基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計研究

牛慧佳

摘要：本文介紹了該系統(tǒng)總體設(shè)計方案，以及步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，研究了步進電機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，分析了主程序設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試。

關(guān)鍵詞：步進電機；單片機；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP368.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0011-02

步進電機又稱脈沖電動機或階躍電動機，是通過脈沖的方式進行工作，其結(jié)構(gòu)是由定子和轉(zhuǎn)子組成的，線圈中每輸入一個電脈沖信號，電流流過定子繞組時產(chǎn)生的矢量磁場就會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，當(dāng)輸入連續(xù)脈沖信號時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而使步進電機旋轉(zhuǎn)。早期的步進電機控制系統(tǒng)存在線路復(fù)雜，體積大，可靠性差，成本高，且低性能的單片機步進電機控制器抗干擾能力較差等問題。因此，利用單片機AT89C51能夠?qū)崿F(xiàn)對步進電機的智能化控制，同時，降低成本，提高工作的可靠性增強通用性。

本文通過對該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、步進電機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、主程序設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試分析進行系統(tǒng)的描述，設(shè)計了一套以單片機AT89C51作為控制核心，采用驅(qū)動電路UNL2003，并選用液晶12864對其結(jié)果進行顯示的步進電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)即使在脫離PC機的狀況下也能正常工作，具有良好的人機交互機制，大大提高了系統(tǒng)的整體可用性。本設(shè)計采用C語言進行單片機程序編寫，實現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計，增強了程序代碼的可讀性，從而，實現(xiàn)步進電機的控制功能。

1 總體設(shè)計方案

該步進電機控制系統(tǒng)采用一片ATMEL公司的AT89C51單片機作為本系統(tǒng)的核心運算器件，實時把電機狀態(tài)和轉(zhuǎn)速通過LCD液晶顯示器顯示出來，并結(jié)合軟件來控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、定轉(zhuǎn)圈數(shù)。同時還可以在運行過程中，利用鍵盤輸入步進電機將要工作的速度、圈數(shù)及方向等數(shù)據(jù)，來達到脫離PC的情況下，該系統(tǒng)還可以正常工作的目的。

2 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)介紹

步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)劣主要受步進電機本身、電機驅(qū)動器和電機控制器三個因素的影響。首先，步進電機本身的優(yōu)劣表現(xiàn)在相同的時間內(nèi)電能損耗和溫度的提升，根據(jù)焦耳定律公式：Q=I2Rt，可以分析出在相同的電機線圈電阻和時間的情況下，電流決定了電能的損耗和溫度的提升，所以分析電流的變化已變成該因素的重點，而電機本身線圈繞組在電路中可以等效為一個電阻和一個電感的串聯(lián)電路，根據(jù)在一個由電源、開關(guān)、電機（電感和電阻）組成的等效電路中，分析電機（電感和電阻）電路中電氣特性可得到：在t=0時，電源電壓V施加到等效電路上時，等效電路總電流變化規(guī)律為：I（t）=V（1-e-Rt/L）/R，在電流沒有達到最大值前電流上升速率為：，而經(jīng)過一段時間，電流達到最大值：Imax=V/R，L/R定義為該等效電路上升和下降時的時間常數(shù)，是電流在電路中達到最大電流Imax的一個百分比常數(shù)所需要的時間。在t等于電流達到最大值時的時間t1，電流開始減小的過程中，電路中的電流變化規(guī)律為：I（t）=Ve-R（t-t1）/L/R，通過公式可以分析出步進電機本機的損耗、溫度提升與繞組的電流成正比。其次，電機驅(qū)動器包括：控制步進電機各相勵磁繞組截止或?qū)ㄐ盘柕倪壿嬁刂齐娐罚粸殡姍C控制繞組提供輸入電流，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的功率驅(qū)動電路；電路出現(xiàn)故障時，為迅速停止驅(qū)動器和電機工作的保護電路和電源。最后，電機控制器主要發(fā)生步進脈沖和方向信號，來控制電機轉(zhuǎn)速的的高低、升速或降速、啟動或停止及電機的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)[1]。

本設(shè)計采用AT89C51單片機為硬件電路設(shè)計的核心控制步進電機，可以從鍵盤輸入步進電機相關(guān)數(shù)據(jù)，步進電機根據(jù)這些數(shù)據(jù)來進行工作，實時對步進電機工作方式進行設(shè)置，并且可通過通信電路將接收到的數(shù)據(jù)來控制電機的運行，具有實時性和交互性的特點。硬件電路主要包括步進電機驅(qū)動器、鍵盤顯示電路、PC機通信電路和數(shù)據(jù)存儲器。

3 步進電機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計單片機的應(yīng)用系統(tǒng)、電機驅(qū)動及顯示電路，設(shè)計單片機的步進電機控制系統(tǒng)的硬件電路，如圖1所示[2]。

4 主程序設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試分析

主程序設(shè)計主要包括鍵盤子程序、正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計和轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計，程序分別作用于下位機系統(tǒng)、鍵盤、液晶12864初始化，初始化程序執(zhí)行完成后開啟串口中斷，與此同時對鍵盤值進行掃描，根據(jù)掃描的具體功能鍵值，判斷是那個功能鍵按下。之后根據(jù)收到的操作指令進入某個功能子程序。后面如果運行正常，將循環(huán)進行以上操作[3]。

為了驗證本設(shè)計主要功能實現(xiàn)情況，特別對系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進行實際的測試。主要是通過硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個方面來進行，硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試兩部分，軟件調(diào)試可直接在編寫模塊程序時使用proteus軟件調(diào)試，并且下位機軟件調(diào)試采用單片機仿真器WAVE6000L及微機。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)可以通過上位機精確地控制步進電機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，使系統(tǒng)具有更好的人機界面和通用性。同時基于單片機AT89C51作為控制核心的系統(tǒng)實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合，降低了成本，簡化了電路，通過液晶12864顯示和步進電機驅(qū)動器，配合軟件實時的控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。與此同時也可以脫離上位機工作，由鍵盤發(fā)出命令，控制步進電機的轉(zhuǎn)向、步數(shù)和轉(zhuǎn)速，并由LCD顯示相關(guān)的轉(zhuǎn)動信息。

參考文獻

[1]田聰，蘇暢.基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測試，2017，（11x）：5-6+19.

[2]魏印龍，張向陽，孔令揚.基于AT89C51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科技廣場，2016，（8）：184-189.

[3]藍和慧，寧武，閆曉金.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽單片機應(yīng)用技能精解[M].電子工業(yè)出版社，2009.