陳慧琴（東南大學(xué)成賢學(xué)院電子工程系，南京 210088）

基于STC89C51單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳慧琴
（東南大學(xué)成賢學(xué)院電子工程系，南京 210088）

本文基于STC89C51單片機(jī)，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及步進(jìn)電機(jī)等幾個(gè)部分，通過編程實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速，啟?？刂埔约斑\(yùn)行狀態(tài)LED狀態(tài)顯示功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制器。

STC89C51單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1　引言

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電設(shè)備中最廣泛使用的一種電機(jī)，又被稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或者階躍電動(dòng)機(jī)，其工作原理是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移。每輸入一個(gè)電脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。在控制中，可以利用輸入電脈沖的頻率、數(shù)量和各相繞組的通電順序來精確控制電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和定位，幾乎不受電壓和環(huán)境溫度等影響，誤差小。隨著單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用，基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，比如線切割的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)、ATM機(jī)、刻字機(jī)、工業(yè)控制系統(tǒng)等等，并且特別適合要求性能穩(wěn)定、誤差率低、響應(yīng)迅速、運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生噪音小、具有較長的使用壽命以及能輸出較大扭矩的應(yīng)用場合。本文設(shè)計(jì)了基于STC89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，具備價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、移植性好等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2　系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)主要由STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路模塊、按鍵電路模塊、數(shù)碼管顯示電路模塊和步進(jìn)電機(jī)等幾個(gè)模塊組成。本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)功率和額定電流都較小，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，驅(qū)動(dòng)芯片選用 ULN2003芯片，ULN2003芯片是一種高耐壓、大電流、內(nèi)部包含七個(gè)硅PNP達(dá)林頓管的驅(qū)動(dòng)芯片。

步進(jìn)電機(jī)的控制主要通過按鍵來實(shí)現(xiàn)，分別負(fù)責(zé)控制加減速、換向、轉(zhuǎn)速。 STC89C51單片機(jī)向ULN2003輸出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)芯片將脈沖信號(hào)進(jìn)行電壓和電流放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)分別作相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　

3　硬件電路設(shè)計(jì)

以STC89C51單片機(jī)為核心處理器及主控制器，由28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)與ULN2003組成電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊，矩陣鍵盤模塊分別控制步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、加速、減速，顯示模塊驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

3.1步進(jìn)電機(jī)選擇與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)部接線如圖3所示。

28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)一共有四組線圈，每對繞組有一個(gè)共同端點(diǎn)，將兩個(gè)公共端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共得到5根引出線。給各引出端通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由給定工作方式的換相通電順序決定。正轉(zhuǎn)的循環(huán)通電順序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，反轉(zhuǎn)的循環(huán)通電順序是D-DC-C-CB-B-BA-A-AD，通過調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)繞組的通電順序，來控制其轉(zhuǎn)動(dòng)方向，通過調(diào)整發(fā)射脈沖信號(hào)的頻率來控制其轉(zhuǎn)速，頻率越高，速度越快。

圖2　

圖3　

3.2單片機(jī)系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用STC89C5l單片機(jī)作為核心，如圖4所示，該單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，使用方便，能夠反復(fù)寫入或擦除程序達(dá)幾萬次以上。除此之外，STC89C51還支持MCS51系列單片機(jī)的所有功能。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由復(fù)位電路和振蕩電路組成。最小系統(tǒng)如圖5所示。

圖4　

圖5　

3.3按鍵控制電路

開關(guān)斷開時(shí)，輸出電壓為低電平，開關(guān)閉合時(shí)，輸出電壓為高電平。通過按鍵掃描程序掃描按鍵輸出的是否為高電平就可以判斷按鍵是否閉合。設(shè)計(jì)四個(gè)發(fā)光二極管用于顯示當(dāng)前脈沖信號(hào)的發(fā)射狀態(tài)，如果按鍵按下，則發(fā)光二極管的發(fā)光狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變?？刂瓢存I電路如圖6所示。

圖6　

3.4數(shù)碼管顯示電路

選用共陽極數(shù)碼管來顯示步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向。數(shù)碼管顯示電路圖如圖7所示。

