51单片机下的步进电机控制系统研究

民权县职业技术教育中心机电工程系 杜冬梅

本文提出了以AT89S51单片机为控制核心，以SJ-230M2为驱动器、以ADS7846为触摸屏操作按键控制两相步进电机系统，实现了步进电机的启停、速度调节、方向调节、手动调节的功能，实验验证本控制系统具有精度高、稳定性好、噪声低的优点。

随着科技经济的不断发展，人们逐渐从劳动力解放出来且对自动化程度的要求越来越高，控制技术发展得到人们的重视，做为控制系统重要的控制部件之一的步进电机在现代社会的各行各业得到了广泛的应用，因此研究以51单片机为控制核心的步进电机控制系统显得尤为重要。

1 系统框图（图1）

图1 总体框图

2 系统设计

本控制系统包括MCU、输入设备、显示设备、电机驱动器以及控制元件步进电机。

2.1 硬件设计

2.1.1 单片机最小系统

传统控制步进电机的控制器一般采用的是AT89C51种类的，本文为了设计需要选用了AT89S51。AT89S51的相对于传统的AT89C51新增了以下功能：支持串行ISP接口（P1引脚5、6、7的第二功能口）编程与并行编程、计算速度较快、编程电压较低、工作电压的范围较大4-5.5V，抗干扰性强、采用加密功能更强的加密算法等，性价比高。结合我校实验室现有设备条件的情况下设计出基本的硬件支撑单片机最小系统。下面对单片机最小系统复位电路与时钟电路进行设计。

（1）时钟电路

AT89S51运行速度的快慢与稳定程度主要取决于时钟电路中晶振的频率与质量。一般情况下晶振的工作频率为1.2MHZ-12MH。在我们实验室现有的条件下选用了晶振为12MHZ的时钟电路。时钟电路中的电容选值为30PF。

（2）复位电路

单片机的复位电路主要是在系统重新启动时或者当系统发生失控现象时能够让单片机恢复到到默认状态，因此单片机的复位系统在进行单片机系统设计时十分重要，本文采用的是按键复位。

2.1.2 驱动器设计

由于步进电机在运行过程中会时常不稳定、抗干扰性不强、噪声大、遇到断电等情况不能进行手动调节等缺点，本文针对以上出现的弊端，采用SJ-230M2

驱动器，SJ-230M2是原装进口模块，可以实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性，高频性能好，起动频率高，控制信号与内部信号试验光电隔离，电流可选。其中具体的细分数设定规则如下所示：

设定细分数及相电流的功能的是驱动器上的拨盘开关实现的。在考虑控制器频率允许的情况下，我们尽量选用高细分数的方法进行设定如表1所示。

表1 设定表

脉冲信号CP、方向可控信号DIR、脱机信号FREE组成了驱动器SJ-230M2的3路控制信号。

步进电机位置与速度控制的过程是上电初始化后，驱动器每接受一个CP信号，步进电机就同时转动一定的步距角。步进电机位置主要取决于接受脉冲的个数。即通过输送驱动器脉冲个数可以直接控制步进电机的位置。对于步进电机速度的控制主要是驱动器接受脉冲信号频率的高低，频率越高则步进电机转动的速度越快。本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于5uS。

步进电机转动方向的控制主要是通过DIR信号实现的。其主要的工作过程是对DIR信号的赋值。当DIR=1即高电平时，步进电机执行一个方向。当DIR=0即低电平时，步进电机执行反方向。步进电机进行转向时一定在电机停止后进行并且注意方向信号脉冲的施加时间。

脱机信号是低电平有效。当没有脉冲施加或者是施加脉冲后由于出现某种特殊情况又想手动调节步进脉冲时使用。

驱动器的三路信号有一个共同端OPTO端口，在本控制系统中须把此端口接+5V电源电压。目的是能够为驱动器内部光电耦合器提供驱动电流。保证驱动器正常工作。具体的连接设计步骤是：将单片机的EA选择开关在1的位置。用单片机的P2.0和P2.1端口分别接驱动器的CP端和DIR端，将驱动器的拨码开关1打到ON档2、3、4分别打到OFF档位置。驱动器电流调节电位器调到0.8A的位置。具体连接方式如图2所示。

图2 驱动器与控制单元连接电路

2.1.3 输入电路设计

传统的输入电路采用的是独立按键的操作模式设计电机的启停、加速减速、正反转等。本文采用目前应用比较广泛的触摸屏技术对输入信号如启动、停止、加速、减速、正反转、进行操作。触摸屏的优势：寿命长，美观性好，更符合现代人的使用习惯、更加智能便捷，精准度高。基于以上优点本文采用触摸屏的方式设置电机的启停、正反转、加减速等。触摸屏从工作原理上来分可以分为电容式，红外线式，表面式等，本文采用的是电阻式触摸屏ADS7846。ADS7846是最普遍的四线电阻式触摸屏，其内部是有一个多路选择器和一个12位的AD转换器组成。

触摸屏控制器ADS7846与单片机AT89S51要实现通讯控制两者之间应加一SPI接口。如图3所示。当检测有触摸动作时，此时ADS7846的PEN IRQ输出低电平发出中断请求，通过SPI接口将中断信号传输给单片机，单片机接受到ADS7846发出的中断请求进而读取信息。

图3 触摸屏控制电路图

2.1.4 显示电路设计

为了方便查看电机的加速减速正反转以及启停的情况，特设计显示电路作为辅助电路。主要用单片机的P0口作为控制端口，因为PO口内部没有上拉电阻因此需要外加10KΩ上拉电阻，并采用三八线74LS745作为驱动进行显示电路的控制。

2.1.5 步进电机

步进电机在工业过程及生活的各个方面起着十分重要控制作用，其本身具有精度高、价格便宜、结构简单、且不需要进行模拟信号与数字信号的转换直接可以计算机的数字信号等特点，因此在空调出风口定位等一些定位场合应用的十分广泛。

本控制方案将选用5V直流步进电机，即将脉冲信号一运算处理后转化成角位移的执行，因为可通过数字量驱动，所以该步进电机十分适合于单片机的控制。

2.2 软件设计

本文是以windowns7为操作系统，以keil为编程平台，以C语言为编程语言对本文的设计进行编程。其中包含有主函数、中断函数、初始化函数、显示函数等。其中主函数流程图4如所示。

图4 主函数流程图

结论：本文提出的以AT89S51单片机为控制核心，并引入现代人们习惯使用的触摸屏ADS7846代替独立按键、以SJ-230M2稳定性好、抗干扰能力强、噪声小的驱动器对步进电机的转向、速度、启停进行控制，根据设计需求进行了相关程序的编写并进行了实验，实验证明该控制系统具有精度高、稳定好等优点，该系统对步进电机最优控制的研究提供了一定的基础理论与指导。