基于单片机控制步进电机电路的设计

毛学英

摘要：伴随着科学技术的发展，计算机和微电子技术得到了长足的进步，我国各经济领域对步进电机的需求也随之扩大，使用量呈上升趋势。出现此番现象的原因应该归结于步进电机的优点所为各经济领域带来的便利。对于步进电机的研究关系到一个企业生产效率的提升，经济效益的增加，因此，围绕步进电机进行设计研究，有着重要的作用。在本文中，笔者从分析步进电机的工作原理及优点入手，着重分析了由单片机控制的步进电机电路的各设计模块。

关键词：单片机控制；步进电机；电路设计；硬件系统；软件系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2104-03

世界上各国的数控技术正在加大开发与运用，我国当然也不例外，通过这些年的发展取得了可喜的成果。虽然我国的数控技术与国外还有一定的差距，但数控技术已成为我国的一项重要应用技术，我国也在将其作为重点进行研究与应用。步进电机便是利用数字信号实现作用的执行元件，所以在数控技术中得到了广泛的关注与使用。步进电机结构较为简单，操作方便，在性能上也容易满足工业生产控制的需求，所以，将步进电机应用到生产中成为了一种趋势。近几年，随着科技的进步，人们将计算机技术和微电子技术运用到步进电机上，使得步进电机的调控实现了革命性的改变。在本文中，笔者就以单片机为例，将单片机与步进电机结合，实现软件硬件的共同控制，将步进电机的效率进一步扩大。接下来介绍关于步进电机电路的设计。

1 关于步进电机的概述

1.1步进电机的定义及发展

步进电动机又叫做阶跃电动机或者脉冲电动机，顾名思义，它是一种可以把电脉冲信号转变成形象的、便于分析比较的角位移或者直线位移的电机。这种较早的步进电机所能表现出来的特性是其位移量与脉冲数成正比，位移速度与脉冲频率成正比。

步进电机是由英国人早在1920年所研发的，距今已有90多年的历史了。在1950年后，人们将所新研究出来的晶体管技术逐渐运用到步进电机上，以此来使步进电机的控制通过数字化的形式表现出来，从而实现较为方便清晰的控制效果。此后，人们又对步进电机的性能进行了进一步的改善，从而形成了如今的步进电机具有较高的分解性、较高的精度性、快速的响应性以及可依赖性等。步进电机随着相关计算机技术、微电子技术的发展，现今在各种自动化控制系统中的应用十分广泛，其已成为机电一体化中重要的执行元件之一。通过步进电机的使用，可以在实现自动化、高效率的基础上，保证较高的速度、准确的位置控制以及更加精细的操作，满足人们对高效率生产的需求，提高经济效益。

1.2步进电机的工作原理

步进电机是由定子和转子组成的整体结构。步进电机在工作时，由于电流的经过，定子绕组便会产生一个矢量磁场，磁场的出现便会带动转子，使其旋转一定的角度，这样便会使转子与定子的磁极磁场方向出现偏差形成一定角度。所以，步进电机的工作原理就是基于控制通过定子绕组的电流来控制转子的旋转角度的。每当输入一个脉冲信号，就会引起转子的一次偏转，这称之为一步（旋转角度称为步距角）。根据我们先设定好的脉冲信号的给出规律，电流就会有规律地通过，转子也就随之有规律地一步接一步地持续转动进而带动电机转动，这也就是“步进电机”的由来。

我们以前所使用的电动机在转动时是不间断的，控制并不够方便。而现在的步进电机直接由数字信号驱动，可以根据需要调节其使用状态，包括定位及运转。通过调节输入脉冲的电机绕组通电的相应顺序、频率以及数量，就可以指挥步进电机接受脉冲信号而旋转指定的角度，达到最初要求。当然，没有脉冲信号的输入步进电机便不会运行，保持在定位状态。步进电机的这一特性便于由单片机来控制，因此单片机与步进电机的结合将大大提高生产效率。传统的电动机是一种能量转换的装置，而步进电机可以作为一种电路的控制元件，精度几乎达到100%，在人们的生产和生活中起着至关重要的作用。

