基于87C196KC單片機的步進電機高靈敏度控制系統(tǒng)

1 引言

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，數(shù)控機床的高靈敏度控制是一個重要的分支。而單片機體積小、重量輕，具有很強的靈活性，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其在數(shù)控機床方面。目前，我國的許多應(yīng)用領(lǐng)域仍以MCS-51系列8位單片機為主，但是在一些較為復(fù)雜，對實時性、靈敏性要求較高的場合，它就顯得力不從心，不得不讓位于16位單片機。87C196KC芯片為Intel公司的高性能16位單片機，是其CHMOS中的第二代產(chǎn)品。它不但集成了監(jiān)視跟蹤定時器WDT、高速輸入輸出通道HSIO、外部設(shè)備事件服務(wù)器，還具有高精度的10位A/D、D/A和PWM波發(fā)生器功能。87C196KC單片機擁有3路PWM發(fā)生器，它們分別由P2.5口、P1.3口和P1.4口輸出，其內(nèi)部擁有存儲容量為16KB的EPROM和512B的RAM，是步進電機控制系統(tǒng)的理想機種。本文主要結(jié)合87C196KC 單片機的PWM發(fā)生器，給出三相步進電機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。

2 PWM波發(fā)生器工作原理

下面以PWM/P2.5引腳為例，給出PWM波發(fā)生器的硬件電路和工作原理。PWM波發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

PWM波主要由脈寬調(diào)制控制寄存器PWM-PWM波發(fā)生器的時鐘可以由系統(tǒng)時鐘提供，也可以由外圍電路通過IOC2.2引腳提供。在選擇由系統(tǒng)時鐘提供的方式時，還可選擇直接提供和經(jīng)二分頻提供的方式。單片機上電后，8位循環(huán)計數(shù)器即開始工作。每接收一個脈沖計數(shù)值增1，當其內(nèi)容由0FFH再增1時，計數(shù)器溢出，引腳PWM端變?yōu)楦唠娖捷敵?。在PWM_CONTROL中置入要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，其值與8位循環(huán)數(shù)器的值相比較，當二者相等時，R-S觸發(fā)器使得引腳PWM端變?yōu)榈碗娖捷敵?。由此可見，引腳PWM端輸出高電平的時間由8位循環(huán)計數(shù)器的值決定，引腳PWM端輸出低電平的時間由PWM--CONTROL決定。通過二者的結(jié)合便可輸出寬度可變的脈沖波。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

該87C196KC單片機構(gòu)成的數(shù)控機床采用三相步進電機高靈敏度控制系統(tǒng)，能夠精確地調(diào)節(jié)步進電機的行走速度，可以在三維空間中改變電機的行進方向，還可以按操作者設(shè)定的行走步數(shù)行進。通過鍵盤和數(shù)顯模塊的結(jié)合可以實時地進行速度顯示和行程控制。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由87C196KC單片機構(gòu)成的三相步進電機控制系統(tǒng)原理圖。該控制系統(tǒng)通過單片機輸出3路PWM波，然后通過反相器、光電耦合器和驅(qū)動器控制步進電機的啟停和正反轉(zhuǎn)，而步進電機的電流、電壓和轉(zhuǎn)速則通過反饋回路進入單片機，并通過數(shù)顯電路加以顯示。電路中的光電耦合器是出于系統(tǒng)安全性的考慮，起隔離作用，以此把單片機輸出的弱電信號和電機驅(qū)動電路的強電區(qū)分開來。驅(qū)動器采用具有較高輸出電流的達林頓驅(qū)動步進電機。鍵盤和數(shù)顯模塊中，采用4×5鍵盤設(shè)置數(shù)字鍵、方位鍵、數(shù)顯選擇鍵和確定鍵等,采用Intel 8279芯片對鍵盤和4位共陰極LED顯示器進行管理和控制。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主程序設(shè)計和中斷程序設(shè)計。通過外部鍵盤的輸入控制和經(jīng)由反饋回路的A/D轉(zhuǎn)換均采用中斷方式?？紤]到程序模塊的可移植性和程序的執(zhí)行效率，系統(tǒng)程序采用C語言和匯編語言混合編程的模式，主程序才用C96程序，中斷程序采用匯編語言編寫。由于篇幅的限制，在此僅給出系統(tǒng)軟件主程序的流程圖。

在系統(tǒng)主程序中，考慮到系統(tǒng)的安全性，前后設(shè)置WDT清零操作。在設(shè)定PWM波輸出的前提下，置PWM波控制寄存器，用以和相應(yīng)的軟件定時器值相比較，來決定PWM波的占空比。在進行方位控制和速度調(diào)節(jié)時，只需改變定時器的值，然后調(diào)節(jié)3路PWM波輸出順序和占空比即可。

4 抗干擾措施

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)的抗干擾性能直接影響系統(tǒng)工作的可靠性。一旦系統(tǒng)受到干擾，程序指針發(fā)生錯誤，將會造成程序執(zhí)行的混亂或進入死循環(huán)，系統(tǒng)無法正常運行，嚴重時可能損壞系統(tǒng)硬件。

本系統(tǒng)在硬件和軟件方面分別采取了抗干擾措施。硬件上，系統(tǒng)進行了良好的接地，采用了隔離技術(shù)和硬件濾波技術(shù)，在此，用光電隔離器隔離強弱電信號，用濾波器排除反饋回路的干擾信號。在軟件方面，設(shè)置軟件陷阱，在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，當程序指針PC失控進入非程序區(qū)時，使程序進入陷阱，用LJMP ＃2080H指令填滿非程序區(qū)，以使程序返回初始狀態(tài)，同時，運用"看門狗"技術(shù)，啟用16位監(jiān)視跟蹤定時器WDT。WDT是一個16位計數(shù)器，其計數(shù)脈沖由單片機的系統(tǒng)時鐘CLOCK(T)提供。每經(jīng)歷一個T，WDT的內(nèi)容增1。WDT一旦被啟動，便開始計數(shù)，只要不對其清零，其內(nèi)容將持續(xù)增加，直到經(jīng)過64K個T周期產(chǎn)生溢出，系統(tǒng)復(fù)位，WDT停止工作。軟件陷阱和WDT的雙重運用將有效保證系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)具有高精度、實時性和可控性等特點，再加上硬件方式和軟件方式的多重抗干擾措施，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻:
[1]. 87C196KC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/87C196KC_105005.html.
[2]. MCS-51 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MCS-51_477840.html.
[3]. EPROM datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/EPROM_1128137.html.