基于AT89S52單片機的步進電動機控制模塊設計

摘 要：文章設計了一種步進電動機控制系統(tǒng)，使用AT89S52單片機控制2相步進電機，由單片機產(chǎn)生驅動脈沖信號，通過按鍵控制步進電機的啟停和步進方向，可根據(jù)實際需要對單片機進行編程，并通過Proteus仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真和測試。

關鍵詞：AT89S52單片機；步進電動機；控制

引言

步進電動機是將電脈沖激勵信號轉換成相應的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。步進電動機實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機由單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機由多相方波脈沖驅動，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。當向脈沖分配器輸入一個脈沖時，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。在非超載的情況下，電動機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電動機加一個脈沖信號，電動機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電動機只有周期性的誤差而無累計誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電動機來控制變得非常簡單。

本研究利用AT89S52單片機的四路I/O通道實現(xiàn)環(huán)形脈沖的分配，控制步進電動機勻速、連續(xù)的按固定方向轉動，通過按鍵控制步進電動機的旋轉角度。

1 系統(tǒng)設計

用AT89S52單片機來作為整個步進電動機控制系統(tǒng)的核心部件，其系統(tǒng)設計總框圖如圖1所示。真?zhèn)€系統(tǒng)包括單片機最小系統(tǒng)、電機驅動模塊、獨立按鍵模塊等。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

1.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)主要負責產(chǎn)生控制步進電動機轉動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比，步進電機轉動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉動的方向與輸出的脈沖順序有關。

1.2 電機驅動模塊

電機驅動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大 ，從而驅動電機工作。步進電機驅動方法主要有恒電壓驅動方式、恒電流斬波驅動方式、細分驅動和集成電路驅動。設計中采用集成驅動芯片ULN2003A構成整個驅動電路，它是由七對達林頓管組成的，是集電極開路輸出的功率反相器，并且每個輸出端都有一個連接到共同端（COM）的二極管，為斷電后的電機繞組提供一個放電回路，起放電保護作用。因此，ULN2003A 非常適合驅動小功率的步進電機。

單片機的P2.0-P2.3輸出的脈沖信號送到ULN2003A的1B-4B 輸入端，經(jīng)ULN2003A 放大和倒相后的輸出脈沖信號來驅動步進電機作相應的動作。ULN2003A的 COM 端和步進電機的 COM1、COM2 連接到 VCC。ULN2003A驅動步進電機模塊原理圖如圖2所示。

1.3 按鍵控制模塊

鍵盤主要用來提供人機接口，電路如圖3所示，采用獨立式按鍵電路 ，各按鍵開關均采用了上拉電阻，保證在按鍵斷開時，各I/O 有確定的高電平。二極管IN4148作為高頻信號高速開關，當按下鍵盤時最大反向恢復時間小，保證在按鍵斷開時，各I/O 有確定的低電平。

1.4 串口通信模塊

串口通信模塊主要負責計算機與單片機之間的通信，將在計算機里面編好的程序下載到單片機芯片當中，通過RS232串口進行連接，實現(xiàn)計算機與單片機的良好通訊。

2 控制方法

本設計中的步進電動機采用的是2相6線式，其勵磁方式為半步勵磁（又稱1～2相勵磁），1相與2相輪流交替導通，每送一勵磁信號可走90。若以1相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如表1所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。

表1 正轉勵磁順序：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A

單片機控制電路如圖3所示，用兩個按鍵非別控制步進電動機正傳和反轉，當“正轉”（Positive）鍵按下時，單片機的P1.3到P1.0口按正向勵磁順序A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A輸出電脈沖，電動機正轉；當“反轉”（Negative）鍵按下時，單片機的P1.3到P1.0口按反向勵磁順序A→DA→D→CD→C→BC→B→AB→A輸出電脈沖，電動機反轉。

3 系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序設計為C語言，主要包括脈沖信號發(fā)生、鍵盤的識別處理等。主程序流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)仿真

使用Proteus的波形分析功能，可以分析按下一個鍵以后單片機的驅動信號輸出，這里仿真按下正轉按鈕的波形，分析如圖5所示。從波形可以看出，步進電動機的驅動序列為：0010、0110、1100、1000、1001、0001、0011、0010…與設計思想吻合。

4 結束語

基于AT89S52單片機的步進電動機控制模塊具有電路簡單可靠、控制方便、成本低等有點。實現(xiàn)了可程序設定步進方向、步進角，該設計靈活度高、有較強的編程性。

參考文獻

[1]周潤景.徐宏偉.丁莉.單片機電路設計、分析與制作[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]胡啟明.葛祥磊.Proteus從入門到精通100例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]陳桂順.包曄峰.單明東.蔣永鋒.基于PIC單片機的步進電機運動控制器[J].電焊機，2011，41（4）53-56.

[4]趙曉光.李建初.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究[J].高科技產(chǎn)品研發(fā)，2013，（3）：80-81.

[5]盧超.基于Proteus的步進電機控制系統(tǒng)仿真設計[J].實驗室研究與探索，2010，6（6）：54-57.

