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1、基于LabVIEW和单片机的步进电机控制系统设计基于LabVIEW和单片机的步进电机控制系统设计hanjuan导语：本文介绍了一种基于LabVIEW和单片机的步进电机控制系统设计方法。摘要:以AT89S52单片机和单总线数字温度传感器DS18B20及步进电机为主要器件制作测控电路。上位机以温度为主要参数,通过串口控制步进电机的正转、反转和加速、减速。C51程序实现对传感器的数据收集和与上位机的串行通讯,LabVIEW实现测温波形动态显示、数据存储、越限报警和电机控制。经实际运行,系统可以较好地控制步进电机,可用于需要及时检测温度并进展步进电机控制的场合。关键词:单片机LabVIEWDS18B2
2、0步进电机1引言LabVIEW是美国国家仪器公司NationalInstrument开发的一种虚拟仪器平台。他是一种图形化编程语言,具有强大功能,提供了丰富的数据收集、分析和存储库函数,比传统的文本式语言更具有上风。但用LabVIEW开发的虚拟仪器通常需要价格昂贵的数据收集硬件,而以单片机为核心的数据收集与处理系统固然硬件本钱较低,但开发经过较为复杂,编程工作量较大。假如将以单片机为核心的小系统作为前端的数据收集系统,通过LabVIEW提供的串口子VI将收集到的数据传送到上位机,在LabVIEW环境下对数据进展处理与分析,并进展相关控制,既可充分利用LabVIEW的强大功能,又可降低系统的开发
3、本钱,成为扩展LabVIEW应用范围的一个途径。本系统以AT89S52单片机和单总线数字温度传感器DS18B20组成前端数据收集系统,以同一单片机和步进电机驱动电路组成后端控制系统。单片机通过串行通讯电路,将收集的温度数据传给上位机,上位机程序采用Lab2VIEW编写,可实现动态显示测温波形、存储数据和设定报警温度等功能,并可根据不同的报警温度通过串口控制单片机,驱动步进电机正反转和加减速,也可直接手动控制电机的运转。系统可用于需要及时检测温度并进展步进电机控制的场合,也可扩展为以上位机为控制中心,由多个前端数据收集系统实现多点测温,并由不同的后端控制系统实现不同的控制功能。2系统组成系统由单
4、片机、温度收集电路、步进电机控制电路和RS232接口电路为主,在此根底上扩展了时钟电路、键盘输入及LCD显示电路、声光报警电路和Isup2/supC总线Esup2/supPROM存储器等局部。单片机采用Atmel公司的AT89S52,具有ISP在线编程功能和8kB的FLASH。由于其程序存储器空间较大,故不须外接存储单元就可以完成LCD字库的存储等功能。晶体振荡频率为11.0592MHz,可实现与计算机间的准确通讯。系统构造框图如图1所示。3硬件电路设计3.1温度收集电路的设计温度传感器采用由DALLAS半导体公司消费的1-wire数字温度传感器DS18B20,其性能特点如下:1采用单总线专用
5、技术,既可通过串行口线,也可通过其他I/O口线与微机接口,无须经过其他变换电路,直接输出被测温度值9位二进制数,含符号位;2测温范围为-55+125,测量分辨率为0.06251;3内含64位经过激光修正的只读存储器ROM;4适配各种单片机或者系统机;5用户可分别设定各路温度的上、下限;6内含寄生电源。align=center图1系统构造框图/alignDS18B20与单片机的接口简单,只需将DS18B20的信号线与单片机的一位双向端口相连即可sup1/sup。其供电方式分寄生电源方式:VDD和GND端均接地;外接电源方式:VDD端用35.5V电源供电。本系统中DS18B20采用外接电源方式。C
6、PU对DS18B20的访问流程是:先对DS18B20初始化,再进展ROM操纵命令,最后才能对存储器进展读写操纵。DS18B20每一步操纵都要遵循严格的工作时序和通讯协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一经过,根据DS18B20的通讯协议,须经3个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进展复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进展预定的操纵。3.2时钟电路DS1302DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,他可以对年、月、日、周日、时、分、秒进展计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.55.5V。采用三
