基于单片机的步进电机控制装置应用研制概要.docx

1、基于单片机的步进电机控制装置应用研制概要技术创新中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与SOC 2008年第24卷第12-2期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例单片机开发与应用基于单片机的步进电机控制装置应用研制Application Developing of Stepping Motor Control Equipment Based on Single Chip Micro-Controller(长沙理工大学李光富易理刚LI Guang-fu YI Li-gang摘要:介绍了一种单片机实现的用于装量生产线上的蠕动泵装置。它可实现装量生产线的手动或自动的单次、多次及混合

2、分装,其分装的精度可达到1ml 。关键词:单片机;步进电机;蠕动泵;分装中图分类号:TV698121TP274文献标识码:A Abstract:ntroduced a sort of creep-pump equipment used to load-product line which adopting Single Chip Micro-controller realiza -tion,It may realize load-product line s handiwork,automation single time,mult times or mix cent-load,its pre

3、cision may reach 1ml.Key words:Single Chip Micro-controller;Stepping motor;C reep-pump;Cent-load 文章编号:1008-0570(200812-2-0116-03现代药厂制药生产上的装配,如针剂、瓶装药液等,大多采用单片机或其它智能装置,实现自动分装。其中,单片机实现的分装,大多是根据公式,将分装量转换为脉冲数,由单片机按照控制程序,控制步进电机带动蠕动泵实现的。但是,由于电机的起动是一个变加速的非线性曲线,如果采用简单的线性常系数法,则很难真实再现电机的启动过程,由此方法计算得来的脉冲数,也是不够精

4、确的,存在较大的计量误差。本文采用指数对数法,实现启动过程非线性拟合,由此得来的脉冲频率或脉冲数,较之线性常数法,更加符合电机的启动特性,可获得较高的计量精度。1概述本文步进电机控制的蠕动泵装置基于单片机AT89S58,可工作于自动或手动方式。在自动方式下工作时,分为单次、多次及混合三种分装形式。多次分装时,则在设置分装量、转速、回吸量、主控方式的同时,设置分装次数和暂停时间。单片机根据分装量、回吸量、分装次数、暂停时间及转速等的设定值控制步进电机的工作状态,其控制输出的时标曲线,如图1所示。分装次数、分装量等参数的设定可由用户按不同的要求从键盘输入,并存放在EEPROM 中。手动方式下工作时

5、,单片机仅起监测作用。控制操作均在步进电机上进行,分装量由控制步进电机的手动给定提供。图1单片机控制输出的时标曲线2硬件设计为了简化电路,提高装置的可靠性,本系统的硬件以AT89S58单片机为核心,外围扩展电路包括控制开关量输入输出、EEPROM 存储、lcd 显示及键盘电路、485通信接口电路。图2装置硬件结构框图如图2所示,电机“控制输入”的开关量主要有操作面板上的电机起、停信号。“控制输出”电路主要有控制电机起、停的开关信号,控制电机运转方向(正转或反转信号以及脉宽调制输出信号。EEPROM 电路由CAT24C021串口i2c 总线电路组成,主要存储由键盘设置的密码、时间和在菜单结构下设

6、置的运行参数。键盘电路由4*5矩阵行列式电路组成,包括0-9十个数字键,小数点键,左(下、右(上光标移动键,控制电机起、停键,手动正、反转键,另外还有编程键、确认键和取消键。其中,数字键、小数点键、光标移动键、编程键、确认键和取消键,主要用于菜单操作。装置的显示部分采用SMG12232A LCM 字符型液晶显示模块。通讯电路采用RS485通讯接口,主要用在具有主、从机并列运行的场合,在单台装置运行模式下,该接口一般不用。3软件部分的设计3.1设计原理利用设定的分装量及标定(实际装量与脉冲数的换算关系,将分装量转换为脉冲数。利用单片机的定时器,进行脉宽调制,实现步进电机的变频调速,并带动蠕动泵工

7、作。利用单片机发送计算所得数量的脉冲来实现分装的精确装量。分装量与脉冲数的换算关系,如下:李光富:硕士 116-邮局订阅号:82-946360元/年技术创新 单片机开发与应用PLC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注正转脉冲数=有效脉冲数+回吸反转脉冲数;未定标操作过的有效脉冲数=分装量*系数1(系数1,可由查表得来;定标操作过的有效脉冲数=分装量*系数2;系数2=上次运行脉冲数/实际装量;回吸反转脉冲数=回吸量*系数2。3.2主程序框图图3主程序框图主程序框图,如图3所示。装置采用结构化程序设计方法,即主程序由若干个子程序模块组成,各个模块的功能相对独立,从而给程序的编写和功能的扩充带

