基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

袁煒 張寶 吳饒 薛永航 郝健

摘要：為了實現(xiàn)步進電機進行啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制。本設(shè)計以AT89C52單片機為控制器，設(shè)計了一種步進電機的控制系統(tǒng)。整體設(shè)計主要包括：驅(qū)動電路、液晶顯示模塊、物理按鍵、系統(tǒng)的編程調(diào)試。根據(jù)功能要求，編寫程序，進行了仿真，結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠很好地控制電機啟停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速，具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：AT89C52;驅(qū)動電路;步進電機;仿真

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-0214-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的調(diào)制電機，非常適合單片機控制[1]。廣泛應(yīng)用于生活的各個領(lǐng)域，步進電機的速度調(diào)節(jié)是其應(yīng)用的關(guān)鍵所在。然而，傳統(tǒng)電機調(diào)速是運用邏輯電路來完成的，調(diào)速復(fù)雜，昂貴耗時，可應(yīng)用范圍小。故基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)，利用軟件程序控制步進電機，調(diào)速簡單，低價高效，應(yīng)用廣泛，同時改變程序而改變控制方案，在一定的工業(yè)和生活場合均具有實用性價值。本系統(tǒng)實現(xiàn)的具體功能如下：控制電機正反停，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，至少實現(xiàn)三級調(diào)速功能[2]。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

基于AT89C52單片機控制系統(tǒng)方案中，通過硬件法和軟件法分配脈沖信號達到控制電機的通電換相變換控制[3]。接收脈沖信號后，步進電機按照原定方向以固定的角度轉(zhuǎn)動。在按鍵復(fù)位和時鐘電路中增加系統(tǒng)的交匯性，使其與外圍電路有機結(jié)合。通過液晶顯示將步進電機轉(zhuǎn)速等情況實時顯示，同時，根據(jù)實際工程的需要，增加的鍵盤來滿足電機的啟停、正反轉(zhuǎn)和調(diào)速等其他功能。在軟件方面，依賴延時程序來控制，利用C語言編程調(diào)控脈沖的分配以及脈沖的上升沿與下降沿的通斷時間，完成對步進電動機的控制。使用編程語言，提高了電機控制的準(zhǔn)確性和有效性，避免了系統(tǒng)震蕩和失步[4]。圖1為設(shè)計控制系統(tǒng)的框架。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體電路圖

步進電機控制系統(tǒng)主要以AT89C52單片機為CPU、配合驅(qū)動電路、電源以及時鐘電路等幾部分。總體硬件電路如圖2所示。

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

采用L298N芯片對步進電動機進行驅(qū)動。L298N可提供高達2A輸出電流，工作電壓范圍寬，而且電路簡單，使用比較方便。邏輯控制部分均采用5v直流電壓，通過控制邏輯部分電平的高低，改變驅(qū)動電路提供給電機的電壓的大小和極性，從而改變電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速[5]。本次設(shè)計硬件電路部分的驅(qū)動電路如圖3所示，步進電機如圖4所示。

2.3 液晶顯示模塊設(shè)計

液晶顯示模塊使用LM016L，它是一種用來顯示字母、數(shù)字、符號等點陣型液晶模塊，具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能。將此模塊與單片機的外接引腳接口經(jīng)排阻連接[6]。如圖5所示，為此液晶模塊與單片機的連接電路圖。

2.4 物理按鍵電路設(shè)計

針對電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、速度上升和速度下降共設(shè)計了6個物理按鍵，按鍵與AT89C52單片機引腳接口采取上拉阻排的結(jié)構(gòu)來避免因誤操作造成外電路和單片機損壞，最終通過軟件編程來達到控制步進電動機的六種情況[7]。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，將該系統(tǒng)的軟件編程部分設(shè)計共包括以下幾個部分：AT98C52單片機運行主程序設(shè)計;物理按鍵掃描與中斷控制程序設(shè)計;液晶顯示模塊初始化程序設(shè)計;液晶顯示模塊顯示步進電動機狀態(tài)程序設(shè)計。

3.2 AT98C52單片機運行主程序設(shè)計

該部分主要任務(wù)是對單片機端口的設(shè)置、函數(shù)的定義并對一些管腳進行定義以及設(shè)置液晶顯示模塊的初始顯示值和字符等[8]。

系統(tǒng)工作主體框圖如圖6所示：

3.3 按鍵掃描與中斷控制程序設(shè)計

設(shè)計的6個獨立物理按鍵，分別對應(yīng)電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速六種動作狀態(tài)進行控制[9]。如圖7所示，為按鍵控制流程圖。

4 仿真及實現(xiàn)

采用Proteus軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真[10]，仿真效果完全符合要求，下面是電機啟動、電機反轉(zhuǎn)及電機加速等部分仿真結(jié)果。

4.1電機啟動仿真

按下“FOREWARD”按鈕，選擇電機轉(zhuǎn)動模式為正轉(zhuǎn)，按下“SPEEDUP”按鈕，選擇速度，按下“STAR”按鈕，啟動電機，圖8為電機正轉(zhuǎn)啟動仿真圖。

4.2 電機反轉(zhuǎn)仿真

按下“REVERSAL”按鈕，選擇電機轉(zhuǎn)動模式為反轉(zhuǎn)，按下“SPEEDUP”按鈕，選擇速度，按下“STAR”按鈕，圖9為電機的反轉(zhuǎn)仿真圖。

4.3 電機加速仿真

電機正常運行狀態(tài)下，按下“SPDDEUP”按鈕，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速增加。圖10為電機加速仿真圖。

5 總結(jié)

基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計，通過軟硬件配合實現(xiàn)了步進電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制，增強了對AT89C52單片機的理解和使用能力，掌握了驅(qū)動電路、顯示電路、案件電路的使用方法。另外，提升了程序編寫能力。該設(shè)計源于生活，應(yīng)用廣泛，具有較強實際參考價值。

參考文獻：

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[2]田聰，蘇暢，基于51單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測試，2017（22）：5-6，19.

[3]曹曼罡.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2017（6）：20，22.

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[7]付藝豪，許建明，李忠.基于單片機的步進電機系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2016（4）：149-150.

[8]韓亮.異步電機的閉環(huán)定位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].常州工學(xué)院學(xué)報，2016，29（3）：22-26.

[9]劉寶志.步進電機的精確控制方法研究[D].濟南：山東大學(xué)，2010.

[10]坂本正文，步進電機應(yīng)用技術(shù)[M].王自強，譯，北京：科學(xué)出版社，2010.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項目：淮南師范學(xué)院校級項目（2018xj30）;淮南師范學(xué)院2018年“支持百名優(yōu)秀學(xué)生課外科技實踐創(chuàng)新活動基金”項目（2018XS146）;淮南師范學(xué)院2019年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201810381005）

作者簡介：袁煒（1985-），男，安徽淮南人，助理實驗師，碩士，研究方向：信息識別與處理，電氣設(shè)備故障診斷與處理等。