基于单片机的步进电机控制系统研制

曹红艳

阿城继电器股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150302

传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的，难于实现人机交互，，而且传统的触发器构成的控制系统，控制电路复杂、控制精度低、生产成本高等。以微电子芯片为控制核心，以电力电子功率变换器为执行机构，在自动控制理论的框架下组成的控制系统，能通过控制电机转速或转矩进而控制生产机械或运动部件按照人们所希望的规律运动。克服了传统控制器的缺点，满足工业生产新的控制要求。如今各领域步进电机无处不在，应用领域涉及机器人，工业电子自动化设备、医疗器械、广告器材、计算机外部应用设备等。高精度，实时监控的步进电机控制系统具有重要意义和实用价值。

1 系统原理

步进电机控制系统主要由AT89S51单片机及单片机工作外围电路和放大电路组成。采用8155作为AT89S51单片机的扩展I/O口来连接键盘和LED显示器。单片机的P1.0、P1.1、P1.2分别连到步进电机的A、B、C三相绕组，单片机的控制信号经信号放大驱动电路输出到步进电机绕组就可以驱动步进电机运转。系统在LED显示器的提示下，由键盘设置步进电机运行的转速和步数；由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的参数运行。

2 系统的硬件构成

2.1 步进电机的驱动电路设计

系统的输出通道也就是控制步进电机的通道，由于AT89S51的P1口作为输出通道的控制端口，采用三相六拍的步进电机进行并行控制需要单片机P1口中的三位P1.0、P1.1、P1.2，分别接三相步进电机的A、B、C三相。步进电机的脉冲分配由单片机通过软件控制构成环行分配器，功率放大器选用单电压功率放大电路。当单片机I/O口输出为1时，经反相器74LS14后变成低电平，发光二极管不发光，光敏三极管截止，从而使三极管截止，电机绕组不通电，反之单片机I/O口输出为0时，经反相器后变成高电平，三极管导通，电机绕组通电。循环使三个绕组通电就可以驱动电机，只要按照一定的顺序改变三位I/O口的通电的顺序就可以控制步进电机按照一定的方向转动。单片机与电机驱动电路之间加入光电隔离，使驱动步进电机的电压和单片机控制系统的电压之间不会互相影响，具有更好的抗干扰能力，而且更好保护单片机。电阻起限流作用。续流二极管使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管而衰减掉，从而保护了步进电机，也保护了功率管不受损坏。外接电阻上并联一个200μF电容，可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减少回路的放电时间常数，使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变小，也起到提高高频工作性能的作用。

2.2 键盘电路设计

键盘分为参数设定、正/反转和启动、停止等功能操作。在开始运行之前要求输入步进电机匀速的运行速度和运行的总步数，所以要进行按键输入数值以传入参数。为了实现系统的启动、停止和正、反转，要设置相应的按键和开关进行功能键处理。

2.3 显示电路设计

采用发光二极管 LED作为显示器件，通过单片机I/O扩展芯片8155来点亮LED数码管的。点亮LED数码管之前，需将数字码转换为笔划信息。系统选用动态显示方式。8155A的PB0～PB7作为段选码口，经驱动器与LED的段相连。8155的PA4～PA7和PC4作为位选码口，经驱动器与LED的位相连。在扫描过程中，在某一瞬间，只让某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态。同时，字段线上输出相应位要显示字符的段选码。这样在每一瞬时，5位LED中只有选通的那一位LED显示出字符，而其它4位则是熄灭的。同样，在下一瞬时，只显示下一位LED。如此继续，等5位LED都依次显示完毕后，循环进行。

3 系统的软件设计

系统的软件设计包括：主程序、中断子程序、键盘子程序、显示子程序、报警子程序、步进电机控制子程度。在系统上电后，首先对系统进行初始化，然后扫描键盘，使最低位LED显示器显示“0”，以提示输入数据。如果按下输入参数键，可以输入参数，则显示该输入的数值并对连续的输入的数值进行处理，直到输入“确认”键确认后表明参数值设定完毕，在内存中保存该参数，进行其它的处理。通过键盘可以进行正、反转的设置，如按下一次正/反转键，则变量值改变一次，即每按下一次正/反转键，系统的设置在正、反转之间进行转换，相应的在显示器上显示设置的是正转还是反转。用户可以通过键盘查询参数的值，在待机状态下连续按两次参数键，则在LED显示器上显示出输入的参数值，以供用户查询输入的参数正确与否。

4 结论

基于单片机的步进电机控制系统实现了键盘进行输入运行参数、启动、停止等操作。显示器能够显示输入数据及运行状态。通过键盘的输入，控制电机带动负载进行预定的工作，实现对角位移或线位移的控制。系统采用单片机等能完成专门功能的控制器和控制电路，使得单片机对电机的控制更易实现，性能价格比更高。步进电机采用升降速控制，避免了以要求的速度直接启动时因该速度已超过极限启动频率不能正常启动，并且可能发生丢步或根本不运行以及停止时发生偏移的情况。本设计的步进电机单片机控制系统实现了步进电机速度控制，大大改善了步进电机的运行的平稳性，减小了驱动器的体积，增强了抗干扰性能，从而拓展了步进电机系统的应用范围，可以满足更多场合的需要。

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