程筱軍，陳加懷，何 俠

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

運動控制起源于早期的伺服系統(tǒng)。國外運動控制器已經(jīng)可以提供許多先進的控制算法，如伺服調(diào)節(jié)、PVT算法、樣條插補、反向運動學(xué)算法、龍門雙驅(qū)動算法、空間圓弧插補、速度前瞻和軌跡擬合，以及電子齒輪、電子凸輪、虛擬軸、高速位置鎖存、位置比較輸出等［1］。在這些方面國內(nèi)的研究就有了較大的差距。國內(nèi)運動控制的研究主要集中在硬件方面，相對于國外，國內(nèi)運動控制所采用的硬件平臺和國外產(chǎn)品相比沒有太大的差距，有的甚至更加先進。本系統(tǒng)通過采用單片機的軟件和硬件結(jié)合的方式，實現(xiàn)了良好的人機交互，達到了實時按鍵控制，實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)、預(yù)置步數(shù)、變速等功能，實現(xiàn)了物體從當前坐標移動至目標坐標的精確控制。充分的利用單片機的內(nèi)部資源以及外圍電路。且一旦設(shè)計要求有所變化，只需針對不同要求進行相應(yīng)軟件部分的修改即可，系統(tǒng)可操作性強，靈活度高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計思路及特點

本系統(tǒng)由MCU模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊、系統(tǒng)供電模塊以及步進電機驅(qū)動電路模塊組成?；贏TMEGA16L單片機作為步進電機控制器的核心運算器件。利用單片機強大的運算能力和可編程的特點，實現(xiàn)較為復(fù)雜的步進電機控制功能［2］。該單片機適應(yīng)能力強，支持程序的在線仿真和實時下載，軟件程序易于修改，系統(tǒng)控制靈活簡便。而且其外圍電路簡單、靈活，可以簡便得做到人機交換，使控制更加的直觀和方便，使操作者隨時都能對電機的運行狀況進行方便的了解。物體運動控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)控制核心

本系統(tǒng)采用的ATMEGA16L單片機包含晶振電路、復(fù)位電路以及系統(tǒng)的電源和地的基本接法。其中晶振電路使用8M晶振作為系統(tǒng)時鐘源，復(fù)位電路可通過按鍵S1為系統(tǒng)提供強制復(fù)位電平，使系統(tǒng)在任意運行情況下可以進行強制復(fù)位［3］。

圖1 二維運動控制硬件系統(tǒng)框圖

1.2 按鍵控制

本設(shè)計系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤作為系統(tǒng)的輸入模塊，以實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、界面切換和實時鍵控。通過按鍵的輸入實現(xiàn)對電路坐標設(shè)定、運動方式、數(shù)值顯示等參數(shù)的設(shè)定。

1.3 LCD顯示模塊

LCD會顯示坐標的設(shè)定值和當前值、運動時間等功能。本設(shè)計的顯示部分采用液晶顯示器LCD1602作為系統(tǒng)的顯示部分核心器件。LCD1602液晶模塊的線路接法分為并行模式和串行模式?；诖心Ｊ讲捎么袛?shù)據(jù)傳輸方式，占用口線數(shù)少，節(jié)約單片機I/O口線資源。故而采用串行模式電路接法實現(xiàn)液晶1602的顯示功能。LCD1602液晶模塊的電路原理如圖2所示。

1.4 GTAG 接口電路

基于ATMEGA16L內(nèi)含JTAG接口，支持擴展的片內(nèi)在線調(diào)試功能。通過JTAG口對片內(nèi)FLASH、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密位實現(xiàn)下載編程。故而，為方便系統(tǒng)的程序編寫和在線仿真，系統(tǒng)設(shè)計添加了JTAG接口電路作為系統(tǒng)的在線編程、下載和仿真口線。JTAG接口電路如圖3所示。

圖2 LCD1602電路原理圖

圖3 JTAG接口電路

1.5 系統(tǒng)供電電路

78xx系列集成穩(wěn)壓器是常用的固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器。為了方便系統(tǒng)供電，本系統(tǒng)采用該系列集成穩(wěn)壓器中的直流穩(wěn)壓芯片L7805及其外圍電路作為系統(tǒng)的供電電源。7805直流穩(wěn)壓芯片的供電電路如圖4所示。

