步进电机在地沟清扫机器人中的应用

步进电动机在地沟清扫机器人中的应用刘振鹏，张为民，李景龙（济南工程职业技术学院机电系，山东济南250200）摘要：本文以AT89S51单片机为核心设计了地沟清扫机器人的DL-23MDC型步进电机的控制电路，详细描述了控制电路的硬件构成和工作原理。该步进电机具有步距角精确、控制电路结构简单等特点。关键词：AT89S51单片机；步进电机TheApplicationofTheSteppingMotorForRobotCleaningChannelLiu-ZhenpengZhang-weiminLi-Jinglong(JinanEngineeringVocationalTechnicalColleague)Abstract：TheelectrocircuitoftheDL-23MDCsteppingmotoroftherobotcleaningchanneltakinguseoftheAT89S51MicrocontrollerUnitisdesignedinthearticle.Thehardwarestructureandtheworkingprincipleofthesteppingmotorisdepicteddetailedlyinthearticle.Theprecisionofthestepangleofthesteppingmotorisveryhighanditsstructureoftheelectrocircuitisverysimple.Keywords：AT89S51MicrocontrollerUnit；steppingmotor1．引言地沟清扫机器人用于清扫厂矿企业中清扫人员不易进入的巷道，具有广阔的应用前景。机器人的运动方向的改变完全由DL-23MDC型步进电机来控制。本文首先介绍了DL-23MDC型步进电机的工作原理，然后给出了以AT89S51单片机为核心的步进电机的控制电路的设计。文给设计的步进电机的控制电路具有控制精度高、实现简单灵活等优点。[3]2．工作原理与硬件设计步进电机是一种利用电脉冲信号进行控制，并把此信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机，步进电机的转速与转向完全由输入的电脉冲信号决定。而电脉冲信号则是由智能芯片（本设计采用的智能芯片为AT89S51单片机）通过步进电机驱动器来提供。由此可见，在步进电动机的工作过程中，驱动器起着重要的作用。驱动器面板如图1所示：[4]在地沟清扫机器人的硬件设计中，单片机与步进电机驱动器面板上标号分别为CP-/CW-与U/D-/CCW-的两个接头相连，标号CP+与CP-分别表示在单脉冲工作模式下脉冲的正负输入端；U/D+与U/D-含义分别为在单脉冲工作模式下方向电平的正负输入端。由于在机器人的整个运行过程中步进电机的工作方式始终为单脉冲模式，而其他标号均为与双脉冲工作模式相关的标号，和机器人的整个工作过程无关，故不再赘述。[1]在地沟清扫机器人的运行过程中，步进电机的工作方式由AT89S51单片机的P0.3和P0.4两个端子所控制。P0.3端子通过2003芯片与步进电机的CP-/CW-接头相连，负责为步进电机提供频率稳定的电脉冲信号；P0.4端子通过2003芯片与步进电机的U/D-/CCW-接头相连，负责控制步进电机的转向，当P0.4端子输出高电平时，步进电机右转，送低电平时步进电机转动方向为向左。[2]————————————作者简介：刘振鹏（1979-）男，山东济南人，硕士，研究方向为控制理论与控制工程；图1：步进电机驱动器面板Fig.1Thepanelofthedriversofthesteppingmotor地沟清扫机器人的功能为打扫厂矿企业中清扫人员难以进入的巷道，但是在调试过程中难点却不是机器人的打扫动作，而是要使机器人根据需要进行不同方式的运动，因此机器人运动方向的改变就是一项非常重要的调试内容。