基于单片机的步进电机控制装置应用研制概要.docx

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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SOC2008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

ApplicationDevelopingofSteppingMotorControlEquipmentBasedonSingleChipMicro-Controller

（长沙理工大学

李光富易理刚

LIGuang-fuYILi-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

分装,其分装的精度可达到1‰ml。

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:

AAbstract:

ntroducedasortofcreep-pumpequipmentusedtoload-productlinewhichadoptingSingleChipMicro-controllerrealiza-tion,Itmayrealizeload-productline’shandiwork,automationsingletime,multtimesormixcent-load,itsprecisionmayreach1‰ml.Keywords:

SingleChipMicro-controller;Steppingmotor;Creep-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,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SMG12232ALCM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--

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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,可获得较高的装量精度。

本文启动曲线方程如下:

f=fmax（1-eT1/T2

（1其中,fmax为常数。

T1为运行时间,T2为斜率档位时间。

T1,T2数据表如下:

T10档100ms1档200ms2档400ms3档600ms4档800ms

5档1000ms6档1200ms7档1400ms8档1700ms9档2000ms

T20档34ms1档66.7ms2档133ms3档

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200ms

4档267ms5档333.3ms6档400ms7档

466.7ms8档567ms9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（0—60s,主控形式（键盘或端口,以及系统配置（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1‰ml,深受用户欢迎。

而且,项目经济效益明显,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,2004.7[2]王晓明,

电动机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社..2005.5

[3]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.2006.3

[4]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:

92-93

[5]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（1966-,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:

LIGuang-fu（1970-,Man（theHannationality,HuNan-ChangShang,master,mostlyengageresearchandexploitationofau-tocontrolandcorrelationpracticalitysoftware.（410007长沙长沙理工大学李光富

易理刚

（ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410007LIGuang-fuYILi-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、智能化仪器与仪表。

Biogaphy:

ZHOUShan-niu（1961-,Male,Lecturer,MainStudy:

Medicineinstrumentmeasuringappliance.

（343009江西吉安井冈山大学周三牛李培培彭宣戈

（JinggangshanUniversity,Ji’an,Jiangxi,343009

ZHOUSan-niuLIPei-peiPENGXuan-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,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:

LUYu-hong（1977,1-,female,theHannationality,TangshanHebei,master,themajorofcomputerapplication,mainlyoccupationinteachingandscientificstudy.

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:

2008.12.03

118--