吳 震

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 江陰 214405)

步進(jìn)電機(jī)[1-2]是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，能快速起停、間歇運(yùn)動(dòng)及小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊、振動(dòng)等的影響，但與驅(qū)動(dòng)脈沖頻率有關(guān).此外，在一般情況下(不丟步的情況下)，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累.正因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)有快速起停、精確的小步距轉(zhuǎn)動(dòng)及可直接由脈沖驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛運(yùn)用.

筆者在進(jìn)行彩色放大機(jī)、電子印像機(jī)等研發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了基于AT90S8535單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制硬軟件，為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、單步轉(zhuǎn)及定步等不同的功能.其中步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)將通過(guò)AT90S8535口線實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，存儲(chǔ)步進(jìn)電機(jī)的角位移，并可快速返回.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 AVR單片機(jī)的選擇

AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(reduced instruction set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)[3-4].本次設(shè)計(jì)采用的AT90S8535單片機(jī)是AVR系列單片機(jī)中內(nèi)部接口豐富、功能齊全且性?xún)r(jià)比高的一個(gè)品種，主要特點(diǎn)為:①累加器多，有32個(gè)通用工作寄存器，均可用作累加器，克服了51系列單一累加器造成的瓶頸效應(yīng);②速度快，每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令，當(dāng)主頻為12時(shí)，大多數(shù)指令僅需約80 ns;③驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，I/O口灌電流可達(dá)40 mA，能直接驅(qū)動(dòng)LED、繼電器等器件;④設(shè)有看門(mén)狗定時(shí)器，抗干擾能力增強(qiáng);⑤開(kāi)發(fā)平臺(tái)豐富，除可使用匯編語(yǔ)言外，它還可使用C語(yǔ)言編程，易學(xué)、易寫(xiě)、易于移植.

1.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇

一般步進(jìn)電機(jī)控制必須使用專(zhuān)用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，是有一個(gè)變頻信號(hào)源—脈沖頻率從幾赫到幾十千赫可以連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列.環(huán)形分配器的主要功能是把來(lái)自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過(guò)功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸入端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng).環(huán)形分配器主要有兩大類(lèi):一類(lèi)是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱(chēng)軟環(huán)形分配器(本設(shè)計(jì)采用);另一類(lèi)是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱(chēng)為硬環(huán)形分配器.功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的.軟環(huán)形分配器可以根據(jù)系統(tǒng)需要，通過(guò)軟件編程的方法，任意設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài).這樣可簡(jiǎn)化控制電路，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和靈活性.

四相八拍步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)勵(lì)磁順序如表1所示.正轉(zhuǎn)方向的環(huán)形分配器編碼為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A，旋轉(zhuǎn)方向相反，取相反通電順序，則反轉(zhuǎn)環(huán)形分配器編碼為A→DA→D→CD→C→BC→B→AB→A(八拍).為提高工作效率，步進(jìn)電機(jī)返回時(shí)采用高轉(zhuǎn)速，環(huán)形分配器編碼可以為AB→BC→CD→DA→AB(四拍)，旋轉(zhuǎn)方向相反，取相反通電順序.

本設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)是35BYJ-46四相八拍步進(jìn)電機(jī)，工作電壓為DC12 V，減速比為1/42.5，步距角為3.75°/42.5，驅(qū)動(dòng)方式為四相八拍，牽入轉(zhuǎn)矩≥700 gfcm，自定位轉(zhuǎn)矩≥1 500 gfcm，空載牽入頻率≥450 Hz，空載牽出頻率≥550 Hz.

表1 步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁順序

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在這個(gè)硬件接口電路中有著舉足輕重的地位，在彩色放大機(jī)的設(shè)計(jì)中，它主要控制著三濾色片進(jìn)與出，從而完成最終圖片所需要達(dá)到的顏色要求.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作是經(jīng)過(guò)AT90S8535單片機(jī)的PA與PC兩個(gè)雙向I/O口編程輸出步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器編碼給驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803，由ULN2803驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而最終讓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，完成對(duì)黃、品、青三濾色片的進(jìn)與出控制，實(shí)現(xiàn)校色功能.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)零位是有黃、品、青三濾色片的進(jìn)出零限位開(kāi)關(guān)，即3個(gè)步進(jìn)電機(jī)有3個(gè)位置開(kāi)關(guān)來(lái)告訴單片機(jī)3個(gè)濾色片的零位，即濾色片全退出.圖1是其接口原理圖[5-9].

