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
黄章华;陆华忠;李灌辉
【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采集和与上位机的串行通
信,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,系统能够较好地控制步进电机,可用于需要及时检测温度并进行步进电机控制的场合.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2007(030)017
【总页数】3页(P179-181)
【关键词】单片机;LabVIEW;DS18B20;步进电机
【作者】黄章华;陆华忠;李灌辉
【作者单位】华南农业大学,工程学院,广东,广州,510642;华南农业大学,工程学院,广东,广州,510642;华南农业大学,工程学院,广东,广州,510642
【正文语种】中文
【中图分类】TP215
1 引言
LabVIEW是美国国家仪器公司(National Instrument)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，提供了丰富的数据采集、分析和存储库函数，比传统的文本式语言更具有优势。

但用LabVIEW开发的虚拟仪器通常需要价格昂贵的数据采集硬件，而以单片机为核心的数据采集与处理系统虽然硬件成本较低，但开发过程较为复杂，编程工作量较大。

如果将以单片机为核心的小系统作为前端的数据采集系统，通过LabVIEW提供的串口子VI将采集到的数据传送到上位机，在LabVIEW环境下对数据进行处理与分析，并进行相关控制，既可充分利用LabVIEW的强大功能，又可降低系统的开发成本，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组成前端数据采集系统，以同一单片机和步进电机驱动电路组成后端控制系统。

单片机通过串行通信电路，将采集的温度数据传给上位机，上位机程序采用LabVIEW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行步进电机控制的场合,也可扩展为以上位机为控制中心，由多个前端数据采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
系统由单片机、温度采集电路、步进电机控制电路和RS 232接口电路为主，在此基础上扩展了时钟电路、键盘输入及LCD显示电路、声光报警电路和I2C总线
E2PROM存储器等部分。

单片机采用Atmel公司的AT89S52，具有ISP在线编程功能和8 kB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11.059 2 MHz，可实现与计算机间的精确通信。

系统结构框图如图1所示。

3 硬件电路设计
3.1 温度采集电路的设计
温度传感器采用由DALLAS半导体公司生产的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0.062 5 ℃[1]；
(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。

图1 系统结构框图
DS18B20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[1]。

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3～5.5 V电源供电。

本系统中DS18B20采用外接电源方式。

CPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器进行读写操作。

DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。

如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，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进行复位，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进行预定的操作。

3.2 时钟电路DS1302
DS1302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、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5 V。

采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一
次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

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行涓细电流充电的能力。

备用
电源可以用电池或者超级电容器(0.1 F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，100 μF就可以保证1 h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，从而达到准确定位的目的，由于其没有积累误差的特点，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°。

驱动部分采用达林顿管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相同，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进行电气隔离，增加系统稳定性。

图2 步进电机其中一相的驱动电路
3.4 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。

3.5 I2C总线E2PROM
I2C(Inter-Integrated Circuit)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。

I2C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100 kb/s[2]。

系统中采用AT24C01串行E2PROM，具有I2C总线接口功能，功耗小、宽电源
电压(根据不同型号2.5～6.0 V)，工作电流约为3 mA，静态电流随电源电压改变，界于30～110 μA之间。

具有128 B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
产生起始和停止条件。

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止条件。

3.6 RS 232接口电路
通过RS 232接口电路，系统能够与上位机进行通信，将采样温度传给上位机，并接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NI公司的图形化编程语言LabVIEW 8.2编写[3]。

按照功能
模块划分为：串口通信模块、数据显示和存储模块、参数设定模块、步进电机控制模块等。

部分操作界面如图3所示。

图3 LabVIEW部分操作界面
4.1 串口通信模块
串口通信模块包括Visa Configure Serail Port VI,Visa Write VI,Visa Read VI以
及Visa Close VI[4]。

其功能是：
(1) 实现串口的基本参数设定，如波特率、缓存区大小、奇偶校验位、数据位数和是否包含结束位等；
(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9 600，8位数据位，不进行奇偶校验，1位停止位，每次通信的间隔为1 min。

4.2 数据显示和存储模块、参数设定模块
数据显示模块能够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。

参数设定模块能够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，由单片机进行解析，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”表示停止。

当设为自动时，若检测温度值低于低温报警温度，则电机反转；若高于一级高温报警温度，则按设定的较低速度正转；若高于二级高温报警温度，则按设定的较高速度正转。

当检测温度处于正常温度范围时，电机停止运行。

电机控制模块可灵活应用，根据不同的控制需求改变控制策略。

表1 控制字符与步进电机功能对应关系控制字符步进电机功能z正转f反转j加速s减速t停止
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组成前端数据采集系统，经串行通信将数据传给上位机进行分析和处理。

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，灵活应用于多种场合。

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。

参考文献
[1] 戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006.
[2] 杨金岩,郑应强.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[3] 李震,洪添胜.基于AVR单片机和PID算法的水温控制器[J].国外电子测量技术,2006,25(6):48-50.
[4] 邓焱,王磊.LabVIEW 7.1测试技术与仪器应用[M].北京:机械工业出版社,2005.。