基于AT89C52 单片机的两坐标步进电机控制系统设计

杨 鉴

（岳阳市污水处理监督中心，湖南 岳阳，414000）

步进电机是机电控制的一种执行机构，又叫脉冲电机，它可分为旋转式和直线式两类。其主要用途是将电脉冲信号转换为直线（角）位移的开环电磁装置[1]。当步进电机驱动器收到一个脉冲信号[2]，就能将指令脉冲转换成步进电机的不连续旋转，从而驱动电机输出轴沿着预定的方向转动相应的角度。

步进电机的转角可通过驱动器的脉冲个数来控制，其转速与脉冲频率成正比[3]，电机能够快速地起动、制动和反转，在一定频率范围内各种运行方式都能方便地任意改变，且不丢步。这样，通过控制脉冲个数和脉冲频率，就能使执行机构达到准确定位和实时调速的目的。步进电动机一般可分为分永磁式、反应式和混合式三种类型。

1 XY 两坐标步进电动机控制系统

1.1 控制方法

通常步进电动机的驱动电路是根据脉冲控制信号进行工作的[4]，而脉冲控制信号又是由单片机产生的。

（1）换相顺序：通常步进电机通电换相的过程也被称之为“脉冲分配”[5]，以步进电动机的常用三相六拍工作方式为例，如其各相通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A→AB→……，就应该按照这一通电顺序来分别准确地控制A、B、C 三相六拍方式的通断。

（2）步进电机转向确定：规定给定工作方式是正序通电方式换相，如以四相四拍方式为例，即A→B→C→D→A→B→……，那么步进电动机就应当正转运行；假如给定按反序换相通电方式，则步进电动机就相应反转。

（3）步进电机速度控制：步进电机的步进时间是离散的，步进电动机速度控制就是控制步进电机产生步进动作时间[6]。步进电机速度控制即是控制进给脉冲的频率，当调整发出的单片机脉冲频率信号，这样即可对步进电机进行调速控制[7]。

1.2 系统设计要求

常见的两坐标步进电动机控制系统，可通过CNC 装置配合组成经济型数控系统控制，也可采用点动方式运行，形成自我体系控制系统。典型的XY 两坐标步进电动机控制系统的应用框图如下图1 所示。

图1 典型XY 两坐标步进电机控制系统应用框图

通常，两坐标步进电机控制常常采用工业微机（IPC）或计算机数控装置（CNC）作为主机系统，用来接受控制指令，以及输入、存储数控程序，并对数控程序指令进行译码、逻辑分析、插补运算等操作处理，然后以步进脉冲的形式输出。

依据上述工作原理及方式选择，并结合考虑方式选择开关的“点动”功能，通过单片机为核心控制的XY 两坐标步进电机的控制系统原理图如下图2 所示。

图2 XY 两坐标步进电机控制系统原理图

当方式选择开关选择“自动”工作方式时，单片机接收到IPC 或数控装置外部发出的进给数据脉冲信号，X 轴、Y 轴进行软件环形脉冲分配后，分别输出到相应X 轴、Y 轴对应的功率放大器，去控制驱动步进电机的实时运行状态[8-9]。而当方式选择开关选择“点动”工作方式时，此时的单片机就会依据“点动”开关按钮状态，能够按照一定的周期自行分配脉冲，并输出到相应的功率放大器，去驱动控制步进电机对应的工作运行状态。

2 控制系统的硬件设计方案

XY 两坐标步进电机单片机控制系统的硬件电路实现原理图如下图3 所示。

图3 XY 两坐标步进电机单片机控制系统硬件原理图

2.1 单片机选择与配置

单片机选用AT89C52 芯片，该芯片是一个低电压、高性能CMOS 8 位单片机，内含8KB 的E2PROM，采用工业标准的C51 内核，其中P1 口作为输入，它与工作方式选择按钮以及和点动开关相联，P1 接收低8 位地址；P2 口作为输出节拍脉冲，P2 口送出高8 位地址数据，分别用以控制X轴、Y 轴的两个步进电机绕组通电和换相的顺序；P3 口为8 位双向I/O，用来接受来自数控装置外部的进给脉冲信号和方向信号，脉信号分别加到P3口的P3.2、P3.3 端子，外部中断发生在脉冲下降沿处。SB1 为单片机复位按钮，系统采用12MHz 晶振。

2.2 功率放大电路与接口

为提高信号传输可靠性和防止外部干扰，通过光电隔离接口，接受来自计算机数控装置CNC的0～15mA 电流脉冲信号。P2 口的输出经光电隔离模块OP11～OP14 和OP21～OP24 后，利用驱动型单电源功率放大电路，加到晶体管VT11～VT14和VT21～VT24 的基极，通过基极驱动电路，经晶体管功率放大后，再驱动X、Y 轴两坐标的步进电机L11～L14 和L21～L24 绕组[7]。在图3 中，VD11、VD21 为续流二极管，R113、R213 为绕组限流电阻。

3 控制系统的软件设计

3.1 I/O 端口功能及分配

根据AT89C52 单片机控制系统硬件电路原理图，可以归纳得出该单片机I/O 端口功能及分配如下表1 所示。

表1 I/O 端口功能及分配

3.2 中断系统功能设计

当中断系统功能工作于自动方式时，开启外部中断INT1、INT0，对应其每一个进给脉冲都能引起一次外部中断，并由中断服务来实现进给动作程序控制。当中断系统功能工作于点动方式时，脉冲频率为100Hz、即周期为10ms，定时/计数器0工作于方式1，相应定时10ms 中断，就能实现开关量和点动控制的25ms 延时抖动功能。

3.3 控制软件流程图

以系统控制软件的总体结构主程序、二个外部中断服务程序INT1、INT0 为例进行说明，系统控制软件流程图如图4～图6 所示：

图4 系统控制软件主程序流程图

图5 外部中断INTI 流程图

图6 外部中断INT0 流程图

4 结语

步进电机控制系统设计硬件采用一片AT89C52 单片机，其具有低电压、高性能的特点，无须外扩程序存储器，可直接驱动光电耦合器。软件设计充分利用中断处理功能，可实现并行执行多程序，充分发挥多任务、实时控制的软件功能。

本文将AT89C52 单片机用于XY 两坐标步进电动机的控制系统，从步进电机的控制方法、控制系统的总体设计要求上，分析了XY 两坐标步进电机单片机控制系统的硬件电路实现原理，结合提出了控制系统的软件设计方案，并给出了步进电动机的四相四拍AT89C52 单片机控制的具体实现方法，通过实践试验，取得了成功。