基于单片机的步进电机控制系统设计

摘 要：随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。本设计是采用STC89C51单片机对步进电机的控制，通过I/O口输出的时序方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。

关键词：步进电机； 单片机； 正反转控制； 电机驱动

1 绪论

步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。本论文所选的步进电机是四相步进电机，通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度 ，并通过数码管显示其转速的级别，另外通过单片机实现它的正反转。

2 步进电机控制总系统设计

硬件主要以单片机为核心，本系统选择STC89C51单片机作为主控芯片，选用四相步进电机，采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。通过软件和硬件的结合实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速功能，并且步进电机所处的状态用相应的发光二极管显示。主要包括三大块来设计：驱动电路的设计、状态显示部分和按键部分设计。

3 系统硬件电路设计

3.1 步进电机系统

1.其基本工作如下：

（1）控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A—B—C—D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。

（2）控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

（3）控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

3.2 单片机系统

本次设计选用STC89C5l作为步进电机的控制芯片.STC89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上.使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。

1、控制信号引脚：

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

2、I/O口引脚：

a：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；

b：P1口，8位准双向I/O口；

c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；

d：P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。

3、振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.3 键盘控制电路

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。

3.4 数码管驱动显示电路

本设计采用共阳极数码管来显示时间，利用三极管的开关作用驱动数码管。

3.5 步进电机驱动电路

我们在这里采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。步进电机驱动电路的工作过程是：首先从P1口输出00000001B，由于单片机与ULN2003连接只用到了P2.4—P2.7，所以ULN2003与单片机连接的四个管脚中每时刻只有一个管脚处于导通状态（采用单拍方式对步进电机控制），其他管脚处于断开状态。这样就使得与ULN2003连接的步进电机只有一个引出端导通。

4 控制系统软件设计

步进电机控制系统的软件需要同时完成读取键盘、处理键盘、控制步进电机转动、控制数码管动态显示等任务，这就必须通过中断技术来实现。

在本设计中，主程序采用查询方式扫描键盘端口，检测按键动作是否发生，若有按键动作则处理键盘，根据按键值修改相应参数值，实现键盘的实时处理功能。定时器0中断服务程序控制步进电机的转动：根据当前显示的速度进行键盘手动改变T0定时时间常数，设置TH0和TL0的值，达到对转速精确控制的目的；根据转动方向控制位的值，控制脉冲信号循环移动的方向，达到对转动方向控制的目的。

5 总结

该设计主要包括两部分设计。硬件设计主要是把单片机最小系统、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块、测速模块各个硬件功能模块及其它元件合理搭配并连接起来使其能够为软件运行提供一个硬件平台。软件设计主要是通过编写程序代码，实现对整个系统的控制。在系统上电复位后程序自动运行，通过接受外部的键盘操作修改系统参数值，控制步进电机的启停，以及转速的增减和转动方向的改变；定时器T0根据系统参数控制步进电机的转动；实现步进电机转动速度的动态显示。

作者简介：

吕文涛 1993- 男 汉 本科在读 武汉纺织大学电子与电气工程学院 电气工程及其自动化

陈婷 1993- 女 汉 湖北恩施 硕士在读 武汉纺织大学电子与电气工程学院 电路与系统

艾钊 1990- 男 汉 湖北咸宁 硕士在读 武汉纺织大学电子与电气工程学院 电路与系统

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