基于单片机控制的步进电机可视控制器

2020-12-02杨清泉

数码设计 2020年12期

杨清泉

摘要：本文通过对步进电机基本结构、工作原理的分析，利用AT89C51单片机最小系统，价格低、技术成熟的特点，结合地址存储芯片、多位数码管等，开发基于单片机控制的步进电机可视控制器，该控制器具有价格低廉、技术成熟、控制可靠，体积小、质量轻的特点，特别适合学生实习、教学等环节使用。

关键词：单片机，步进电机，调速，速度显示

中图分类号：TM383.6;TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）12-0046-02

前言：单片机是指集成在一快芯片上的完整计算机系统。它拥有：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有内存。同时集成诸如通讯接口、定时器、实时时钟等外围设备。

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机，其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例。

通过改变电脉冲频率，可在大范围内进行调速。同时，该电机还能快速起动、制动、反转和自锁。此外，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的执行元件。目前，在数控生产等应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的控制电机的。因此，如何改善步进电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。

由于51单片机的价格比较低，所以采用单片机作为步进电机的控制器可以免去单独购买步进电机控制器高昂的价格。单片机驱动步进电机可以简化一些复杂的电路连接，提高了可靠性的同时也降低了成本，后期维护也较为简单。扩展性比较强，需要扩展更多功能时，可通过修改控制程序达到目的。因此，通过本文，掌握单片机步进电机控制器电路设计方法;掌握单片机步进电机控制器编程方法，对机电一体化系统的开发和应用有着重要意义。

1 单片机基本结构

单片机由运算器、控制器、寄存器等单元组成。

2 四相步进电机工作模式

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度

3 方案设计

3.1主要实现功能。

（1）通过系统的设计，实现5V或12V 步进电机转向、转速的改变和显示。

（2）通过按钮开关实现步进电机的正转、反转、停止、加速、减速控制。

（3）通过多位8段数码管实现步进电机转向、转速的实时显示。

（4）利用PWM脉宽调整方式，设计程序对步进电机的转速进行控制。

3.2实施方案。首先，需要用到一快单片机用于运算和控制，采用Atmel生产的AT89C51，步进电机采用的是4相步进电机。由于单片机I/O口输出的电流很小，所以单片机I/O口不能直接驱动步进电机，需要一块驱动器，采用ULN2803。因为需要显示，要用到8段数码管，采用4位8段数码管。同理驱动数码管也需要驱动器，采用74HC573锁存器驱动。因为要实现控制功能，所以需要用到输入元件按钮，采用5个按钮用于输入控制，分别实现正转、停止、反转、加速、减速这5个功能。数码管以5毫秒左右的间隔扫描，以显示不同的信息，单片机以调节脉冲宽度（占空比）的方式调节转速。

3.3方案原理图及硬件介绍。

本实例，以12MHz方波脉冲作为标准脉冲，利用PWM脉宽调制原理，调制脉冲的“占空比”，从而实现对脉冲个数和脉冲频率的调制，从而实现对步进电机速度的控制。

图中主要由单片机最小系统、按键输入电路、显示电路以及执行电路组成。其中D1与D2分别为运行状态指示灯和步进电机周期指示灯，74HC573锁存器芯片用于驱动4位8段共阳极数码管，4位8段数码管数码管第一位是正反转显示（显示“A”为正转，显示“b”为反转，不显示为停止），第二位是间隔符，显示为“-”。第三与第四位是转速显示（单位是R/min）。

主要硬件：

（一）主控芯片选择：主控芯片选择的是Atmel生产的AT89C51系列单片机，51单片机最早是由Intel公司推出的，是一款8位单片机，有着它自己特有的优点：

（1）从内部硬件到软件有着一套完整的按位操作系统，能直接对位进行操作，不但能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，还能进行位的逻辑运算。

（2）同时在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，使用极为灵活，这一功能无疑给使用者提供了极大的方便。

（3）乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。很多的八位单片机都不具备乘除功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。

（二）锁存器：锁存器采用的是74HC573，它是一款8路数据的芯片，输出为三态门，是一种高性能硅栅CMOS器件，它有着高阻态、数据锁存、数据缓冲等特点。在单片机的IO资源不够用时经常利用74HC573进行资源扩展。在本课题中用来驱动数码管显示。

（三）电机驱动芯片：步进电机驱动芯片采用的是ULN2803芯片，ULN2803采用八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如TTL，CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容。

（四）显示模块：显示部分由两个板块组成，分别为8段共阳数码管和LED发光二极管组成，8段数码管与LED发光二极管有着成本低廉、控制方便、可靠、显示数据直接明了等优点。

结语：本文是利用51单片机最小系统作为开发平台，对12V步进电机转速、转向进行可视化控制，帮助单片机初学者掌握控制电机的方法，后续通过借助继电器、接触器等元器件的辅助，还可以实现对大功率步进电机进行控制调节。

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