基于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭彩萍

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系,山西太原030008）

基于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭彩萍

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系,山西太原030008）

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制國(guó)旗的升降，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)作為核心處理器，采用28BYJ-48永磁式步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用ULN2003大電流高壓驅(qū)動(dòng)芯片，采用LCD1602顯示旗幟高度。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。

STM32單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；ULN2003

目前許多場(chǎng)合的升旗方式，還停留在人工升旗的階段，這樣既對(duì)旗手有較高的要求，也不利于升旗過(guò)程的協(xié)調(diào)，喪失了升旗的莊重與嚴(yán)肅[1]。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了基于智能自動(dòng)控制技術(shù)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，可以運(yùn)用于各種場(chǎng)合的升降旗儀式，應(yīng)用前景廣泛。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)主要由單片機(jī)核心控制模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊等電路組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 STM32核心系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用具有高性能、低成本、低功耗，有嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32系列單片機(jī)[2]。STM32F103VT6片內(nèi)集成從32K字節(jié)至128K字節(jié)的閃存和從6K字節(jié)至20 K字節(jié)的SRAM，7通道DMA，外設(shè)支持定時(shí)器、2個(gè)I2C、3個(gè)USART、2個(gè)SPI、CAN接口和USB2.0全速接口。STM32F103VT6采用LQFP100封裝，包含80個(gè)快速I(mǎi)∕O口，并且所有I∕O口可以映像到16個(gè)外部中斷。

1.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椋航俏灰?，線位移[3]。圖2是四相步進(jìn)電機(jī)的原理圖，它由外圍的定子、中間的轉(zhuǎn)子和定子繞組組成。如圖所示，開(kāi)始時(shí)B相磁極與0、3號(hào)轉(zhuǎn)齒對(duì)齊，其它的磁極與其它轉(zhuǎn)齒則是錯(cuò)開(kāi)的。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，電位加到C相磁極。此時(shí)1、4號(hào)轉(zhuǎn)齒與C相磁極對(duì)齊，而其它的磁極與轉(zhuǎn)齒全都錯(cuò)開(kāi)。以此類推，脈沖依次循環(huán)加到相應(yīng)的磁極上，便可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和步進(jìn)電機(jī)停止的位置通過(guò)改變脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖2 步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖

本次設(shè)計(jì)我們選用五線四相的永磁式減速步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48。28BYJ-48減速步進(jìn)電機(jī)步距角為5.624∕64，減速比為1:64，所以該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要4096個(gè)脈沖信號(hào)。完成磁場(chǎng)周期性變化所需的脈沖個(gè)數(shù)稱為步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)[4]，而完成磁場(chǎng)周期性的過(guò)程也稱為勵(lì)磁，步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁包括全部勵(lì)磁和半步勵(lì)磁，半步勵(lì)磁又可分為1相勵(lì)磁和2相勵(lì)磁。根據(jù)這幾種勵(lì)磁方式的組合，N相步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)N相單N拍、N相雙N拍和N相N拍的工作方式。表1列出了四相步進(jìn)電機(jī)在不同通電狀態(tài)下的運(yùn)行方式，表2則展示了28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)采用4-1-2勵(lì)磁方式，完成逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈沖順序。

表1 步進(jìn)電機(jī)工作方式

表2 4-1-2驅(qū)動(dòng)方式

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用ULN2003A大電流高壓驅(qū)動(dòng)芯片，ULN2003A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作電壓高、工作電流大、可以較為精確的控制電機(jī)轉(zhuǎn)向、步距和速度。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制步進(jìn)電機(jī)的程序設(shè)計(jì)方案

根據(jù)輸入步進(jìn)電機(jī)脈沖順序的不同可以改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的原理，28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)采用8拍方式運(yùn)行實(shí)現(xiàn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖電平表見(jiàn)表3和表4。