8、来了方便。主程序由以下几个部分组成,分别是初始化模块、键盘端口扫描模块、数据预处理模块、电机控制模块、显示模块。其中,初始化模块主要是设置堆栈,开放定时器t0、定时器t2及串口中断,将存放在程序表格中的一些系统初始参数写入E2PROM.。3.3子程序模块设计扫描键盘和端口子程序,主要是扫描键盘及端口是否有键按下,如果有键按下,则执行相应的键盘分析处理程序;无键按下,则显示运行界面。在该子程序的开始,分别调用了WriteTIME 和Load 两个子程序模块。其中,WriteTIME 子程序,主要是将设定时间写入E2PROM ,或利用定时器T0的计时,每运行30分钟,即从设定时间中减去30,并改写

9、上次写入E2PROM 时间单元的内容。Load 为电机控制子程序,其作用是根据分装形式和输送方向和脉宽调制的状态(PWMSate ,分别调用电机停止,电机正向加速,电机正向减速,电机反向加速,电机反向减速,电机暂停等子程序。在电机执行启动阶段(正向加速达到设定转速后,电机转入匀速运行阶段;当匀速运行阶段的脉冲数减为0时,电机转入正向减速运行阶段;完成后,延时100ms ,电机转入反向加速运行阶段,达到设定转速后,电机转入短暂的匀速运行阶段,或直接进入反向减速阶段,完成后,如果装载模式为单次分装,则电机停止运行;如果所设置的装载方式为多次分装,则电机暂停一段时间后,将重复上述过程,直到设定的分装

10、次数分装完,电机停止运行;如果装载模式为混合,则先正转分装量,完成后停顿100ms 再反转分装量,完成后停顿100ms 再正转分装量,如此反复直到停止信号到来并完成一次反转分装量后才停止。单次分装和多次分装的控制启动曲线及波形分别如图4、图5所示。图4单次分装 图5多次分装由于对步进电机的控制具有启动、加速、匀速、减速及停止的运行过程,而且由于电机起动过程是一个变加速的非线性曲线,如果简单的采用线性常系数方法,则很难真实再现电机的启动过程;用此方法计算得来的脉冲频率来拟合电机的启动曲线,则是不够精确的,存在较大的拟合误差。为了实现电机启动过程的非线性加速,真实地再现电机启动过程的特性曲线,本文

11、采用指数对数法,实现启动过程曲线拟合,并根据不同启动的要求,将整个启动过程分为0-9档,对应不同的档位,有不同的启动速度。档位切换由变速斜率K 确定,K 值可由键盘菜单设定;而对于减速阶段,则采用线性下降法,并规定一个统一的下降时限:25ms 。另外,采用了二个定时器:定时器T0和定时器T2。其中,在启动变加速阶段,T0用于启动档位定时限速,T2用于装载变化的脉宽调制频率;在匀减速阶段,T0用于装载经过计算所得时限值,以限制下降速度;T2用于装载以设定频率的溢出时间值为基准,每次减一个固定值(公差的变化量。这可满足各种不同的应用需要,由此得来的脉冲频率,较之线性常数法,更加符合电机的启动特性,

12、可获得较高的装量精度。本文启动曲线方程如下:f=f max (1-e T1/T2(1其中,f max 为常数。T 1为运行时间,T 2为斜率档位时间。T1,T2数据表如下:T10档100ms 1档200ms 2档400ms 3档600ms 4档800ms5档1000ms 6档1200ms 7档1400ms 8档1700ms 9档2000msT20档34ms 1档66.7ms 2档133ms 3档117-技术创新中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与SOC 2008年第24卷第12-2期360元/年邮局订阅号:82-946现场总线技术应用200例单片机开发与应用200ms4档267ms 5档333.

13、3ms 6档400ms 7档466.7ms 8档567ms 9档666.7ms根据式(1,可将启动曲线以表格形式存放在程序中,当电机启动时,供定时器t2装载。电机转速转换为输出频率的换算公式为:输出频率=系数3*电机转速/60(2根据式(2,可求得设定转速下对应频率的时间初值。这里,系数3为常量,电机转速由键盘设定。本文StartPWM 和StopPWM 子程序,为单片机对步进电机实施控制的数据预处理模块。其中,StartPWM 子程序的作用是根据PWMState 的状态(其状态为0时,获取计算脉冲数所需系数:系数1(由查表求得或系数2(由公式计算得出,并计算出正转脉冲数和反转脉冲数,根据系数

