基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

袁煒 張寶 吳饒 薛永航 郝健

摘要：為了實現(xiàn)步進電機進行啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制。本設(shè)計以AT89C52單片機為控制器，設(shè)計了一種步進電機的控制系統(tǒng)。整體設(shè)計主要包括：驅(qū)動電路、液晶顯示模塊、物理按鍵、系統(tǒng)的編程調(diào)試。根據(jù)功能要求，編寫程序，進行了仿真，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠很好地控制電機啟停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速，具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：AT89C52;驅(qū)動電路;步進電機;仿真

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0214-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的調(diào)制電機，非常適合單片機控制[1]。廣泛應(yīng)用于生活的各個領(lǐng)域，步進電機的速度調(diào)節(jié)是其應(yīng)用的關(guān)鍵所在。然而，傳統(tǒng)電機調(diào)速是運用邏輯電路來完成的，調(diào)速復(fù)雜，昂貴耗時，可應(yīng)用范圍小。故基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)，利用軟件程序控制步進電機，調(diào)速簡單，低價高效，應(yīng)用廣泛，同時改變程序而改變控制方案，在一定的工業(yè)和生活場合均具有實用性價值。本系統(tǒng)實現(xiàn)的具體功能如下：控制電機正反停，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，至少實現(xiàn)三級調(diào)速功能[2]。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

基于AT89C52單片機控制系統(tǒng)方案中，通過硬件法和軟件法分配脈沖信號達(dá)到控制電機的通電換相變換控制[3]。接收脈沖信號后，步進電機按照原定方向以固定的角度轉(zhuǎn)動。在按鍵復(fù)位和時鐘電路中增加系統(tǒng)的交匯性，使其與外圍電路有機結(jié)合。通過液晶顯示將步進電機轉(zhuǎn)速等情況實時顯示，同時，根據(jù)實際工程的需要，增加的鍵盤來滿足電機的啟停、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速等其他功能。在軟件方面，依賴延時程序來控制，利用C語言編程調(diào)控脈沖的分配以及脈沖的上升沿與下降沿的通斷時間，完成對步進電動機的控制。使用編程語言，提高了電機控制的準(zhǔn)確性和有效性，避免了系統(tǒng)震蕩和失步[4]。圖1為設(shè)計控制系統(tǒng)的框架。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體電路圖

步進電機控制系統(tǒng)主要以AT89C52單片機為CPU、配合驅(qū)動電路、電源以及時鐘電路等幾部分。總體硬件電路如圖2所示。

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

采用L298N芯片對步進電動機進行驅(qū)動。L298N可提供高達(dá)2A輸出電流，工作電壓范圍寬，而且電路簡單，使用比較方便。邏輯控制部分均采用5v直流電壓，通過控制邏輯部分電平的高低，改變驅(qū)動電路提供給電機的電壓的大小和極性，從而改變電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速[5]。本次設(shè)計硬件電路部分的驅(qū)動電路如圖3所示，步進電機如圖4所示。

2.3 液晶顯示模塊設(shè)計

液晶顯示模塊使用LM016L，它是一種用來顯示字母、數(shù)字、符號等點陣型液晶模塊，具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能。將此模塊與單片機的外接引腳接口經(jīng)排阻連接[6]。如圖5所示，為此液晶模塊與單片機的連接電路圖。

2.4 物理按鍵電路設(shè)計

針對電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、速度上升和速度下降共設(shè)計了6個物理按鍵，按鍵與AT89C52單片機引腳接口采取上拉阻排的結(jié)構(gòu)來避免因誤操作造成外電路和單片機損壞，最終通過軟件編程來達(dá)到控制步進電動機的六種情況[7]。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，將該系統(tǒng)的軟件編程部分設(shè)計共包括以下幾個部分：AT98C52單片機運行主程序設(shè)計;物理按鍵掃描與中斷控制程序設(shè)計;液晶顯示模塊初始化程序設(shè)計;液晶顯示模塊顯示步進電動機狀態(tài)程序設(shè)計。

3.2 AT98C52單片機運行主程序設(shè)計

該部分主要任務(wù)是對單片機端口的設(shè)置、函數(shù)的定義并對一些管腳進行定義以及設(shè)置液晶顯示模塊的初始顯示值和字符等[8]。

系統(tǒng)工作主體框圖如圖6所示：

3.3 按鍵掃描與中斷控制程序設(shè)計

設(shè)計的6個獨立物理按鍵，分別對應(yīng)電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速六種動作狀態(tài)進行控制[9]。如圖7所示，為按鍵控制流程圖。

4 仿真及實現(xiàn)

采用Proteus軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真[10]，仿真效果完全符合要求，下面是電機啟動、電機反轉(zhuǎn)及電機加速等部分仿真結(jié)果。

4.1電機啟動仿真

按下“FOREWARD”按鈕，選擇電機轉(zhuǎn)動模式為正轉(zhuǎn)，按下“SPEEDUP”按鈕，選擇速度，按下“STAR”按鈕，啟動電機，圖8為電機正轉(zhuǎn)啟動仿真圖。

4.2 電機反轉(zhuǎn)仿真

按下“REVERSAL”按鈕，選擇電機轉(zhuǎn)動模式為反轉(zhuǎn)，按下“SPEEDUP”按鈕，選擇速度，按下“STAR”按鈕，圖9為電機的反轉(zhuǎn)仿真圖。

4.3 電機加速仿真

電機正常運行狀態(tài)下，按下“SPDDEUP”按鈕，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速增加。圖10為電機加速仿真圖。

5 總結(jié)

基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計，通過軟硬件配合實現(xiàn)了步進電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制，增強了對AT89C52單片機的理解和使用能力，掌握了驅(qū)動電路、顯示電路、案件電路的使用方法。另外，提升了程序編寫能力。該設(shè)計源于生活，應(yīng)用廣泛，具有較強實際參考價值。

參考文獻：

[1]牛慧佳.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，201 8，36（7）：11-12.

[2]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（22）：5-6，19.

[3]曹曼罡.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（6）：20，22.

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[5]楊永清，基于STM32和FPGA的多通道步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

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[7]付藝豪，許建明，李忠.基于單片機的步進電機系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2016（4）：149-150.

[8]韓亮.異步電機的閉環(huán)定位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].常州工學(xué)院學(xué)報，2016，29（3）：22-26.

[9]劉寶志.步進電機的精確控制方法研究[D].濟南：山東大學(xué)，2010.

[10]坂本正文，步進電機應(yīng)用技術(shù)[M].王自強，譯，北京：科學(xué)出版社，2010.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項目：淮南師范學(xué)院校級項目（2018xj30）;淮南師范學(xué)院2018年“支持百名優(yōu)秀學(xué)生課外科技實踐創(chuàng)新活動基金”項目（2018XS146）;淮南師范學(xué)院2019年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201810381005）

作者簡介：袁煒（1985-），男，安徽淮南人，助理實驗師，碩士，研究方向：信息識別與處理，電氣設(shè)備故障診斷與處理等。