地沟清扫机器人共使用了三个车轮，前方的一个车轮负责改变机器人的运动方向，而这个车轮状态完全由步进电机控制。步进电机固定在前轮的侧上方，其转轴控制的齿轮与控制前轮的齿轮相互啮合在一起，当转轴向某一方向转过一定角度时，便可带动前轮向相反方向转过相同的角度。下面以机器人的左拐弯动作为例来具体说明一下步进电机在控制机器人运动方式的过程中所起的作用。当机器人的测距传感器检测到左侧出现巷道，则机器人停止前进开始左拐弯。此时单片机控制P0.4端子输出高电平，确保步进电机右转，然后控制P0.3端子为步进电机提供一定数量的电脉冲信号，步进电机前轮就可以向左转过一定的角度；启动驱动电机，机器人就可以拐弯了。当机器人拐过90度的角度时，机器人再次停止运行，单片机控制P0.4端子输出低电平，确保步进电机左转，然后控制P0.3端子为步进电机提供相同数量的电脉冲信号，机器人的前轮就可以向右转过相同的角度实现方向回正，从而确保在巷道中直线前进。[5]3．步进电机的软件编程方式步进电机工作正常与否关键在于对其发送的方波脉冲频率是否恰当，虽然作用于步进电机的方波脉冲频率有一个最理想的理论数值，但是由于在实际应用中的误差，理论上的频率值有时并不是最合适的。经过多次实践证明：只有当方波频率为30.6Hz时，步进电机的性能才能达到最佳。在机器人的运行中，每一个运行环节步进电机应该转过多少角度应视具体情况来定。方波是由单片机P0口的P0.3管脚产生的，可以通过定时器中断获得，也可以通过软件延时获得。由于机器人的运行软件中要多次用到定时器，因此采用软件延时的方式来获得相应的方波。下面以机器人的左拐弯运动过程来具体说明步进电机的软件编程方式，步进电机控制机器人实现左拐弯的相关程序如下：[6]SETBP0.2;关驱动电机ACALLBJMC;调用步进脉冲子程序使前轮左转MOVA,#20HMOVTH1,#00HMOVTL1,#00H;赋定时器T1初值SETBTR1;启动定时器T1ZZQ:CLRP0.2;启动驱动电机JNB01H,ZZQ;若位01H为0,则反复执行CLRP0.2;为1;则往下执行CLRTR1CLRET1SETBP0.2;关驱动电机CLRP0.4;确定步进电机控制前轮右转回正ACALLBJMC;调用步进脉冲子程序使前轮回正其中，BJMC子程序为步进脉冲子程序，其功能为使P0.3端子上送出一系列频率为30.6Hz方波脉冲信号。机器人左拐弯的动作过程程序流程如下：[7]图2：机器人左拐弯程序流程图Fig.2Flowchartofleftturningoftherobot4．结束语地沟清扫机器人使用的是DL-23MDC型步进电机，在步进电机的控制下，机器人较好地实现了拐弯、倒车等各种不同的运动方式。该系统需要在以下方面进行进一步改进：有时步进电机旋转的时候会出现打滑，不能正确转过要求的角度。[8]赋定时器T1初值决定机器人拐弯时间发送方波脉冲，使步进电机控制前轮左转回正标志01H为1？YN开始、初始化步进电机前进开驱动电机关驱动电机关驱动电机P0.4清零，改变步进电机转向发送方波脉冲，使步进电机控制前轮右转回正参考文献：[1]马淑华、王凤文、张美金：单片机原理与接口技术.北京：北京邮电大学出版社，2005年10月[2]张淑清等：单片机原理及接口技术及其应用，北京：国防工业出版社，2001年[3]鲍可进：C8051F单片机原理及应用.北京:中国电力出版社.2006.1[4]何立民：单片机应用系统设计，北京：高等教育出版社，2001[5]朱玉玺、崔如春、邝小磊：计算机控制原理.北京：电子工业出版社，2008年12月[6]徐健民：汇编语言程序设计.北京：电子工业出版社，2007年6月[7]杨文显：汇编语言程序设计简明教程.北京：电子工业出版社，2009年3月[8]胡寿松：自动控制原理.北京：科学出版社，1994年5月投稿栏目：通信与信息技术通信地址：济南工程职业技术学院机电系电气教研室联系电话：0531-8638505115963122126