微電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

李修權(quán)等

摘 要：微電機(jī)控制系統(tǒng)是以AT89C52單片機(jī)作為控制核心，達(dá)林頓陣列作為驅(qū)動(dòng)電路，矩陣鍵盤作為輸入，LCD顯示作為輸出，運(yùn)行C語言編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：AT89C52單片機(jī)；微電機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，國外一般稱為Stepping motor。在非超載的情況下，僅是電脈沖信號(hào)的頻率和脈沖個(gè)數(shù)決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、定位，而不受其他負(fù)載變化的影響，即電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖控制信號(hào)，就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的步距角。由于步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)[1]再加上述線性關(guān)系的存在，使得步進(jìn)電機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的控制可以采用分立元器件和專用控制器件，文章用分立器件設(shè)計(jì)一個(gè)微電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)主要由PC上位機(jī)、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤、LCD顯示等模塊組成，其中采用一種集成電路芯片AT89C52單片機(jī)作為控制器[2]，通過分立器件組成的達(dá)林頓陣列作為驅(qū)動(dòng)電路，PC機(jī)用于編寫及燒寫程序。首先，利用脈沖個(gè)數(shù)來轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的功能；其次，利用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)字邏輯部分即環(huán)行脈沖分配器，控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的功能；最后，利用脈沖頻率來控制電機(jī)運(yùn)行的速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的功能[3]。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：（1）電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（啟動(dòng)/暫停）、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度通過按鍵控制；（2）電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度通過LCD顯示，如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件原理圖由電路仿真軟件Proteus 7.5 進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，通過仿真得出該系統(tǒng)能夠完成按鍵控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度的功能，并且控制穩(wěn)定可靠。電機(jī)在工作時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)、速度以英文的形式直觀的顯示在LCD1602。其硬件原理，如圖2所示。

2.1 輸入、顯示模塊

為增強(qiáng)控制系統(tǒng)的靈活性，能夠簡便地對電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)快速的修改，通過按鍵輸入轉(zhuǎn)向、速度等相應(yīng)指令，由單片機(jī)輸出電機(jī)控制信號(hào)，用LCD顯示電機(jī)工作時(shí)的狀態(tài)和速度。為了減少I/O端口的使用，控制系統(tǒng)設(shè)置了3*2矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)電機(jī)的6種工作模式。行列式鍵盤、LCD1602顯示器與單片機(jī)的接口電路如圖3所示，采用行列反轉(zhuǎn)掃描法讀取按鍵的鍵值，LCD1602的數(shù)據(jù)口接在單片機(jī)的P0口上，同時(shí)P0口必須接上拉電阻，使能信號(hào)、數(shù)據(jù)/命令選擇端、讀寫選擇端分別接在單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2口上。LCD第一行英文顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（STATE），第二行顯示電機(jī)運(yùn)行速度（SPEED）。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在數(shù)字電路中，大多數(shù)采用TTL電平，但是TTL電平產(chǎn)生的脈沖不能夠使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，需要設(shè)計(jì)一種通過控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大的驅(qū)動(dòng)電路，通過控制電機(jī)繞組的通電順序使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊采用四個(gè)達(dá)林頓陣列組成的電路，分別與四相電機(jī)連接以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，如圖4所示。

達(dá)林頓管多用在大功率輸出電路中，由于功率增大，管子本身壓降會(huì)造成溫度上升，同時(shí)前級三極管的漏電流也會(huì)被逐級放大，從而導(dǎo)致達(dá)林頓管整體熱穩(wěn)定性差。為了改變這種狀況，在大功率達(dá)林頓管內(nèi)部均設(shè)有均衡電阻7.2k和3k，通過這種方式不僅可以大幅度增強(qiáng)管子的熱穩(wěn)定性，還能有效地提高末級三極管的耐壓。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，為保證各電路模塊正常工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需求的功能，需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行在線編程調(diào)試。使用keil C51軟件對源程序進(jìn)行編譯，生成.hex文件，然后將.hex文件下載到AT89C52單片機(jī)中，即可運(yùn)行，如圖5所示。

[參考文獻(xiàn)]

[1]董里揚(yáng).淺談步進(jìn)電機(jī)的工作原理[J].科技信息，2007（8）：74-74.

[2]何沖，王淑紅，侯勝偉，等.基于AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].電氣技術(shù)，2012（4）：5-8.

[3]王雁平.步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（18）：205-207.

[4]余炳雄，陳志玲，黎浩樑.二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].Huadian Technology，2009，1（3l）：17-20.