謝海明

（湖南長沙民政職業(yè)技術(shù)學院電子信息工程學院，湖南 長沙410004）

0 引言

關(guān)于步進電機的應用已經(jīng)涉及國民生活的方方面面，例如指針式電子鐘表、印刷機等等。為了能夠進一步達到智能化控制的要求，需要步進電機的控制性能上升一個水平，于是提出了單片機控制的步進電機。步進電機與其他電機最大的不同在于，步進電機是通過輸入脈沖信號進行控制，其作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的一個執(zhí)行元件，轉(zhuǎn)速由脈沖信號的頻率決定，這就使得步進電機十分適合與單片機結(jié)合。

1 步進電機概述

步進電機被廣泛應用于精確定位系統(tǒng)，與其他電機不同，不會出現(xiàn)積累誤差。綜合分析步進電機的特點，主要有以下幾點：第一，控制更加方便，直接使用數(shù)字信號進行開環(huán)控制；第二，使用更加方便，不需要進行數(shù)模轉(zhuǎn)換；第三，在起動、停止、正反轉(zhuǎn)以及變速上具有良好反應，響應性較佳；第四，整機結(jié)構(gòu)簡單，成本低。目前，步進電機的種類從類型上分為機械式、電磁式、組合式三種［1］，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點劃分為反應式、永磁式、混合式［2］。其中反應式步進電機結(jié)構(gòu)最簡單，同時也是應用范圍最廣泛的一種。從步進電機的原理分析，其之所以能夠旋轉(zhuǎn)起來，最根本的原因是錯齒。

2 步進電機控制系統(tǒng)

步進電機控制系統(tǒng)由運動控制部件、驅(qū)動部件、運動執(zhí)行部件組成［3］。作為一個完整的整體，以單片機控制的步進電機系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、外圍電路、驅(qū)動電路、步進電機組成。其中，單片機系統(tǒng)是利用微處理器、只讀存儲器、隨機存儲器、中斷系統(tǒng)等電路集成在一個芯片中，這種基于單片機的步進電機能夠提高整個系統(tǒng)的工作效率與可靠性。

3 基于單片機控制的步進電機設計

3．1 硬件系統(tǒng)設計

綜合考慮各方面條件、因素，本次設計采用AT89S52型單片機，在系統(tǒng)功能方面，采用電路上電復位或手動按鈕復位，精度高。使用單片機最小系統(tǒng)和少量外圍器件組成基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)由單片機、時鐘晶振電路、復位電路等組成［4］。AT89S52單片機主要功能如表1所示。

考慮到單片機直接輸出的脈沖信號太小，需要增加一個驅(qū)動電路，本文采用型號為ULN2003A的高壓大電流、大功率達林頓芯片驅(qū)動步進電機，保證步進電機正常工作。為了進一步提高其性能，本設計增加拓展實現(xiàn)方案，利用兩個型號為ULN2003A的大功率達林頓芯片作為步進電機驅(qū)動板，提高低電平驅(qū)動能力。

表1 AT89S52單片機主要功能

3．2 軟件系統(tǒng)設計

借助軟件編程，利用單片機進行電極控制的脈沖分配，保證步進電機的正常工作。本次研究中步進電機采用的是四相步進電機，但為提高步進電機的負載能力，使用八拍驅(qū)動方式，因此最后組成四相八拍。這種方式的通電順序是A相線圈最先開始通電，之后轉(zhuǎn)換為A、B兩相線圈同時通電，然后再單獨給B相通電，之后B、C兩相線圈通電。在設計階段，關(guān)于基礎實現(xiàn)方案程序的設計方面，單片機控制步進電機的流程可以簡單化為開始→初始化按鍵判斷→相應按鍵子程序。

關(guān)于軟件設計的拓展實現(xiàn)方案，在單片機的P2口設計堆棧，開始時步進電機停轉(zhuǎn)，對按鍵進行掃描，判斷是否有按鍵按下，一般情況下，在每次按鍵按下之后，一般所按的按鍵都會在閉合與斷開位置之間跳幾下才能夠穩(wěn)定閉合，這種情況稱為按鍵抖動。一般這種抖動的持續(xù)時間不會超過10ms。為了保證系統(tǒng)的正常運行，可以在系統(tǒng)中加入按鍵消抖程序，只要按下了按鍵，按鍵消抖程序就會啟動，消除按鍵抖動。