1.6 步進電機驅(qū)動電路

單4拍和雙4拍方式的步距角相等，但單4拍的轉(zhuǎn)動力矩?。?］。8拍工作方式其步距角為4拍方式的一半，且其同時轉(zhuǎn)動力矩較大。故而8拍方式即可保證較大的轉(zhuǎn)動力矩又可提高控制精度。綜合對比以上特點，本設(shè)計步進電機控制方式采用8拍方式進行。

由于本系統(tǒng)選用的四相反應(yīng)式步進電機所需的驅(qū)動電流較大，不能由單片機I/O口線直接驅(qū)動，故而需為步進電機設(shè)計相應(yīng)驅(qū)動電路方能實現(xiàn)單片機對步進電機的有效控制。

ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陣列，由7個硅NPN達林頓管組成。ULN2003D的每一對達林頓都串接一個2.7k的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行［5］。

基于ULN2003的上述優(yōu)勢，系統(tǒng)采用大電流達林頓芯片ULN2003作為步進電機的驅(qū)動電路模塊核心器件。ULN2003的管腳圖如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)供電電路

圖5 ULN2003管腳圖

圖5中1B－7B為控制信號輸入口，1C－7C為控制信號輸出口，8腳接地，9腳接VCC。ULN2003具有反相器功能，高電平入，低電平出。

2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用C語言作為編程語言。選用Code Vision AVR作為系統(tǒng)的軟件編譯環(huán)境。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為系統(tǒng)初始化、按鍵、顯示處理及控制脈沖輸出幾部分，事實上每一部分都是緊密相關(guān)的，每個功能模塊對于整體設(shè)計都是非常重要，單片機ATMEGA16L通過軟件編程才能使系統(tǒng)真正的運行起來，軟件設(shè)計的好壞也直接決定了系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

本程序主要由初始化、鍵盤程序、顯示器程序、步進電機驅(qū)動程序3部份組成，主程序首先初始化各變量，包括系統(tǒng)上電默認運行參數(shù)設(shè)定(正向、4相8拍工作方 式、運行模式等)、系統(tǒng)各指針復(fù)位、中斷設(shè)定、定時器設(shè)定、變量初始值載入等等［6］。將顯示器、指示燈消隱，步進電機驅(qū)動的各引腳均輸出高電平，便進入待機狀態(tài)，等待鍵入相應(yīng)操作。然后調(diào)用鍵盤程序，并作判斷，如N果有鍵按下，則調(diào)用鍵盤處理程序，繼而調(diào)用顯示器程序、步進電機驅(qū)動程序，以達到鍵盤輸入所需要的結(jié)果。其中，液晶顯示器包括清零、定位顯示、單字符顯示、Y字符串顯示等;步進電機控制程序通過設(shè)定數(shù)組的方式實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、預(yù)制步數(shù)轉(zhuǎn)動、連續(xù)轉(zhuǎn)動等功能［7］。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

3 結(jié)束語

本設(shè)計采用原理簡單的步進電機及單片機等硬件組成，使用結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計。使得本設(shè)計實用、簡單、可靠和低成本，且具有易維護性，根據(jù)用戶新的要求，只要對軟件系統(tǒng)進行少量的修改，即可使系統(tǒng)功能得到一定程度的提高。即可用于精度要求不是很高，但控制需完備的生產(chǎn)場合，又可很有效的用于實踐教學(xué)中的步進電機控制系統(tǒng)。

［1］ 吳宏，蔣仕龍.運動控制器的現(xiàn)狀和發(fā)展、制造技術(shù)與機床［J］.太原:太原理工大學(xué)學(xué)報，2009，15(2):78－82.

［2］ 王愛玲，張吉堂，吳雁.現(xiàn)代數(shù)控原理及控制系統(tǒng)(第二版)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:152－153.

［3］ 高惠芳.單片機原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:1－324.

［4］ 馮勇，霍勇進.計現(xiàn)代計算機數(shù)控系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1996:52－97.

［5］ 丁淑敏，劉武發(fā).GAL器件在步進電機控制中的應(yīng)用［J］.鄭州:鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報，2005，32(6):41－42.

［6］ 富大偉，劉瑞素.數(shù)控系統(tǒng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:210－214.

［7］ 于濤，范云霄.數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控機床［M］.北京:中國計量出版社，2007:25－27.