作者簡介：明立娟，女，云南騰沖人，學歷：工程碩士，職稱：講師。endprint

摘 要：文章設計了一種步進電動機控制系統(tǒng)，使用AT89S52單片機控制2相步進電機，由單片機產(chǎn)生驅動脈沖信號，通過按鍵控制步進電機的啟停和步進方向，可根據(jù)實際需要對單片機進行編程，并通過Proteus仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真和測試。

關鍵詞：AT89S52單片機；步進電動機；控制

引言

步進電動機是將電脈沖激勵信號轉換成相應的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。步進電動機實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機由單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機由多相方波脈沖驅動，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。當向脈沖分配器輸入一個脈沖時，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。在非超載的情況下，電動機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電動機加一個脈沖信號，電動機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電動機只有周期性的誤差而無累計誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電動機來控制變得非常簡單。

本研究利用AT89S52單片機的四路I/O通道實現(xiàn)環(huán)形脈沖的分配，控制步進電動機勻速、連續(xù)的按固定方向轉動，通過按鍵控制步進電動機的旋轉角度。

1 系統(tǒng)設計

用AT89S52單片機來作為整個步進電動機控制系統(tǒng)的核心部件，其系統(tǒng)設計總框圖如圖1所示。真?zhèn)€系統(tǒng)包括單片機最小系統(tǒng)、電機驅動模塊、獨立按鍵模塊等。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

1.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)主要負責產(chǎn)生控制步進電動機轉動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比，步進電機轉動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉動的方向與輸出的脈沖順序有關。

1.2 電機驅動模塊

電機驅動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大 ，從而驅動電機工作。步進電機驅動方法主要有恒電壓驅動方式、恒電流斬波驅動方式、細分驅動和集成電路驅動。設計中采用集成驅動芯片ULN2003A構成整個驅動電路，它是由七對達林頓管組成的，是集電極開路輸出的功率反相器，并且每個輸出端都有一個連接到共同端（COM）的二極管，為斷電后的電機繞組提供一個放電回路，起放電保護作用。因此，ULN2003A 非常適合驅動小功率的步進電機。

單片機的P2.0-P2.3輸出的脈沖信號送到ULN2003A的1B-4B 輸入端，經(jīng)ULN2003A 放大和倒相后的輸出脈沖信號來驅動步進電機作相應的動作。ULN2003A的 COM 端和步進電機的 COM1、COM2 連接到 VCC。ULN2003A驅動步進電機模塊原理圖如圖2所示。

1.3 按鍵控制模塊

鍵盤主要用來提供人機接口，電路如圖3所示，采用獨立式按鍵電路 ，各按鍵開關均采用了上拉電阻，保證在按鍵斷開時，各I/O 有確定的高電平。二極管IN4148作為高頻信號高速開關，當按下鍵盤時最大反向恢復時間小，保證在按鍵斷開時，各I/O 有確定的低電平。

1.4 串口通信模塊

串口通信模塊主要負責計算機與單片機之間的通信，將在計算機里面編好的程序下載到單片機芯片當中，通過RS232串口進行連接，實現(xiàn)計算機與單片機的良好通訊。

2 控制方法

本設計中的步進電動機采用的是2相6線式，其勵磁方式為半步勵磁（又稱1～2相勵磁），1相與2相輪流交替導通，每送一勵磁信號可走90。若以1相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如表1所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。

表1 正轉勵磁順序：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A

單片機控制電路如圖3所示，用兩個按鍵非別控制步進電動機正傳和反轉，當“正轉”（Positive）鍵按下時，單片機的P1.3到P1.0口按正向勵磁順序A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A輸出電脈沖，電動機正轉；當“反轉”（Negative）鍵按下時，單片機的P1.3到P1.0口按反向勵磁順序A→DA→D→CD→C→BC→B→AB→A輸出電脈沖，電動機反轉。

3 系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序設計為C語言，主要包括脈沖信號發(fā)生、鍵盤的識別處理等。主程序流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)仿真

使用Proteus的波形分析功能，可以分析按下一個鍵以后單片機的驅動信號輸出，這里仿真按下正轉按鈕的波形，分析如圖5所示。從波形可以看出，步進電動機的驅動序列為：0010、0110、1100、1000、1001、0001、0011、0010…與設計思想吻合。

4 結束語

基于AT89S52單片機的步進電動機控制模塊具有電路簡單可靠、控制方便、成本低等有點。實現(xiàn)了可程序設定步進方向、步進角，該設計靈活度高、有較強的編程性。

參考文獻

[1]周潤景.徐宏偉.丁莉.單片機電路設計、分析與制作[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]胡啟明.葛祥磊.Proteus從入門到精通100例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]陳桂順.包曄峰.單明東.蔣永鋒.基于PIC單片機的步進電機運動控制器[J].電焊機，2011，41（4）53-56.

[4]趙曉光.李建初.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究[J].高科技產(chǎn)品研發(fā)，2013，（3）：80-81.

[5]盧超.基于Proteus的步進電機控制系統(tǒng)仿真設計[J].實驗室研究與探索，2010，6（6）：54-57.

