基于單片機(jī)的三座標(biāo)——步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方案詳解

1、基于單片機(jī)的三座標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)容提要系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) 1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)對(duì)三維平臺(tái)上三個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步控制，實(shí)現(xiàn)的功能有：系統(tǒng)啟動(dòng)與停止控制，三軸聯(lián)動(dòng)控制，三軸的加、減速控制，三軸正、反轉(zhuǎn)控制，X軸的啟動(dòng)與停止控制，X軸與Y軸的限位控制，三軸的轉(zhuǎn)速檢測(cè)與顯示，最高1/128驅(qū)動(dòng)電流細(xì)分等功能。 三維平臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖 2. 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 2.1 主控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)選用STC89C52單片機(jī)作為主控制芯片。STC89C52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲(chǔ)器，2

2、56字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，全雙工串行口。 STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，在本設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)工作： (1)接收矩陣鍵盤輸入的控制信號(hào)； (2)輸出PWM脈沖信號(hào)和方向信號(hào)控制三軸步進(jìn)電機(jī)工作； (3)處理給定轉(zhuǎn)速信號(hào)和測(cè)速反響轉(zhuǎn)速信號(hào)； (4)在八個(gè)八段數(shù)碼管上顯示電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速； (5)接收限位反響并做邏輯判斷；主控制器原理圖 2.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)電路采用THB712步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)三位平臺(tái)上的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。THB7128是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它內(nèi)部集成了細(xì)分、電流調(diào)節(jié)、C

3、MOS功率放大等電路，配合外圍電路可實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)。1.單芯片兩相細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；2.直接采用單脈沖和方向信號(hào)譯碼控制模式；3.雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，低導(dǎo)通電阻；4.可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制；5.通過3位選擇8檔細(xì)分控制(1,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64,1/128)；6.最高耐壓40V DC；7.高輸出電流3.3A；8.有復(fù)位和使能管腳；9.芯片內(nèi)部有過熱保(TSD)和過流檢測(cè)電路。THB7128主要參數(shù)和性能指標(biāo) 驅(qū)動(dòng)電路原理圖 2.3 顯示電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)采用八個(gè)八段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)顯示轉(zhuǎn)速功能，其中高4位數(shù)碼管顯示給定轉(zhuǎn)速，通過編程實(shí)現(xiàn)X、Y、Z

4、三軸轉(zhuǎn)速循環(huán)顯示，低4位數(shù)碼管顯示測(cè)速反響的轉(zhuǎn)速，顯示方式同高4位。 STC89C52單片機(jī)內(nèi)部采用查表法對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行數(shù)值處理，通過P2.0P2.7口輸出段選信號(hào)，通過P1.0P1.2輸出3路位選信號(hào)到74HC138中，通過3-8譯碼器對(duì)八個(gè)八段數(shù)碼管進(jìn)行選擇。 顯示模塊電路原理圖2.4 鍵盤電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)中的鍵盤電路采用“4*4矩陣鍵盤，采用鍵盤掃描的方式對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行捕獲，并輸入到STC89C52單片機(jī)的P0口中。 矩陣鍵盤功能表L1L2L3L4H4系統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)停止X軸啟動(dòng)X軸停止H3X軸加速X軸減速X軸減速X軸減速H2Y軸加速Y軸減速Y軸減速Y軸減速H1Z軸加速Z軸減速Z軸減

5、速Z軸減速2.5 測(cè)速模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)采用E6B2-CWZ6C光電編碼器對(duì)三軸步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并反響到單片機(jī)中用作轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。E6B2-CWZ6C光電編碼器有以下特點(diǎn)： 1.對(duì)應(yīng)電源電壓DC 524V； 2.外徑40具備2000P/R的分辨率； 3.具備使Z相對(duì)簡(jiǎn)單化的原點(diǎn)位置顯示功能； 4.實(shí)現(xiàn)軸負(fù)重、徑向30N、推力向20N； 5.附有逆接、負(fù)荷短路保護(hù)回路，改善了可靠性。 E6B2-CWZ6C內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 E6B2-CWZ6C的輸出方式為NPN集電極開路輸出方式，共有紅、白、橙三路轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出，本設(shè)計(jì)中只采用其一路測(cè)速信號(hào)輸入到單片機(jī)的外部中斷口或T1計(jì)數(shù)器外部脈沖

6、輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)。 2.6 限位反響實(shí)現(xiàn) 限位開關(guān)工作原理是，當(dāng)三維平臺(tái)沒有接近限位開關(guān)時(shí)，限位開關(guān)輸出為高電平；當(dāng)三維平臺(tái)接近限位開關(guān)時(shí)，限位開關(guān)輸出為低電平；利用單片機(jī)I/O口去捕獲限位開關(guān)輸出電平，當(dāng)限位開關(guān)輸出為低電平時(shí)，控制電機(jī)方向信號(hào)，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)中限位開關(guān)是采用LJ8A3-1-Z型。實(shí)物如以下圖：3. 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) 3.1 單片機(jī)內(nèi)部資源分配 STC89C52單片機(jī)內(nèi)部共有三個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器資源，分別是T0、T1、T2，兩個(gè)外部中斷輸入口INT0和INT1。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的內(nèi)部資源分配如下表所示： 內(nèi)部資源工作模式功 能T016位計(jì)數(shù)器接收X軸脈沖輸入T116位定時(shí)器記50ms時(shí)間作為轉(zhuǎn)速計(jì)算的參考T