ULN2803是八路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣列，特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓要求之間的接口，ULN2803的驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流為500 mA，驅(qū)動(dòng)電壓為50 V.COM腳的作用是，當(dāng)使用ULN2803驅(qū)動(dòng)電感類(lèi)負(fù)載時(shí)，可以將COM腳接到電源正，利用ULN2803內(nèi)部的反向二極管充當(dāng)保護(hù)器件，消除電感類(lèi)負(fù)載閉合時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，來(lái)削減沖擊電壓低到二極管壓降加電源電壓的幅度—可以使得內(nèi)部的三極管受到最小的正電壓沖擊，不易擊穿器件.

2.2 軟件設(shè)計(jì)

筆者在彩色放大機(jī)的設(shè)計(jì)中，AT90S8535軟件包括串行接收、發(fā)送數(shù)據(jù)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；升降、對(duì)焦電機(jī)驅(qū)動(dòng)；保護(hù)等.軟件主流程如圖2所示.圖中校色(青、品、黃)就是對(duì)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制；通道號(hào)是對(duì)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)不同角位移的存儲(chǔ)，即不同的通道號(hào)存儲(chǔ)著3個(gè)步進(jìn)電機(jī)不同的角位移，讀出時(shí)，就把上次存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)通道號(hào)上的三濾色片旋轉(zhuǎn)的角度恢復(fù)了，清除時(shí)，就把步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的三濾色片返回到零限位點(diǎn).升降和對(duì)焦是由軟件控制繼電器通斷，改變接到直流電機(jī)的直流電源的極性，從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向.

圖1 AT90S8535單片機(jī)硬件接口原理圖

圖2 基于AT90S8535控制器的流程(負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、繼電器控制、串口部分)

3 測(cè)試結(jié)果

在彩色放大機(jī)的設(shè)計(jì)中，測(cè)試過(guò)程是通過(guò)另一上位機(jī)(MCU1)與AT90S8535串行接收、發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)完成的.上位機(jī)面板及AT90S8535單片機(jī)硬件PCB板如圖3所示.

1) 機(jī)頭升降：按“升降”鍵，再按“+”或“-”鍵，能完成電動(dòng)升降功能，并設(shè)有極限保護(hù)，防止機(jī)頭從軌道上掉下.

2) 清零:按“清零”鍵，黃、品、青三干涉膜濾色片全部退出光路，3只步進(jìn)電機(jī)都能反轉(zhuǎn)到零限位處.

3) 對(duì)焦：按“調(diào)焦”鍵，再按“+”或“-”鍵，直到清晰為止，能完成電動(dòng)調(diào)焦功能，并設(shè)有極限保護(hù).

4) 校色：用減色法校色，插入黃、品、青三干涉膜濾色片，為無(wú)級(jí)校色.按“黃”鍵，再按“+”或“-”鍵，對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)能在0～260度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)示值在0～130 cc之間.品、青校色與黃校色相類(lèi)同(黃、品、青經(jīng)反復(fù)校色，能得到標(biāo)準(zhǔn)照片).

5) 存儲(chǔ)通道：可存儲(chǔ)50個(gè)通道，按“通道”鍵，再按“+”或“-”鍵，選通道號(hào)，再按存儲(chǔ)鍵，能把三濾色片的旋轉(zhuǎn)角度存儲(chǔ)到該通道號(hào)，下次要印相同的底片(放大紙、顯影條件相同)時(shí)，選相應(yīng)的通道號(hào)，再按“讀出”鍵，能把上次存儲(chǔ)的三濾色片旋轉(zhuǎn)的角度恢復(fù).

圖3 上位機(jī)面板及AT90S8535單片機(jī)硬件PCB板

4 結(jié) 論

采用AVR單片機(jī)AT90S8535編程產(chǎn)生激勵(lì)脈沖，ULN2803驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于彩色放大機(jī)、 電子印像機(jī)等控制系統(tǒng)中，使其具有定位精度高、可快速返回和較高的智能性—角位移存儲(chǔ).實(shí)踐表明，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路配合單片機(jī)軟件編程的方法使復(fù)雜的控制過(guò)程簡(jiǎn)單化，有效地降低了成本，能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行;同時(shí)，它具有操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)通訊抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn).

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