7、线接口与CPU进展同步通讯,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或者RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM存放器。DS1302与单片机的连接需要3条线,即SCLK,I/O,RST。DS1302增加了主电源/后备电源双电源引脚,同时提供了对后备电源进展涓细电流充电的才能。备用电源可以用电池或超级电容器0.1F以上。本系统对时间没有特殊要求,故采用漏电较小的普通电解电容器作为备用电源,100F就可以保证1h的正常走时。3.3步进电机控制电路步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,通过控制脉冲个数来控制角位移量,进而到达准确定位的目的,由于其没有积累误差的特
8、点,被广泛应用于各种开环控制。本系统步进电机采用两相双极性电机,步距角为3.75。驱动局部采用达林顿管TIP122和TIP127组成双极性桥式驱动电路,由于两相的驱动方式完全一样,因此图2只给出其中一相的驱动方式。单片机与驱动电路之间采用光电耦合器4N25进展电气隔离,增加系统稳定性。align=center图2步进电机其中一相的驱动电路/align3.4键盘、LCD显示和声光报警电路系统的键盘有3个,分别是加键、减键和确定键,可以设置系统时间和DS18B20的报警温度。LCD采用的是12864型,共有128行,64列。显示的主要内容有:1当前时间,格式为:年/月/日/星期/时/分/秒;2采样
9、的实时温度值;3系统时间设定、闹钟时间设定和温度设定界面。声光报警电路主要由发光二级管和小喇叭组成,当采样温度超过报警温度时自动报警。3.5Isup2/supC总线Esup2/supPROMI2CInter-IntegratedCircuit总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备。两根信号线一是双向的数据线SDA,另一是时钟线SCL。Isup2/supC总线支持主/从双向通讯,主器件和从器件都可工作于接收和发送状态。最高传送速率为100kb/ssup2/sup。系统中采用AT24C01串行Esup2/supPROM,具有Isup2/supC总线接口功能
10、,功耗小、宽电源电压根据不同型号2.56.0V,工作电流约为3mA,静态电流随电源电压改变,界于30110A之间。具有128B存储空间,可在系统掉电后保存设置好的DS18B20的报警温度。系统中主器件为单片机,由单片机产生串行时钟SCL,控制总线的传输方向,并产生起始和停顿条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平期间才能改变,SCL为高电平期间,SDA状态的改变被用来表示起始和停顿条件。3.6RS232接口电路通过RS232接口电路,系统可以与上位机进展通讯,将采样温度传给上位机,并承受上位机的步进电机控制指令。另外,也可以通过上位机调整系统的时间和报警温度。4上位机程序上位机程序采用美国
11、NI公司的图形化编程语言LabVIEW8.2编写sup3/sup。按照功能模块划分为:串口通讯模块、数据显示和存储模块、参数设定模块、步进电机控制模块等。局部操纵界面如图3所示。align=center图3LabVIEW局部操纵界面/align4.1串口通讯模块串口通讯模块包括VisaConfigureSerailPortVI,Vi2saWriteVI,VisaReadVI以及VisaCloseVIsup4/sup。其功能是:1实现串口的根本参数设定,如波特率、缓存区大小、奇偶校验位、数据位数和是否包含完毕位等;2实现单片机与上位机之间的数据传输。程序中,波特率选用9600,8位数据位,不进展
12、奇偶校验,1位停顿位,每次通讯的间隔为1min。4.2数据显示和存储模块、参数设定模块数据显示模块可以直观地显示当前时间、串口读写状态、实时温度波形和设置的报警温度波形。也可以将测量得到的温度数据存储为Excel格式的文档。参数设定模块可以设定一级低温报警温度和两级高温报警温度。4.3步进电机控制模块步进电机控制分手动控制与自动控制。当设为手动控制时,可以实现电机正反转和加减速的功能。其实现方法是通过串口发送控制字符,由单片机进展解析,并选择相应功能。控制字符与步进电机功能对应关系如表1所示。例如:发送字符“z表示正转,“t表示停顿。当设为自动时,假设检测温度值低于低温报警温度,那么电机反转;
13、假设高于一级高温报警温度,那么按设定的较低速度正转;假设高于二级高温报警温度,那么按设定的较高速度正转。当检测温度处于正常温度范围时,电机停顿运行。电机控制模块可灵敏应用,根据不同的控制需求改变控制策略。5结语本文介绍了一种基于LabVIEW和单片机的步进电机控制系统设计方法,主要有以下特点:1以单片机和DS18B20组成前端数据收集系统,经串行通讯将数据传给上位机进展分析和处理。以同一单片机和步进电机控制电路组成后端控制系统,以温度为主要控制参数,由上位机控制步进电机实现各种动作。2上位机程序采用图形化编程语言LabVIEW编写,实现温度数据的处理和对电机的控制,人机交互界面友好,操控简单。3系统可加以扩展,灵敏应用于多种场合。如利用可组网式传感器DS18B20实现多点测温,以不同的后端控制系统实现不同的控制功能。0