14、3(常量、转速(由键盘设置、系数2计算出流量,根据公式(2,计算出设定转速下对应输出频率的时间常数。同时,置1电机启停开关信号,开启电机。StopPWM 子程序的作用是赋值PWMStae 为1,清0电机启停开关信号,关闭电机。本文显示模块显示主要内容是:首页界面、主运行界面和操作界面。主运行界面主要显示:分装量、转速、流量、回吸量的中文显示及设置值或实际运行值显示。操作界面为中文菜单形式,界面清晰明了,使用非常方便、简单。菜单设置的主要参数有:分装量,回吸量,转速,实际装量(标定,变速斜率,分装形式(单次、多次、混合,分装次数(1-10000次,暂停时间(060s,主控形式(键盘或端口,以及系

15、统配置(泵头、胶管型号,输送方向(正向或反向。485通讯模块,采用串口中断方式,主要用在多机运行情况下,主从机通讯的场合,由主机发送通讯请求或电机控制命令,从机应答并响应控制命令。4结语装置充分利用了51系统单片机软、硬件资源,采用指数对数法,实现启动过程曲线拟合,较之线性常系数化,具有更高的可靠性和装量精度;通过485总线接口,利用工业控制机,可构成智能化的分布式测控网络,实现某一范围内分装线的集中式测控管理。通过某药厂制药车间8条分装线对应每条安装一台装置实施自动分装,及使用一年多的情况看来,该装置实际使用效果良好,从未出现过故障,其装量的精度达到1ml ,深受用户欢迎。而且,项目经济效益

16、明显,据不完全统计,其直接经济效益达300万元。本文作者创新点:采用指数对数法,实现启动过程曲线拟合,较之线性常系数化,具有更高的装量精度。参考文献1陆坤等,电子设计技术M.成都:电子科技大学出版社,2004.72王晓明,电动机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社.2005.53张振荣等,MCS -51单片机原理及应用技术M.北京人民邮电出版社.2006.34刘爱元等,基于51单片机的飞机调压控制保护装置自检测系统设计,微计算机信息,2001,17-1:92-935张颖超,施亮,吴士芬等,单片机与LCD 的串行接口设计与实现,微计算机信息,2007,10-2:79-80作者简介:李光富(19

17、66-,男(汉族,湖南长沙人,长沙理工大学讲师,硕士,主要从事自动控制方面的研究与开发;易理刚(1970-,男(汉族,湖南长沙人,硕士,主要从事自动控制及相关实用软件的研究与开发。Biography:LI Guang-fu(1970-,Man(the Han nationality,HuNan -ChangShang,master,mostly engage research and exploitation of au -tocontrol and correlation practicality software.(410007长沙长沙理工大学李光富易理刚(Changsha Univers

18、ity of Science &Technology,Changsha 410007LI Guang-fu YI Li-gang通讯地址:(410007湖南省长沙市劳动中路37号海华嘉园1504李光富(收稿日期:2008.11.15(修稿日期:2008.12.03(上接第45页4范子荣,张友鹏.基于Matlab 的自适应模糊PID 控制器的设计J.电气传动自动化,2006,(03.作者简介:周三牛(1961-,男,讲师,研究方向:医学仪器仪表。李培培(1982-,女,硕士研究生,研究方向:嵌入式系统、智能化仪器与仪表。彭宣戈(1950-,男,教授,硕士生导师,研究方向:嵌入式系统、智能化仪器与

19、仪表。Biogaphy:ZHOU Shan-niu (1961-,Male,Lecturer,Main Study:Medicine instrument measuring appliance.(343009江西吉安井冈山大学周三牛李培培彭宣戈(Jinggangshan University,Ji an,Jiangxi,343009ZHOU San-niu LI Pei-pei PENG Xuan-ge通讯地址:(343009江西省吉安市青原区学苑路28号井冈山大学彭宣戈(收稿日期:2008.11.15(修稿日期:2008.12.03(上接第135页通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法

20、,从而使硬件系统的扩展简单、灵活。另外,本系统中采用TC74进行温度的采集,方法简单且测试范围较广。参考文献1胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京:清华大学出版社,1996,7.2刘守义,杨宏丽,王静霞.单片机应用技术.西安:西安电子科技大学出版社.2002,8.3李群芳,肖看.单片机原理、接口及应用-嵌入式系统技术基础.北京:清华大学出版社.2005,3.4张开生,郭国法.MCS-51单片机温度控制系统的设计J.微计算机信息,2005,7:1-5.作者简介:鹿玉红(1977,1-,女,汉族,河北唐山,硕士,计算机应用专业,主要从事教学和科研工作。Biography:LU Yu-hong (1977,1-,female,the Han nationality,Tangshan Hebei,master,the major of computer application,mainly occupation in teaching and scientific study.通讯地址:(063000河北省唐山学院信息工程系鹿玉红(收稿日期:2008.11.15(修稿日期:2008.12.03118-