基于單片機控制的步進電機可視控制器

楊清泉

摘要：本文通過對步進電機基本結構、工作原理的分析，利用AT89C51單片機最小系統，價格低、技術成熟的特點，結合地址存儲芯片、多位數碼管等，開發基于單片機控制的步進電機可視控制器，該控制器具有價格低廉、技術成熟、控制可靠，體積小、質量輕的特點，特別適合學生實習、教學等環節使用。

關鍵詞：單片機，步進電機，調速，速度顯示

中圖分類號：TM383.6;TP368.1?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）12-0046-02

前言：單片機是指集成在一快芯片上的完整計算機系統。它擁有：CPU、內存、內部和外部總線系統，目前大部分還會具有內存。同時集成諸如通訊接口、定時器、實時時鐘等外圍設備。

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的控制微電機，其機械角位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數和脈沖頻率成比例。

通過改變電脈沖頻率，可在大范圍內進行調速。同時，該電機還能快速起動、制動、反轉和自鎖。此外，因為步進電機不需要A/D轉換，能夠直接將數字脈沖信號轉化成為角位移，所以被認為是理想的執行元件。目前，在數控生產等應用領域，有三分之二以上采用的是步進電機作為伺服控制系統的控制電機的。因此，如何改善步進電機的控制方法以提高定位系統的定位精度，成為提高系統性能的關鍵所在。

由于51單片機的價格比較低，所以采用單片機作為步進電機的控制器可以免去單獨購買步進電機控制器高昂的價格。單片機驅動步進電機可以簡化一些復雜的電路連接，提高了可靠性的同時也降低了成本，后期維護也較為簡單。擴展性比較強，需要擴展更多功能時，可通過修改控制程序達到目的。因此，通過本文，掌握單片機步進電機控制器電路設計方法;掌握單片機步進電機控制器編程方法，對機電一體化系統的開發和應用有著重要意義。

1 單片機基本結構

單片機由運算器、控制器、寄存器等單元組成。

2 四相步進電機工作模式

四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度

3 方案設計

3.1主要實現功能。

（1）通過系統的設計，實現5V或12V 步進電機轉向、轉速的改變和顯示。

（2）通過按鈕開關實現步進電機的正轉、反轉、停止、加速、減速控制。

（3）通過多位8段數碼管實現步進電機轉向、轉速的實時顯示。

（4）利用PWM脈寬調整方式，設計程序對步進電機的轉速進行控制。

3.2實施方案。首先，需要用到一快單片機用于運算和控制，采用Atmel生產的AT89C51，步進電機采用的是4相步進電機。由于單片機I/O口輸出的電流很小，所以單片機I/O口不能直接驅動步進電機，需要一塊驅動器，采用ULN2803。因為需要顯示，要用到8段數碼管，采用4位8段數碼管。同理驅動數碼管也需要驅動器，采用74HC573鎖存器驅動。因為要實現控制功能，所以需要用到輸入元件按鈕，采用5個按鈕用于輸入控制，分別實現正轉、停止、反轉、加速、減速這5個功能。數碼管以5毫秒左右的間隔掃描，以顯示不同的信息，單片機以調節脈沖寬度（占空比）的方式調節轉速。

3.3方案原理圖及硬件介紹。

本實例，以12MHz方波脈沖作為標準脈沖，利用PWM脈寬調制原理，調制脈沖的“占空比”，從而實現對脈沖個數和脈沖頻率的調制，從而實現對步進電機速度的控制。

圖中主要由單片機最小系統、按鍵輸入電路、顯示電路以及執行電路組成。其中D1與D2分別為運行狀態指示燈和步進電機周期指示燈，74HC573鎖存器芯片用于驅動4位8段共陽極數碼管，4位8段數碼管數碼管第一位是正反轉顯示（顯示“A”為正轉，顯示“b”為反轉，不顯示為停止），第二位是間隔符，顯示為“-”。第三與第四位是轉速顯示（單位是R/min）。

主要硬件：

（一）主控芯片選擇：主控芯片選擇的是Atmel生產的AT89C51系列單片機，51單片機最早是由Intel公司推出的，是一款8位單片機，有著它自己特有的優點：

（1）從內部硬件到軟件有著一套完整的按位操作系統，能直接對位進行操作，不但能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理，還能進行位的邏輯運算。

（2）同時在片內RAM區間還特別開辟了一個雙重功能的地址區間，使用極為靈活，這一功能無疑給使用者提供了極大的方便。

（3）乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。很多的八位單片機都不具備乘除功能，作乘法時還得編上一段子程序調用，十分不便。

（二）鎖存器：鎖存器采用的是74HC573，它是一款8路數據的芯片，輸出為三態門，是一種高性能硅柵CMOS器件，它有著高阻態、數據鎖存、數據緩沖等特點。在單片機的IO資源不夠用時經常利用74HC573進行資源擴展。在本課題中用來驅動數碼管顯示。

（三）電機驅動芯片：步進電機驅動芯片采用的是ULN2803芯片，ULN2803采用八路NPN達林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數字電路（諸如TTL，CMOS或PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應用于計算機，工業用和消費類產品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負載中。所有器件具有集電極開路輸出和續流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設計與標準TTL系列兼容。

（四）顯示模塊：顯示部分由兩個板塊組成，分別為8段共陽數碼管和LED發光二極管組成，8段數碼管與LED發光二極管有著成本低廉、控制方便、可靠、顯示數據直接明了等優點。

結語：本文是利用51單片機最小系統作為開發平臺，對12V步進電機轉速、轉向進行可視化控制，幫助單片機初學者掌握控制電機的方法，后續通過借助繼電器、接觸器等元器件的輔助，還可以實現對大功率步進電機進行控制調節。

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