圖7　

3.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

ULN2003通過1號(hào)到4號(hào)接口依次與單片機(jī)的28號(hào)到25號(hào)接口相連，STC89C51通過這四個(gè)引腳向ULN2003輸入信號(hào)，同時(shí)ULN2003的16號(hào)到13號(hào)接口與步進(jìn)電機(jī)相連用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用單拍方式對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，1號(hào)到4號(hào)接口在同一時(shí)刻只有一個(gè)連通，其余的3個(gè)接口斷開。步進(jìn)電機(jī)每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)引出端與ULN2003相連。驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

圖8　

4　軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件設(shè)計(jì)思路

軟件系統(tǒng)采用MCS-51 單片機(jī)匯編語言編寫，系統(tǒng)由初始化模塊、按鍵模塊、顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊等幾個(gè)部分組成，通過按鍵模塊控制步進(jìn)電機(jī)的啟停，調(diào)整轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向通過LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。程序流程圖如圖9所示。

圖9　

4.2按鍵掃描模塊

按鍵掃描子程序的運(yùn)行流程是首先啟動(dòng)按鍵掃描子程序，然后掃描按鍵輸出端，檢測是否有按鍵動(dòng)作發(fā)生，如果沒有按鍵動(dòng)作發(fā)生，就回到程序的開始，即繼續(xù)掃描按鍵輸出端以檢測是否發(fā)生按鍵動(dòng)作，直到檢測到有按鍵動(dòng)作發(fā)生時(shí)運(yùn)行按鍵處理子程序，而后回到程序的初始，繼續(xù)掃描按鍵輸出端。在本子程序中，還需要加入一個(gè)消抖子程序，當(dāng)檢測到輸入時(shí)，運(yùn)行一個(gè)延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間為十毫秒，接著再次對按鍵輸端進(jìn)行掃描，如果仍能檢測到輸入，則說明真的有按鍵動(dòng)作發(fā)生，否則按鍵輸出是由抖動(dòng)產(chǎn)生，最后將所確認(rèn)的按鍵輸出值反饋給按鍵掃描子程序以準(zhǔn)備運(yùn)行按鍵處理子程序。

4.3按鍵處理模塊

按鍵處理子程序的目的是改變定時(shí)器T0的運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)槎〞r(shí)器T0控制著脈沖信號(hào)的輸出。按鍵處理子程序的運(yùn)行流程是：首先開始運(yùn)行按鍵處理子程序，將各變量初始化，接著依次檢測四個(gè)按鍵是否有按鍵動(dòng)作發(fā)生，如果有按鍵動(dòng)作發(fā)生，就對相應(yīng)的值做修改，然后退出該程序。需要注意的是，每運(yùn)行一次程序只對一個(gè)按鍵做出反應(yīng)，即檢測到一個(gè)按鍵有輸入并處理完之后就退出該程序而非把所有按鍵都檢測一遍之后再退出。

4.4步進(jìn)電機(jī)控制模塊

在設(shè)計(jì)中，將換向子程序放在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，運(yùn)行時(shí)，通過判斷換向按鍵是否按下，來決定是否執(zhí)行換向子程序，以達(dá)到對轉(zhuǎn)向的控制。首先運(yùn)行步進(jìn)電機(jī)控制中斷子程序，設(shè)置T0時(shí)間參數(shù)，接著根據(jù)按鍵處理子程序運(yùn)行的結(jié)果判斷是否需要改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制位的值，如果需要?jiǎng)t改變方向控制位的變量值，然后退出程序，如果不需要?jiǎng)t再根據(jù)按鍵輸出子程序的運(yùn)行結(jié)果來查詢輸出脈沖為多少，最后退出程序。需注意的是，如果按鍵處理子程序沒有檢測到加速、減速按鈕的按鍵動(dòng)作，則根據(jù)步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來決定脈沖信號(hào)的輸出頻率。

5　總結(jié)

本文基于STC89C 51單片機(jī)、ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片和28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)控制硬件電路，軟件編程實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和停轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、精確度高、通用性強(qiáng)、成本低廉。經(jīng)仿真測試，該步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了良好效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、軋鋼機(jī)、機(jī)器人以及自動(dòng)化儀表等多個(gè)方面。具有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.165