步进电机遥控示教仪的设计

摘要：本文介绍了一种可同时显示X-Y步进电机的步进过程与动作轨迹图形的遥控示教仪器。该创新技术已获中国国家专利。文章给出了该仪器的总体设计构思和实现绘制步进电机

X-Y轨迹图形的硬件、软件设计，同时给出打印输出图形。

关键词：单片机；步进电机；遥控；示教仪；X-Y轨迹图形 Design of Stepping Motors Remote Control Demonstration Device

Abstract: A remote control demonstration device that shows stepping process and track graphic of X-Y stepping motors is introduced. The design conception as well as the hardware and software to actualize the purpose is demonstrated in the article. Meanwhile, printed graphics are provided. This innovative technique has been applied successfully and gained the authorization of China national patent.

Key words: single chip processor; stepping motor; remote control; demonstration device; X-Y track graphic 1 引言

步进电机是智能仪器仪表、机器人中必不可少的控制部件，其知识是大专院校自动化、计算机等相关专业课程的重要内容。但长期以来在进行单片机控制的步进电机实验时一直存在如下不足之处：

(1) 在相关课程的实验教学中，通常仅限于一维的单个步进电机实验。

(2) 在自行设计开发的单片机控制的二维步进电机实验中，分析输出轨迹图形需要Ｘ-Ｙ图形打印机，由于此类打印机价格比较贵，尚不具备这类打印机的情况下进行实验时，启

动程序后，只能通过几只LED（发光二极管）的亮与灭来观察其步进过程的“0”、“1”脉冲，非常抽象。

(3) 现尚无一种既能显示Ｘ-Ｙ步进电机每步动作，又同时显示绘制相应动作轨迹图形的示教仪。 2 总体设计构思

该项设计旨在克服上述教学与实验中存在的不足之处，而提供一种形象、直观的具有遥控功能的示教仪器，将其放在实验台或挂在黑板前进行教学，清晰、醒目、逼真。学生可在观察Ｘ-Ｙ步进电机每步动作的同时又（通过遥控）在电脑屏幕（或投影授课大屏幕）上观察到绘制其动作轨迹图形曲线，还可将轨迹图形曲线打印输出。既提高了教学质量又节省了设备开支。步进电机遥控示教仪的组成结构图，如图１所示。

步进电机 遥控示教仪 Y方 向 步 进 / 转 速 Y方向步X方向步进/转速 进指示盘 光电发射/接收器 X方向步 进指示盘 光电发射/接收器

单片机 (89C51) 驱动器 (MC1413) 授 课 大屏幕 投影仪 授 课 电 脑 光电发射/接收编码器 落笔/提笔信号 遥控接收器 遥控发射器 控制按键 落笔/提笔指示 图1 步进电机遥控示教仪的组成结构图 MC1413驱动器和改进的该仪器由单片机进行控制，实现控制的硬件电路主要由89C51、遥控鼠标器组成。

在仪器面板上装有分别与X、Y步进电机同轴的两个黑色码盘轮, 码盘轮与步进指示盘

同轴心连接，码盘轮位于光电发射管与光电接收管之间，码盘轮转动时，每经过一个相邻齿遮挡一次光电发射管的光线，同时光电接收管产生一个脉冲信号（用改进遥控鼠标器的方法实现），脉冲信号被送到光电发射/接收编码器后，通过串行接口到遥控发射器。遥控接收器将接收到的信号送到授课电脑，可通过授课电脑或授课大屏幕进行授课。 3 对遥控鼠标器的分析及改进方法 3.1 对遥控鼠标器的分析

步进电机遥控示教仪的技术关键是如何将步进电机的X-Y动作轨迹信号与落笔/提笔信号传送给PC机。由于采用了遥控鼠标器，所以，有必要对它的基本功能和结构进行分析。遥控鼠标器是PC类计算机的标准外围输入设备之一，它的基本功能是将手的移动转换为屏幕上的光标移动，将手指点击转换为点取。其工作原理是将鼠标在桌面或鼠标板上的移动分解为X，Y方向的屏幕坐标的移动。

常用的机械遥控鼠标器内部结构是由橡胶球摩擦带动X(水平)、Y(垂直)方向移动的圆柱，在圆柱的一端有一类似齿轮的黑色码盘轮，码盘轮位于光电发射管与光电接收管之间，码盘轮转动每经过一个相邻齿，遮挡一次光电发射管的光线，同时光电接收管产生一个脉冲信号。脉冲个数的增加意味着鼠标滑动距离的增加，码盘轮的旋转方向决定了鼠标的移动方向。

