PRESSSTART” 此時,長按ENTER鍵進入位置參數(shù)設置操作,可按上面的方法完成位置參數(shù)設置。當完成位置參數(shù)設置后,系統(tǒng)又回到待機界面。若短按ENTER鍵則運行客戶程序執(zhí)行點膠動作。當進入點膠程序后,系統(tǒng)顯示:“MOVE TO POS-1”步進電機移動到第一個點膠位置,電機到位后系統(tǒng)顯示:“OPEN OUT-1”點膠頭下(打開通用輸出1),等待點膠頭到下位(等待通用輸入1為ON),延時0.5S,系統(tǒng)顯示:“OPEN OUT-2”打開點膠閥(打開通用輸出2),開始點膠,延時0.5S,系統(tǒng)顯示:“CLOSE OUT-2”關閉點膠閥(關閉通用輸出2),延時0.5S,系統(tǒng)顯示:“CLOSE OUT-1”點膠頭回上位(關閉輸出1),等待點膠頭到上位(等待通用輸入2為ON),完成一個位置的點膠。以后位置的點膠同第一個位置的點膠,即移動到下一個位置,點膠頭下,等待點膠頭到下位,延時0.5S,打開點膠閥,延時0.5S,關閉點膠閥,延時0.5S,點膠頭上,等待點膠頭回上位。當所有位置都點完后,步進電機回復位,完成一次點膠循環(huán),系統(tǒng)回到待機界面。

該單軸運動控制板的設計,解決了某公司在一些設備對位置要求比較精確的場所,采用PLC控制操作不方便且成本高的問題,現(xiàn)已應用在該公司一些生產(chǎn)設備上,如簡易的單軸點膠機,模具控制器,IC測量機等設備上,降低了成本,提高了某公司產(chǎn)品的競爭力。但同時也存在著不足的一面,例如,只能控制單個步進電機;通用I/O較少,限制了控制器的功能等。不過,筆者相信通過自己的努力,這幾方面的問題一定能夠得到解決,同時也使自己在自動控制方面有進一步的提高。