基于單片機的步進電機位置控制與實現

王語園

摘 要：采用單片機控制步進電機到達預設定位置的系統是由AT89C51單片機系統、ULN2003集成驅動電路和LM016L顯示電路3部分組成的。步進電動機位置控制可以通過軟件編程來實現，在不改變硬件電路的條件下，通過改變程序來實現對步進電機的不同控制要求。電路中設有鍵盤控制，可以通過鍵盤輸入步進電機需要的轉動圈數和步數來控制步進電機轉動，還可以實時控制步進電機的方向，具有精確性和可視性的特點。

關鍵詞：單片機；步進電機；位置控制；軟件編程

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.121

電動機控制技術的發展速度非常快，以單片機為主的微處理器逐漸取代了模擬電路控制，逐步朝著全數字控制的方向發展。隨著步進電機技術的提高和數字化技術的發展，步進電機的應用領域越來越廣。

1 方案分析與確定

這項設計使用單片機AT89C51作為系統的控制核心，用達林頓晶體管集成IC ULN2003作為驅動放大器件，由單片機輸出的脈沖信號的高低電平來控制步進電機，并通過控制程序實現位置控制的目的。

1.1 系統框圖

用單片機控制步進電機到達預設定位置的系統如圖1所示。

1.2 驅動電路的選擇

驅動直接采用的是ULN2003，而ULN2003是達林頓結構，是一種繼電器驅動芯片，飽和壓降VCE 約為1 V，輸出端允許通過的IC電流為500 mA，耐壓BVCEO 約為36 V。這些參數都是用戶輸出口外接負載估算的依據。

1.3 單片機系統與驅動器之間的接口和方向控制

利用單片機系統控制步進電機，控制方式采用并行控制。單片機控制系統按照電動機旋轉速度的要求從CP脈沖控制線發出相應周期間隔的脈沖串，利用發出周期漸增或漸減的脈沖串來控制電機加速或減速，通過停止發脈沖實現狀態鎖定，進而實現對步進電機速度的控制。電動機方向的控制是通過方向電平控制線實現的，當電動機需要正向旋轉時，其電平為“0”，環形分配器按正方向分配脈沖；當電動機需要反方向旋轉時，其電平為“1”，環形分配器按照反方向分配脈沖。

2 系統的硬件設計

2.1 步進電機

當步進電機沒有超載時，脈沖信號的頻率和脈沖數控制著電機的轉速和停止位置，即給步進電機加1個脈沖信號，電機就會轉過1個步距角。混合式步進電機具有反應式和永磁式的優點，包括五相和兩相2種形式——兩相步進角一般為1.8°，五相步進角一般為0.72°。這種步進電機的應用最廣泛，本方案選用的就是這種步進電機。

2.2 AT89C51單片機

AT89C51單片機制造技術采用ATMEL高密度非易失存儲器，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51單片機的P1口是一個雙向I/O口，其中，P1.2～P1.7口內部提供了上拉電阻，P1.0、P1.1需要外部上拉，而P3口是7個帶有內部上拉電阻的雙向口。

2.2.1 振蕩器特性

反向放大器的輸入和輸出分別為XTAL1和XTAL2，片內振蕩器可以通過該反向放大器進行配置。XTAL2不接時，表示采用外部時鐘源驅動。

2.2.2 芯片擦除

使ALE管腳處于低電平10 ms，同時，正確的控制信號組合可以完成整個PEROM陣列和3個鎖定位的電擦除。

2.3 系統硬件電路設計

實驗硬件電路連接圖包括3部分，即AT89C51單片機系統、Uln2003集成驅動電路和LM016L顯示電路。單片機具有較強的控制能力，步進電動機的位置控制可通過軟件編程實現，可以在不改變硬件電路的條件下，通過改變程序來實現對步進電機不同位置的控制。在電路中設有鍵盤顯示電路，步進電機相關數據可以通過鍵盤輸入。這時，步進電機根據這些數據來工作，以控制電機的位置。按鍵開關從上到下標為P1、P2、P3、P4和 P5。P1控制電機狀態（正轉、停止、反轉、停止），P2設置圈數，P3設置步數，P4為加1鍵，P5為減1鍵。對于顯示部分，LM016L液晶顯示電機的轉動狀態以及轉動的圈數和步數。

3 系統的軟件設計

3.1 程序主流程圖

該系統的程序主流程如圖2所示。

如圖2所示，當程序運行后，先調用初始化程序清零寄存器，然后調用控制程序發送控制信息，再調用驅動程序驅動數碼管顯示和電機轉動，從而實現對電機轉動位置的控制。

3.2 控制流程圖

該系統的控制流程如圖3所示。

程序開始運行后，電機通電，按P1鍵，調用驅動程序電機準備開始轉動，再調用顯示程序顯示電機的圈數和步數。與此同時，系統開始判斷P2是否按下，如果P2按下，則調用設置圈數程序按鍵P4、P5設置圈數，然后電機正轉，否則無動作。P3按下后，調用設置步數程序按鍵P4、P5設置步數，否則無動作。當P1再次被按下時，調用反向程序，再次設置圈數、步數，這時電機反轉，否則無動作。當再次按下P1時，電機停止轉動，數碼管無顯示，否則無動作。

4 結束語

步進電機位置控制的應用設計選擇了ATMEL公司生產的AT89C51單片機。通過軟件程序編制，利用單片機AT89C51控制UNL2003芯片實現了對步進電機位置的驅動和控制。這種控制方法電路簡單，大大降低了生產成本，同時，也為類似的設計提供了參考。

參考文獻

[1]朱紅，李穎，韓冰，等.電子技術綜合實驗[M].成都：電子科技大學出版社，2009：78-80.

[2]黃智偉.全國電子設計競賽制作實訓[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：56-57.

[3]張學琴.工業語音報警系統的設計[J].廣西民族學院學報，2003，5（4）：60-62.

[4]李杰.89C2051驅動LED數碼管的方法[J].電子世界，2007，7（11）：35-36.

〔編輯：白潔〕

Position Control and Realization of Stepping Motor based on Single Chip Microcomputer

Wang Yuyuan

Abstract： The use of single-chip microcomputer control stepper motor to reach the preset position of the system is composed of AT89C51 microcontroller system， ULN2003 integrated driver circuit and LM016L display circuit 3 parts. The position control of stepping motor can be realized by software programming. In the condition of not changing the hardware circuit， the different control requirements of the stepping motor can be realized by changing the program. In the circuit is arranged to control the keyboard， through the keyboard input of the stepper motor rotating circle number and the number of steps needed to control the stepper motor rotation， the real-time control of the stepper motor in the direction， has the characteristics of accuracy and visibility. Key words： single chip microcomputer； stepping motor； position control； software programming

文章編號：2095-6835（2015）19-0122-02