基于Proteus 的PC 機(jī)對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制仿真
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步進(jìn)電機(jī)在簡單的開環(huán)工作方式下能夠達(dá)到相當(dāng)高的定位精度，且低速運(yùn)行時又可輸出很大的轉(zhuǎn)矩，因此在運(yùn)動控制中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。PC機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，應(yīng)用于多個領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、激光加工設(shè)備等各種儀器設(shè)備。一個完整的PC機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，下位機(jī)與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理，包括鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送等部分工作；下位機(jī)完成運(yùn)動控制的所有細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理等部分工作。實(shí)際下位機(jī)開發(fā)過程復(fù)雜，主體包含硬件電路設(shè)計和控制程序設(shè)計兩方面?？刂瞥绦蛟O(shè)計過程需要軟件調(diào)試、硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試3個過程。軟件調(diào)試一般比較容易進(jìn)行，但如果要進(jìn)行牽涉硬件的硬件調(diào)試或系統(tǒng)調(diào)試，包括元器件選用、PCB板制作、元器件焊接、程序燒錄環(huán)節(jié)，其中任一環(huán)節(jié)的疏漏都可能造成程序調(diào)試失真。通過Proteus中各虛擬儀器所構(gòu)建硬件電路，調(diào)試所設(shè)計程序的控制效果，達(dá)到虛擬硬件調(diào)試、虛擬系統(tǒng)調(diào)試程序的目的，為PC機(jī)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)提供有效的理論實(shí)踐依據(jù)，避免因硬件電路設(shè)計過程錯誤引起的程序異常或硬件實(shí)驗(yàn)條件限制影響開發(fā)。
Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤、LCD、虛擬儀器、示波器、邏輯分析儀系統(tǒng)仿真的功能；支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真功能；在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)；支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeiluVision2、MTLAB等軟件。由于Proteus軟件本身的優(yōu)良仿真特性，所設(shè)計程序能于Proteus中完成仿真過程的同時，即基本證明了所設(shè)計程序的準(zhǔn)確性，從而基本完成了系統(tǒng)開發(fā)中的控制程序設(shè)計部分，并為系統(tǒng)硬件電路設(shè)計提供指導(dǎo)意義。
2設(shè)計要求
以構(gòu)建基于Proteus的PC機(jī)對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制仿真系統(tǒng)為例，上位機(jī)人機(jī)交互界面由VB開發(fā)完成；下位機(jī)硬件電路由Proteus中各虛擬儀器所構(gòu)建完成；下位機(jī)控制程序由KeiluVision2開發(fā)完成；期間還要采用虛擬串口（VSPD），用于模擬一根串口通信線，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)（VB）對下位機(jī)（Proteus）中步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時控制過程。
2.1系統(tǒng)總體框圖
上位機(jī)通過RS232C串口通信方式實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)下達(dá)指令，下位機(jī)AT89C51單片機(jī)根據(jù)接受到的指令，按一定的時序產(chǎn)生A、B、C、D四相控制信號，分別實(shí)現(xiàn)單拍、雙拍、單雙拍的三種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式。在實(shí)際運(yùn)用中，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間一般還需要信號隔離、放大集成電路。下位機(jī)部分增設(shè)顯示功能，由LCD1602來完成實(shí)時地顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動狀態(tài)。Proteus的仿真電路與實(shí)際電路可以有一定的區(qū)別，考慮到仿真的實(shí)踐性驗(yàn)證，設(shè)計出實(shí)際仿真適用的整個控制模塊，如圖1所示。