作者簡介：明立娟，女，云南騰沖人，學歷：工程碩士，職稱：講師。endprint

摘 要：文章設計了一種步進電動機控制系統(tǒng)，使用AT89S52單片機控制2相步進電機，由單片機產(chǎn)生驅動脈沖信號，通過按鍵控制步進電機的啟停和步進方向，可根據(jù)實際需要對單片機進行編程，并通過Proteus仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真和測試。

關鍵詞：AT89S52單片機；步進電動機；控制

引言

步進電動機是將電脈沖激勵信號轉換成相應的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。步進電動機實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機由單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機由多相方波脈沖驅動，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組。當向脈沖分配器輸入一個脈沖時，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。在非超載的情況下，電動機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電動機加一個脈沖信號，電動機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電動機只有周期性的誤差而無累計誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電動機來控制變得非常簡單。

本研究利用AT89S52單片機的四路I/O通道實現(xiàn)環(huán)形脈沖的分配，控制步進電動機勻速、連續(xù)的按固定方向轉動，通過按鍵控制步進電動機的旋轉角度。

1 系統(tǒng)設計

用AT89S52單片機來作為整個步進電動機控制系統(tǒng)的核心部件，其系統(tǒng)設計總框圖如圖1所示。真?zhèn)€系統(tǒng)包括單片機最小系統(tǒng)、電機驅動模塊、獨立按鍵模塊等。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

1.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)主要負責產(chǎn)生控制步進電動機轉動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉動的角度大小與單片機輸出的脈沖數(shù)成正比，步進電機轉動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉動的方向與輸出的脈沖順序有關。

1.2 電機驅動模塊

電機驅動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大 ，從而驅動電機工作。步進電機驅動方法主要有恒電壓驅動方式、恒電流斬波驅動方式、細分驅動和集成電路驅動。設計中采用集成驅動芯片ULN2003A構成整個驅動電路，它是由七對達林頓管組成的，是集電極開路輸出的功率反相器，并且每個輸出端都有一個連接到共同端（COM）的二極管，為斷電后的電機繞組提供一個放電回路，起放電保護作用。因此，ULN2003A 非常適合驅動小功率的步進電機。

單片機的P2.0-P2.3輸出的脈沖信號送到ULN2003A的1B-4B 輸入端，經(jīng)ULN2003A 放大和倒相后的輸出脈沖信號來驅動步進電機作相應的動作。ULN2003A的 COM 端和步進電機的 COM1、COM2 連接到 VCC。ULN2003A驅動步進電機模塊原理圖如圖2所示。

1.3 按鍵控制模塊

鍵盤主要用來提供人機接口，電路如圖3所示，采用獨立式按鍵電路 ，各按鍵開關均采用了上拉電阻，保證在按鍵斷開時，各I/O 有確定的高電平。二極管IN4148作為高頻信號高速開關，當按下鍵盤時最大反向恢復時間小，保證在按鍵斷開時，各I/O 有確定的低電平。

1.4 串口通信模塊

串口通信模塊主要負責計算機與單片機之間的通信，將在計算機里面編好的程序下載到單片機芯片當中，通過RS232串口進行連接，實現(xiàn)計算機與單片機的良好通訊。

2 控制方法

本設計中的步進電動機采用的是2相6線式，其勵磁方式為半步勵磁（又稱1～2相勵磁），1相與2相輪流交替導通，每送一勵磁信號可走90。若以1相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如表1所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。

表1 正轉勵磁順序：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A

單片機控制電路如圖3所示，用兩個按鍵非別控制步進電動機正傳和反轉，當“正轉”（Positive）鍵按下時，單片機的P1.3到P1.0口按正向勵磁順序A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A輸出電脈沖，電動機正轉；當“反轉”（Negative）鍵按下時，單片機的P1.3到P1.0口按反向勵磁順序A→DA→D→CD→C→BC→B→AB→A輸出電脈沖，電動機反轉。

3 系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序設計為C語言，主要包括脈沖信號發(fā)生、鍵盤的識別處理等。主程序流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)仿真

使用Proteus的波形分析功能，可以分析按下一個鍵以后單片機的驅動信號輸出，這里仿真按下正轉按鈕的波形，分析如圖5所示。從波形可以看出，步進電動機的驅動序列為：0010、0110、1100、1000、1001、0001、0011、0010…與設計思想吻合。

4 結束語

基于AT89S52單片機的步進電動機控制模塊具有電路簡單可靠、控制方便、成本低等有點。實現(xiàn)了可程序設定步進方向、步進角，該設計靈活度高、有較強的編程性。

參考文獻

[1]周潤景.徐宏偉.丁莉.單片機電路設計、分析與制作[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]胡啟明.葛祥磊.Proteus從入門到精通100例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]陳桂順.包曄峰.單明東.蔣永鋒.基于PIC單片機的步進電機運動控制器[J].電焊機，2011，41（4）53-56.

[4]趙曉光.李建初.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究[J].高科技產(chǎn)品研發(fā)，2013，（3）：80-81.

[5]盧超.基于Proteus的步進電機控制系統(tǒng)仿真設計[J].實驗室研究與探索，2010，6（6）：54-57.

作者簡介：明立娟，女，云南騰沖人，學歷：工程碩士，職稱：講師。endprint