基于单片机的步进电机控制系统设计研究

牛慧佳

摘要：本文介绍了该系统总体设计方案，以及步进电机驱动系统，研究了步进电机控制系统硬件电路设计，分析了主程序设计和系统调试。

关键词：步进电机；单片机；控制系统

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）07-0011-02

步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，是通过脉冲的方式进行工作，其结构是由定子和转子组成的，线圈中每输入一个电脉冲信号，电流流过定子绕组时产生的矢量磁场就会带动转子旋转一个步距角，当输入连续脉冲信号时，就能一步一步地连续转动，从而使步进电机旋转。早期的步进电机控制系统存在线路复杂，体积大，可靠性差，成本高，且低性能的单片机步进电机控制器抗干扰能力较差等问题。因此，利用单片机AT89C51能够实现对步进电机的智能化控制，同时，降低成本，提高工作的可靠性增強通用性。

本文通过对该系统的总体设计方案、步进电机驱动系统、步进电机控制系统硬件电路设计、主程序设计、系统调试分析进行系统的描述，设计了一套以单片机AT89C51作为控制核心，采用驱动电路UNL2003，并选用液晶12864对其结果进行显示的步进电机控制系统。该系统即使在脱离PC机的状况下也能正常工作，具有良好的人机交互机制，大大提高了系统的整体可用性。本设计采用C语言进行单片机程序编写，实现程序的模块化设计，增强了程序代码的可读性，从而，实现步进电机的控制功能。

1 总体设计方案

该步进电机控制系统采用一片ATMEL公司的AT89C51单片机作为本系统的核心运算器件，实时把电机状态和转速通过LCD液晶显示器显示出来，并结合软件来控制电机的转速、转向、定转圈数。同时还可以在运行过程中，利用键盘输入步进电机将要工作的速度、圈数及方向等数据，来达到脱离PC的情况下，该系统还可以正常工作的目的。

2 步进电机驱动系统介绍

步进电机驱动系统的优劣主要受步进电机本身、电机驱动器和电机控制器三个因素的影响。首先，步进电机本身的优劣表现在相同的时间内电能损耗和温度的提升，根据焦耳定律公式：Q=I2Rt，可以分析出在相同的电机线圈电阻和时间的情况下，电流决定了电能的损耗和温度的提升，所以分析电流的变化已变成该因素的重点，而电机本身线圈绕组在电路中可以等效为一个电阻和一个电感的串联电路，根据在一个由电源、开关、电机（电感和电阻）组成的等效电路中，分析电机（电感和电阻）电路中电气特性可得到：在t=0时，电源电压V施加到等效电路上时，等效电路总电流变化规律为：I（t）=V（1-e-Rt/L）/R，在电流没有达到最大值前电流上升速率为：，而经过一段时间，电流达到最大值：Imax=V/R，L/R定义为该等效电路上升和下降时的时间常数，是电流在电路中达到最大电流Imax的一个百分比常数所需要的时间。在t等于电流达到最大值时的时间t1，电流开始减小的过程中，电路中的电流变化规律为：I（t）=Ve-R（t-t1）/L/R，通过公式可以分析出步进电机本机的损耗、温度提升与绕组的电流成正比。其次，电机驱动器包括：控制步进电机各相励磁绕组截止或导通信号的逻辑控制电路；为电机控制绕组提供输入电流，驱动转子运动的功率驱动电路；电路出现故障时，为迅速停止驱动器和电机工作的保护电路和电源。最后，电机控制器主要发生步进脉冲和方向信号，来控制电机转速的的高低、升速或降速、启动或停止及电机的顺时针或逆时针旋转[1]。

本设计采用AT89C51单片机为硬件电路设计的核心控制步进电机，可以从键盘输入步进电机相关数据，步进电机根据这些数据来进行工作，实时对步进电机工作方式进行设置，并且可通过通信电路将接收到的数据来控制电机的运行，具有实时性和交互性的特点。硬件电路主要包括步进电机驱动器、键盘显示电路、PC机通信电路和数据存储器。

3 步进电机控制系统硬件电路设计

根据控制系统的总体结构，分别设计单片机的应用系统、电机驱动及显示电路，设计单片机的步进电机控制系统的硬件电路，如图1所示[2]。

4 主程序设计和系统调试分析

主程序设计主要包括键盘子程序、正反转程序设计和转速控制程序设计，程序分别作用于下位机系统、键盘、液晶12864初始化，初始化程序执行完成后开启串口中断，与此同时对键盘值进行扫描，根据扫描的具体功能键值，判断是那个功能键按下。之后根据收到的操作指令进入某个功能子程序。后面如果运行正常，将循环进行以上操作[3]。

为了验证本设计主要功能实现情况，特别对系统的关键部分进行实际的测试。主要是通过硬件调试和软件调试两个方面来进行，硬件调试可分为静态调试和联机调试两部分，软件调试可直接在编写模块程序时使用proteus软件调试，并且下位机软件调试采用单片机仿真器WAVE6000L及微机。

5 结语

该系统可以通过上位机精确地控制步进电机的转动状态，使系统具有更好的人机界面和通用性。同时基于单片机AT89C51作为控制核心的系统实现了软件与硬件相结合，降低了成本，简化了电路，通过液晶12864显示和步进电机驱动器，配合软件实时的控制电机的转速、转向。与此同时也可以脱离上位机工作，由键盘发出命令，控制步进电机的转向、步数和转速，并由LCD显示相关的转动信息。

参考文献

[1]田聪，苏畅.基于51单片机的步进电机控制系统设计与实现[J].电子测试，2017，（11x）：5-6+19.

[2]魏印龙，张向阳，孔令扬.基于AT89C51单片机的步进电机控制系统设计[J].科技广场，2016，（8）：184-189.

[3]蓝和慧，宁武，闫晓金.全国大学生电子设计竞赛单片机应用技能精解[M].电子工业出版社，2009.