1 前言

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數字脈沖對應的增量驅動元件，具有快速啟動和停止的能力。但大多數設計人員常常習慣于用邏輯電路實現復雜的步進電機的控制，雖然已經取得很大成效，但實現起來成本高、費時多，而且一旦組成了電路，就很難再改動，因此不得不完全重新設計控制器。微處理器與微計算機的先進技術和低廉的價格，給步進電機的控制開創了一個新的局面［1］。人們完全可以借助于軟件來對步進電機實施控制，從而實現復雜而成本又不高的控制系統，同時還可以很靈活地通過改變程序來改變控制方案。為此，我們基于89C51單片機設計了步進電機控制器用于玻璃管加熱系統。該控制器具有線路簡潔、性能良好、成本低、可靠性高等特點，在實際應用中取得了良好效果。

2 控制系統硬件設計

2.1 玻璃管加熱器的原理

直徑400mm 的圓盤上每隔15°有1個固定器，用于安放直徑3mm，長度50mm-70mm的玻璃管，圓盤上方有一個火焰噴頭，用于對玻璃管進行加熱。先在圓盤上裝上 24個玻璃管，開機定位后開始工作，步進電動機開始運轉，當每轉過15°時，延時T秒（T的大小可以設定為3，4，5三種狀態，本系統的默認值為3，通過軟件控制可以使時間偏差小于0.1秒）當一個玻璃管加熱完畢后，步進電機轉動移動到下一個玻璃管，所用時間為1秒，通過軟件可以使定位偏差小于 0.1mm，后重復上一步工作。機械傳動原理圖主視圖如圖1所示，俯視圖如圖2所示。

圖1 機械傳動原理圖主視圖

圖2 機械傳動原理圖俯視圖

2.2單片機控制系統硬件設計

該系統控制器的核心采用89C51單片機，具有4K的可擦除程序存儲器，易于系統的擴展和程序的改進。采用P1口的四位作為鍵盤輸入控制，用K1，K2， K3控制延時狀態，K1按下延時3秒，K2按下延時4秒，K3按下延時5秒。K4控制運行方向選擇，在順時針和逆時針之間進行切換。數碼管采用串行顯示方式，對運行狀態給以顯示，LED1顯示顯示方向選擇，“-”表示順時針旋轉，“|”表示逆時針旋轉。LED2顯示的是延時時間，可顯示3，4，5三種狀態。參見圖3電氣控制框圖。

圖3 電氣控制框圖

3 控制系統軟件設計

3.1 軟件實現的功能分析

控制系統可以按要求來設定方向選擇，延時時間等，操作者可以方便的觀察控制系統的工作情況。

（1） 步進電動機的最小步距角為1.5°，每轉的步數為240步/轉;

（2） 圓盤上15°一個固定器，一共可以安放24個玻璃管;

（3） 圓盤轉過15°的時間為1秒;

（4） 數字顯示部分為延時時間（可以設置為3，4，5秒）;

（5） 噴頭與圓盤保持垂直以減少誤差。

3.2 控制系統的主程序流程圖

根據系統所應完成的任務，設計主程序流程圖如圖4所示：

圖4 主程序流程圖

圖4中：

左1：走一步延時10ms用來尋找定位點，找到定位點后進入正常運行狀態;

左2：置數，用于設置10步一停，240步一判斷;

左3：正常運行狀態，走1步延時0.1s，10步一停，延時T（T=3，4，5）;

左4:240步為一周，旋轉一周后判斷是否有干擾丟步，若有，重新尋找定位點。

系統啟動后，首先對端口及顯示進行初始化，顯示清零，步進電動機三相繞組處于失電狀態，然后對數字鍵和功能鍵的掃描。當操作通過數字鍵的一個設定值后，設定值以十六進制存入RAM單元，再以十進制通過動態LED顯示出來;操作者確認后，按下左（或右）行功能鍵，步進電動機就會帶動圓盤轉動，延遲的時間通過靜態LED顯示出來。

3.3 步進電動機正反轉驅動子程序的設計

本系統所選用的步進電動機為110BF3-15型，它有三相繞組，向三相繞組輸入脈沖輸入脈沖的順序有三種，分別為單三拍、雙三拍、三相六拍。本系統選擇雙三拍輸入方式。輸入方式是靠軟件來控制的。雙三拍控制軟件是最簡單的軟接口之一。首先要以8255A的PA口為輸出口，接著把控制信息送到PA0~PA2中，對應的I/O線為“1”（高電平有效），則步進電動機相應的相繞組通電，步進電機轉子就轉動。要求轉子以不同的方向轉動，三相繞組的通電順序就不同，則相應的控制字也就不一樣，雙三拍繞組通電控制信息表如表1［2］。

由表1可知，正反轉所需要的信息串為03H→06H→05H→03H，這時按AB→BC→CA→AB順序通電。反轉時所需的信息串為05H→06H→03H→05H，這是按照順序CA→BC→AB→CA通電。

表2為步進電動機不同步相控制方式的控制字（十六進制，下同）。

表1 步進電動機相繞組通電控制信息表

表2 不同步相控制方式的控制字

考慮步進電動機的正反轉之后，雙三拍控制軟件清單如下［3］：

DS ：MOV A，#00H ;初始化使PA0～PA2為輸出

MOV DPTR，#0C000H ;

MOVX @DPTR，A ;

MOV DPTR，#0C000H ;為AB相通電

MOV A，#03H

MOVX @DPTR，A

LCALL DELY ;調延時

MOV DPTR，#0C000H ;為BC相通電

MOV A，#06H

MOVX @DPTR，A

LCALL DELY ;調延時

MOV DPTR，#0C000H ;為CA相通電

MOV A，#05H

MOVX @DPTR，A

LCALL DELY ;調延時

DELY:MOV 0CH，#0FH ;延時子程序

RET

以上是步進電動機三相繞組正向通電子程序，反向通電子程序類似，若要改變電機轉速，只要改變MOV 0CH，#0FH指令中的立即數的值即可。圖5為步進電動機正反轉驅動子程序流程圖：

圖5 正反轉驅動程序流程圖

4 結束語

本系統操作方便，控制靈活，精確度高，可靠性好，已達到了預期的設計要求，大大減輕了體力勞動強度，改善了工作條件。在軟、硬件實現上為了提高系統的可靠性及精度，均采用了相應的抗干擾措施。