2 电路设计

步进电机的控制一般会采用硬件系统来实现，但是总体来说，硬件系统的价格偏贵，功能是适应性不强，如果需要根据要求改变设计，就不得不对整个硬件电路进行修改，这样便增加了工作量，不够方便。该文中，结合单片机拥有的可直接编程又可执行运算功能的优点，能在使用过程中对步进电机进行适应性控制，调节不同步数、转向和转速执行情况。通过改变软件就可以灵活地实现对不同设计要求的适应。而且，在本文的设计中，达到显示电路和键盘电路的合理结合，能做实现一定人机交换的要求，将干扰尽量降到最低，保证其可靠性、高效性。

2.1系统硬件设计

2.1.1单片机最小系统

单片机最小系统是整个电路设计中的核心部分，它是整个电路的起始，主要的工作便是产生并控制步进电机转动所需要的脉冲。我们可以采用单片机的软件编程功能，将脉冲信号靠编程的控制输出步进电机所需要的信号，保证单片机所输出的脉冲数与步进电机旋转的角度大小成正比，单片机所输出的脉冲频率与步进电机转动的速度成正比。除此之外，单片机还将处理电流值，并同时把电机的转速及方向通过数码管显示的方式表现出来。

复位电路和晶体震荡电路是组成单片机最基本的模块。如图是单片机最小系统的线路图：

P 0口：主要控制数码管的显示情况，保证数码管显示的准确性。

P 1口：主要控制步进电机中单片机的编程，保证芯片的正常读写功能。

P 2口：主要作为数码管的位选，控制其公共端工作。除此之外，控制用以扫描电路的键盘正常工作。

P 3口：主要控制将模数转换成芯片的工作。

2.1.2 数码管显示电路设计

数码管显示模块是用来显示步进电机旋转速度及旋转方向以及通过步进电机电流大小的重要模块。在本次设计中，我们选用数码管显示设计，为实现位选部分可以直接将数码管点亮，解决单片机控制端的输出电压过低的情况，所以在位选及单片机控制端添加辅助三极管。数码管的显示电路设计如图所示：

2.1.3串口通信模块设计

串口通信模块顾名思义，便是计算机与单片机之间的连接通道，保证两者之间信息的顺畅流通。这一通信的功能是通过计算机编完程序，然后再将程序拷贝到单片机芯片之中实现的。该文中的电路设计如图所示：

2.1.4 电机驱动模块设计

由于步进电机的信号功率较小不足以驱动电机的运行，所以需要添加电机驱动模块来放大步进电机的信号功率。集成的驱动芯片由于其具有价格低、易控制的优点可以直接作为核心元件进行电机驱动电路设计。

在如图的电机驱动电路中，驱动芯片和驱动芯片周围的电路组成了重要的电机驱动核心，驱动芯片的2、3、13、14脚按照顺序组成一个插座，依次接到步进电机的四根线上。而其他的驱动芯片接口就同单片机P1口的六个管脚依次连接起来。这样的连接方式满足了驱动芯片同单片机和步进电机之间的串联方式，便于整个电路的控制与操作。电路设计如图所示：

2.1.5 独立按键电路设计

独立按键相对于内部电路是独立的，它连接在单片机的端口上，作为一个外部按键，可以实现内部各项模块的中断功能，利于实现步进电机的旋转方向的选择、速度的调控以及电流的显示等，最终实现对步进电机的控制，虽然是个辅助装置，但是不可或缺的。

2.2系统软件的介绍

硬件系统电路设计的实现是离不开软件系统的支持的，所以，结合单片机本身的特点，电路的控制就应该由系统软件的编程、读写实现对于设计功能的体现和对于设计功能的改变。因此，系统软的设计与硬件系统电路的设计是紧密相连的，无论是软件和是硬件中每个设计模块对于设计效果的实现都是至关重要的，软件系统设计的优劣关乎着整个步进电机电路的运行情况。所以在系统软件的设计中，要结合起来考虑，在本文中将不再做过多介绍。

3 结束语

由于步进电机有着突出的优点，所以在我国已被大量地运用在了许多的设备中，实现高效地生产。因此，关于步进电机电路的设计已成为一项重要的研究课题。通过分析单片机的优点，我们看到将单片机应用到步进电机电路的控制中，是一项可行并能明显提高步进电机工作性能的举措。所以，基于单片机控制的步进电机电路设计的研究值得更多的相关学者专家进行分析与探究，希望本文可以为此提供一些建议。同时也相信，随着科技的进步，我国的步进电机技术将实现新一高度的飞跃，将为我国经济的发展带来更多的便利。

参考文献：

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