將編寫完成的程序輸入單片機硬件芯片中，同時還需要各種輔助工具才能完成［5］。根據(jù)設計要求，為提高編程效率及效果，加入仿真器對已經(jīng)編寫好的單片機程序進行調(diào)試。所謂的仿真器就是利用仿真軟件進行單片機運行的實時模擬及在線調(diào)試。仿真器具備基本的輸入裝置和輸出裝置，同時配備各種相應支持程序調(diào)試的軟件，最后達到直接通過單片機仿真器進行程序輸入與修改的效果，同時還能夠觀察程序運行結(jié)果和運行過程中的中間值，以大大提高編程效果。其中使用到的編程器作用是將數(shù)據(jù)寫入可以編程的集成芯片中，目前比較常用的是存儲器之類可編程的芯片，在經(jīng)過仿真器調(diào)試之后，編譯出十六進制或二進制的代碼，將其寫入單片機程序存儲器中，保證單片器能夠在電路板上正常運行。

開始進行仿真調(diào)試，將仿真器的仿真頭插在插座上，連接電源。啟動仿真軟件，選擇CPU和相關(guān)設置。新建一個文件夾，將步進電機的控制程序輸入，完成保存。進行程序編譯操作，如出現(xiàn)出錯的命令，會自動彈出一個信息窗口，顯示錯誤的相關(guān)信息。在編譯完成后會生成一個HEX文件。進行調(diào)試操作，觀察電路板步進電機的運轉(zhuǎn)效果，如果存在功能障礙問題，則需重新進行編譯操作。為了更加快速、準確地找到錯誤，可以在仿真調(diào)試中將單步執(zhí)行和全速執(zhí)行兩種調(diào)試方式結(jié)合起來使用。其中，單步執(zhí)行能夠詳細了解每條指令的具體執(zhí)行情況，全速執(zhí)行可以配合設置斷點，在大致范圍上確定錯誤出現(xiàn)的位置。

在完成了仿真調(diào)試并且結(jié)果未出現(xiàn)錯誤之后，將編程器中已經(jīng)編寫好的程序放進單片機硬件芯片中，具體操作程序為：第一步，將單片機根據(jù)要求插入編程器插座中，接通電源；第二步，打開編程軟件，在還未進入程序之前所有窗口的顯示均為“FF”；第三步，選擇需要編程器件的型號，最后點擊“確定”選擇；第四步，調(diào)入選擇，需要注意的是，在調(diào)入之前需要清空緩沖區(qū)；第五步，在完成文件的調(diào)入后，數(shù)據(jù)窗口會顯示出具體的數(shù)據(jù)；第六步，進行編程操作，直接選擇自動編程，完成整個操作；第七步，在點擊自動編程之后，程序會開始自動進行寫入操作，完成之后顯示100%，則編程成功。程序在完成調(diào)試仿真并且最后結(jié)果無誤之后，利用編程器將已經(jīng)編寫好的程序?qū)懭雴纹瑱C的存儲器中，整個操作就完成，單片機就可以在電路板上進行正常運行了。

4 結(jié)語

基于單片機的步進電機利用單片機產(chǎn)生驅(qū)動步進電機的脈沖信號，并傳動給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路根據(jù)控制信號進行操作，從而實現(xiàn)了步進電機的轉(zhuǎn)速與方向控制。在硬件設計與軟件設計方面通過一些列操作，有效提高了控制的靈活性。這種基于單片機的步進電機控制器控制效果較佳，展現(xiàn)出了良好的運行效果。本文將研究的重點放在了設計方面，后期的仿真操作以及實際運行仍然需要從多個角度、多個方面進行深入分析與研究。

［1］王晨光，孫運強，許鴻鷹．步進電機的單片機控制設計分析［J］．國外電子測量技術(shù)，2008，27（9）：39－41，60．

［2］鄭虎子．單片機控制混合式步進電機驅(qū)動電源的研究及設計［D］．武漢：華中科技大學，2007：123－124．

［3］汪姝．基于單片機的步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］．南昌：南昌大學，2012：186－187．

［4］熊超美．步進電機的單片機控制硬件系統(tǒng)設計［J］．湖南有色金屬 ，2011，27（2）：61－64．

［5］高亮．8051單片機對步進電機的控制及步進電機升降速曲線的設計［J］．測控技術(shù)，2002，21（11）：64－65，67．