2.2下位機(jī)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
在實(shí)際運(yùn)用中，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)需要隔離、放大模塊。在仿真時該控制模塊可省略，直接將步進(jìn)電機(jī)與AT89C51相連接，也可在仿真電路中使用，因這里主要是為了檢測脈沖的控制效果，所以省去隔離、放大電路。
串口通信部分[3]，非仿真控制中，上位機(jī)電平是RS232C電平，而下位機(jī)是TTL電平，不能直接通信的，所以增加一個電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。在實(shí)際仿真中，由于上下位機(jī)都是在PC中進(jìn)行，所以無需電平轉(zhuǎn)換芯片，否則會發(fā)生錯誤。實(shí)際仿真時，串口的2、3位直接與AT89C51的RXD、TXD直接對接就可以了。
LCD部分顯示電路，當(dāng)單片機(jī)驅(qū)動LCD時，由于信號的傳輸過程會有損耗，所以在實(shí)際應(yīng)用驅(qū)動LCD時，常采用信號增益模塊加以驅(qū)動。仿真過程無信號損耗，系統(tǒng)外部晶振電路，復(fù)位電路等在仿真過程可以省略。
綜上所述，在搭建Proteus下位機(jī)系統(tǒng)時，隔離放大模塊、LCD驅(qū)動模塊、外部晶振電路和復(fù)位電路可有可無，而RS232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換模塊必需省去。
3軟件設(shè)計
3.1下位機(jī)軟件設(shè)計
下位機(jī)軟件由KeiluVision2開發(fā)完成。程序本身通用于仿真Proteus、實(shí)際步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。下位機(jī)程序包括：初始化程序，串行中斷程序，定時器T0中斷程序，LCD顯示函數(shù)（含幾條控制命令子函數(shù)）及程序主函數(shù)體五部分構(gòu)成。程序設(shè)計流程，如圖2所示。
程序設(shè)計中要注意設(shè)置串行中斷的優(yōu)先級應(yīng)高于T0中斷，因?yàn)槟J(rèn)的ET0中斷優(yōu)先級是高于串行中斷ES的[6]，使用語句PT0=0；//低優(yōu)先級，PS=1；//高優(yōu)先級即可，因?yàn)橹灰?dāng)串行通信優(yōu)先級最高時，才能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的實(shí)時控制，十分重要。串行中斷中需應(yīng)用字符型數(shù)據(jù)與ASCII碼轉(zhuǎn)化的算法。因?yàn)镸SComm1.Output中送出去的是字符型數(shù)據(jù)，而AT89C51會把接收到的字符數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成ASCII碼，這樣如果上位機(jī)發(fā)送一個數(shù)據(jù)“0”，而下位機(jī)轉(zhuǎn)化成ASCII碼后即變成了“48”，顯然這不是事先跟下位機(jī)約定的控制指令，所以需要對接收到的指令數(shù)據(jù)做一定的計算處理，然后再交給CPU進(jìn)行判斷。因?yàn)樯衔粰C(jī)的控制指令數(shù)據(jù)只有七個，使用語句if（temp=57temp>=48）temp=temp-0x30；即可實(shí)現(xiàn)。整個串行中斷程序設(shè)計如下：
staticvoidcom_isr（void）interruptSIO_VECTORusing1
｛
if（RI）//RI=0申請串行中斷
｛
temp=SBUF；
//從接收寄存器中讀取指令數(shù)據(jù)
if（temp=57temp>=48）
//判斷指令寄存器數(shù)據(jù)
temp=temp-0x30；
//計算指令寄存器數(shù)據(jù)
RI=0；
//RI=0為下一次串行中斷做準(zhǔn)備
k=0；//為顯示函數(shù)執(zhí)行條件
return；
｝
｝
設(shè)計T0中斷程序時，中段時間（它由定時計數(shù)器的初始值、工作方式共同決定）與中斷次數(shù)關(guān)鍵內(nèi)容，決定了驅(qū)動電機(jī)脈沖頻率的變化，即決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要設(shè)計一個合理的轉(zhuǎn)速方便記錄采集步進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)，觀察單拍、雙拍、單雙拍驅(qū)動方式下電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)。 塵埃粒子計數(shù)器相關(guān)文章:塵埃粒子計數(shù)器原理 晶振相關(guān)文章:晶振原理
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