如何使用51單片機(jī)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　結(jié)合 51 單片機(jī)的特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，以 51 單片機(jī) AT89S52 為控制核心，選用 ULN2003A 芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路，提出一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。完成控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制要求。該系統(tǒng)簡(jiǎn)便易操作、控制精度高，具有較高的使用價(jià)值。

　　步進(jìn)電機(jī)是常用于過(guò)程控制和及儀表中的控制元件之一，因其控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化包裝、電動(dòng)閥門、醫(yī)療設(shè)備等方面有著廣泛而深入的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)部件少，沒(méi)有電刷，在較寬范圍內(nèi)進(jìn)行速度平滑調(diào)節(jié) ；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度不受負(fù)載變化的大小的影響，具有快速啟停、易于調(diào)整、停止時(shí)能自鎖等特點(diǎn)。因此，步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的一種電機(jī)。單片機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展越來(lái)越成熟，而且生產(chǎn)成本低，抗干擾能力強(qiáng)。結(jié)合 51 單片機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，很有實(shí)用意義和價(jià)值。

　　步進(jìn)電機(jī)，又稱為脈沖電機(jī)，其工作原理在于能直接接收數(shù)字脈沖信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)角位移或線位移。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、停止的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，只存在周期性誤差而沒(méi)有累積誤差。對(duì)電機(jī)施加一個(gè)相應(yīng)的脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)收到信號(hào)后就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)對(duì)應(yīng)的步距角?？梢?jiàn)，控制了脈沖信號(hào)也就控制了步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)的控制方式是利用觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來(lái)進(jìn)行控制的，但這一控制方式難以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并且具有控制電路復(fù)雜、控制精度低、成本高等缺點(diǎn)。單片機(jī)通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，所以，步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)非常適合采用單片機(jī)進(jìn)行控制。

　　基于 51 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路模塊、按鍵控制電路模塊、步進(jìn)電機(jī)。其中單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，接收各種控制信號(hào)，分析處理，完成脈沖分配，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)控制，比如啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向、變速等。

　　單片機(jī)通過(guò)控制所發(fā)送脈沖頻率的高低，來(lái)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度大小的控制，實(shí)際就是控制脈沖的頻率的過(guò)程。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與脈沖頻率成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與脈沖數(shù)也成正比，在降低脈沖頻率，電機(jī)減速運(yùn)行 ；提高脈沖頻率，電機(jī)加速運(yùn)行。脈沖頻率可以通過(guò)硬件定時(shí)、軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　由于單片機(jī)輸出的電壓、電流較小，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此必須進(jìn)行放大，才能使電機(jī)正常運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)能夠根據(jù)不同的控制脈沖信號(hào)分別作相應(yīng)的動(dòng)作。按鍵控制電路的作用是 ：通過(guò)設(shè)置按鍵開關(guān)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)控制，還可以按要求進(jìn)行調(diào)速。

　　通過(guò)軟件編程，可使單片機(jī)產(chǎn)生控制脈沖、實(shí)現(xiàn)脈沖分配，完成步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)控制。以 51 單片機(jī)作為控制核心組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了硬件電路與軟件編程相結(jié)合的控制方法，簡(jiǎn)化了電路的同時(shí)，還降低了成本，可達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。

　　根據(jù)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)出基于 51 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路，如圖 1 所示。

　　控 制 系 統(tǒng) 的 核 心 部 件 是 單 片 機(jī)，選 用 51 系 列 單 片 機(jī) AT89S52。AT89S52 是一款低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，自帶 8K 的 Flsah 存儲(chǔ)器，可以在線編程，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。步 進(jìn)電機(jī)部分使用四相五線減速步進(jìn)電機(jī)，型號(hào) 28BYJ-48，基本參數(shù)有：電機(jī)直徑 28mm，電壓 DC 5V-12v，步進(jìn)角度是 5.625×1/64，減速比是 1/64。

　　由于 AT89S52 單片機(jī)的輸出信號(hào)的功率較小，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以需要外加驅(qū)動(dòng)電路才能使步進(jìn)電機(jī)正常工作。本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)功率和額定電流都較小，從成本角度考慮，驅(qū)動(dòng)模塊部分可采用集成驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2003A。ULN2003A 是一種高壓、大電流的驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部含有 7 個(gè)硅 PNP 大功率達(dá)林頓管，可提供最高 0.5A 的電流，適合本設(shè)計(jì)。ULN2003A 的輸入端連接單片機(jī)的 P1 口，其中 P1.0-P1.3 輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào) ；輸出端接步進(jìn)電機(jī)。按鍵控制電路較為簡(jiǎn)單，設(shè)置 3 個(gè)按鍵，分別控制步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。

　　控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)如下 ：

　?。?） 復(fù)位 ：電路上電時(shí)復(fù)位 ；手動(dòng)按下按鍵開關(guān) S1 可復(fù)位，控制精度高，工作可靠。

　?。?） 步進(jìn)電機(jī)工作情況控制 ：按下按鍵開關(guān) S2，電機(jī)正轉(zhuǎn) ；按下按鍵開關(guān) S3，電機(jī)反轉(zhuǎn) ；按下按鍵開關(guān) S4，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

　?。?） 速度控制 ：通過(guò)軟件編程的方式，給電機(jī)設(shè)置不同延時(shí)時(shí)間，可改變控制脈沖的頻率，從而改變步進(jìn)電機(jī)步距角，實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速，減速。延時(shí)時(shí)間常數(shù)越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，延時(shí)時(shí)間常數(shù)越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。