3.2 对遥控鼠标器的改进方法

通过上述对遥控鼠标器的分析可知，步进电机与遥控鼠标器都是将电脉冲信号转换成相应的角位移（或线位移）信号。如果将X、Y方向的步进电机轴分别对应连接到鼠标器的X、Y码盘轮轴上，以步进电机轴代替原连接码盘轮的圆柱，即可实现控制鼠标的移动方向。

值得注意的是，步进电机的步距角必须与码盘轮齿间距角相等，这样才能保证步进电机旋转一步，码盘轮转动一个齿，恰好产生一个脉冲信号。该仪器中步进电机的步距角为3°，码盘轮齿数应为:

360°÷3°= 120(个) (1)

遥控鼠标器的前部有两个或多个按键，将其左键的微动开关信号引出，作为WinXX附件的“画图”界面中的落笔/提笔信号。 4 实现绘制步进电机Ｘ-Ｙ轨迹图形的设计 4.1 硬件设计

单片机控制的绘制步进电机X-Y轨迹图形硬件电路原理图,如图2所示。

89C51的P1.6口通过MC1413驱动器控制干簧继电器线圈，干簧继电器的触点连接到遥控鼠标器的左键的微动开关，用来控制左键的导通或者关断，即实现落笔/提笔功能。89C51的P1.0-P1.2为X方向步进电机φ1-φ3 的控制驱动信号；89C51的P1.3-P1.5为Y方向步进电机φ1-φ3 的控制驱动信号。MC1413为反相驱动器芯片，当89C51的P1.0-P1.6某输入端为“1”时，其对应的输出端为“0”，则对应该相的步进电机线圈或干簧继电器线圈导通。图中R1-R7为步进电机每相及干簧继电器线圈的限流电阻；MC1413驱动器 IC中的二极管起到对步进电机线圈中的反电势的释放作，以保护步进电机和驱动器IC不受损坏。 4.2 软件设计

采用MCS-51汇编语言设计编写的绘制步进电机X-Y轨迹图形的图形示教库主程序流程图，如图3所示。

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 1 2 3 4 5 6 7 IN1 1 IN2 2 IN3 3 IN4 4 IN5 5 IN6 6 IN7 7 9 16 OUT1 15 OUT2 14 OUT3 13 OUT4 12 OUT5 11 OUT6 10 OUT7 VCC R1 R2 R3 C (φ3) A (φ1) B (φ2) VCC X方向步进电机

步进长度及控制代码存于图形库TAB1-TABN（N=1-10，本例N=2）之一中，改变控制代码表首地址，即可得到不同的轨迹图形。控制代码存于图形库的代码表中，通过89C51的P1.0-P1.6将X-Y方向步进电机的控制驱动信号及落笔/提笔信号送到MC1413驱动器的输入端。延时子程序（略）延时系数的大小决定步进电机转速或画图速度的快慢。本例可在WinXX附件的“画图”界面中清楚地看到画笔在x、y第二象限绘制1/4逆椭圆轨迹图形的过程。图4为程序执行后在Win98附件的“画图”界面中绘制的x、y第二象限1/4逆椭圆轨迹打印图形。为了便于观察，附加了虚线构成的x、y坐标线，起点坐标(0,20),终点坐标(-40,0)。对于数机床插补软件程序的绘图示教同样适用。

(-40,0) A 开 始 A 落笔信号→P1.6 调延时子程序 调延时子程序 步进长度→TAB2 清偏移值计数器 步进长度→A 建控制代码表首址 代码表偏移值→A 代码表首址+偏移值→A 控制代码→P1口 N 偏移值计数器增1 轨迹图形画完? Y 提 笔 结 束 图3 图形示教库主程序流程图

y (0,20) 0 x 图4 步进电机Ｘ-Ｙ轨迹1/4逆椭圆打印图形

5 功能与特点

该仪器具有如下功能与特点： (1) 可实现Ｘ-Ｙ二维步进电机实验。

(2) 可实现步进电机的步进、转速LED数码显示。

(3) 可实现步进电机Ｘ-Ｙ轨迹的PC机图形显示、打印，且省去了Ｘ-Ｙ图形打印机。 (4) 具有多种图形和汉字的软件示教库。 (5) 与PC机通信采用遥控方式。

(6) 支持486以上PC电脑及Win95以上操作系统。 (7) 使用灵活，平放与壁挂方式任选。 (8) 可与投影仪连接进行教学。 6 结束语

“步进电机遥控示教仪”已获中国国家专利（专利号：ZL02294750.7）。该仪器的创新点：在观察Ｘ-Ｙ步进电机每步动作的同时又（通过遥控）在电脑屏幕（或投影授课大屏幕）上观察到绘制其动作轨迹图形曲线。还可将轨迹图形曲线打印输出，既提高教学质量又节省设备开支。 参考文献

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