表3 28BYJ-48順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)表

表4 28BYJ-48逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)表

在設(shè)計(jì)控制步進(jìn)電機(jī)方向的程序時(shí)，需按表3和表4分配脈沖。

控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以通過(guò)單片機(jī)輸出脈沖的頻率改變實(shí)現(xiàn)[5]。在本設(shè)計(jì)中輸出脈沖頻率大小由延時(shí)函數(shù)控制。當(dāng)我們減小延時(shí)，說(shuō)明加大了脈沖頻率，所以提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速。反之，則減小了電機(jī)速度。但在這里還要注意28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率大于等于550 PPS，即脈沖間隔應(yīng)小于1.8 ms。

根據(jù)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)，它的步距角為5.624∕64，所以它轉(zhuǎn)一圈需要4096個(gè)脈沖信號(hào)?？刂戚敵雒}沖數(shù)目，可以精確的定位步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。另外根據(jù)已知的步距角和脈沖頻率，根據(jù)公式（1）計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速、公式（2）計(jì)算角速度和公式（3）計(jì)算出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的線速度，從而計(jì)算出升降旗過(guò)程中旗幟的高度。

式中，f表示脈沖頻率；θ表示步距角；n表示轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)∕分鐘；ω表示角速度；v表示線速度；r表示步進(jìn)電機(jī)滑輪的半徑。

2.2 系統(tǒng)程序流程圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：按鍵控制、升旗、降旗、降半旗和顯示旗幟高度。

STM32單片機(jī)掃描鍵盤(pán)并接收鍵值信息，單片機(jī)運(yùn)算單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并判斷要輸出脈沖的頻率、方向和個(gè)數(shù)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元接收單片機(jī)輸出的脈沖并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以達(dá)到升降旗的目的。同時(shí)，根據(jù)旗幟高度的計(jì)算結(jié)果，LCD1602實(shí)時(shí)顯示此時(shí)旗幟的位置高度。

圖4描述了基于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)控制升降旗系統(tǒng)主要的程序設(shè)計(jì)流程。

3 結(jié)論

完成系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)后，驗(yàn)證了升降旗系統(tǒng)是否可以按要求實(shí)現(xiàn)功能。首先，進(jìn)行理論驗(yàn)證，通過(guò)計(jì)算得出升旗時(shí)間的理論值（大約43～46 s）、升旗和降旗速度理論值、旗幟在特定時(shí)刻的高度理論值等。其次，啟動(dòng)系統(tǒng)，分別對(duì)升旗、降旗和降半旗進(jìn)行測(cè)試，記錄不同時(shí)刻有關(guān)速度、高度等參數(shù)。最后，將理論值與測(cè)試值進(jìn)行比較，符合功能及精度的要求。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

[1]盧洪武,劉偉.國(guó)旗自動(dòng)控制升降系統(tǒng)的研制[J].電子技術(shù),2007,34(1):17-21.

[2]王曉麗,姜川,于躍.基于STM32的校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2015,32（01）:76-79.

[3]湯冬云,張毅.嵌入式Linux下步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012（6）:167-170.

[4]黃露.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

[5]劉玉賓,胡健.步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路[J].科技資訊,2007(21):16-17.

Design of Automatic Control Flag Hoist System Based on Stepper Motor

GUO Cai-ping
（Department of Electronic Engineering,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi,030008）

In order to achieve automatic control flag hoist,this paper designs the automatic control movements flag system based on microcontroller and the stepper motor.Design uses STM32 microcontroller as the core processor,use 28BYJ-48 permanent magnet stepper motors for power,motor drive using ULN2003 high-current high-voltage driver,using LCD1602 display banner height.After testing,the system is simple with high reliability.

STM32 microcontroller;stepper motor;ULN2003

TP391

A

1674-0874(2015)05-0031-03

2015-08-09

2014年山西省高等學(xué)校特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目[080701]

郭彩萍（1981-），女，山西文水人，碩士，講師，研究方向:信號(hào)與信息處理。

〔責(zé)任編輯 高彩云〕