1、.基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計-機(jī)電論文基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計 謝海明（湖南長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長沙410004）摘要：與其他類型的電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)具有更加明顯的優(yōu)勢，步進(jìn)電機(jī)中的定角轉(zhuǎn)動控制利用電脈沖信號控制相繞組電流，因此實現(xiàn)了更精確的開環(huán)控制，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)無積累誤差，這使步進(jìn)電機(jī)成為了目前常用的一種機(jī)電元件，而使用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制性能更加優(yōu)良。現(xiàn)以步進(jìn)電機(jī)的基本概念為切入點(diǎn)，在分析步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制的設(shè)計，旨在為教學(xué)及實踐提供切實可行的理論參考。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)控制；設(shè)計0引言關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)涉及國民

2、生活的方方面面，例如指針式電子鐘表、印刷機(jī)等等。為了能夠進(jìn)一步達(dá)到智能化控制的要求，需要步進(jìn)電機(jī)的控制性能上升一個水平，于是提出了單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)與其他電機(jī)最大的不同在于，步進(jìn)電機(jī)是通過輸入脈沖信號進(jìn)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(jìn)電機(jī)十分適合與單片機(jī)結(jié)合。1步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于精確定位系統(tǒng)，與其他電機(jī)不同，不會出現(xiàn)積累誤差。綜合分析步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：第一，控制更加方便，直接使用數(shù)字信號進(jìn)行開環(huán)控制；第二，使用更加方便，不需要進(jìn)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(yīng)，響應(yīng)性較佳；第四

3、，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低。目前，步進(jìn)電機(jī)的種類從類型上分為機(jī)械式、電磁式、組合式三種1，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分為反應(yīng)式、永磁式、混合式2。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)最簡單，同時也是應(yīng)用范圍最廣泛的一種。從步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由運(yùn)動控制部件、驅(qū)動部件、運(yùn)動執(zhí)行部件組成3。作為一個完整的整體，以單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、外圍電路、驅(qū)動電路、步進(jìn)電機(jī)組成。其中，單片機(jī)系統(tǒng)是利用微處理器、只讀存儲器、隨機(jī)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(jī)的步進(jìn)電機(jī)能夠提高整個系統(tǒng)的工作效率與可靠性。3基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電

4、機(jī)設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)設(shè)計綜合考慮各方面條件、因素，本次設(shè)計采用AT89S52型單片機(jī)，在系統(tǒng)功能方面，采用電路上電復(fù)位或手動按鈕復(fù)位，精度高。使用單片機(jī)最小系統(tǒng)和少量外圍器件組成基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、時鐘晶振電路、復(fù)位電路等組成4。AT89S52單片機(jī)主要功能如表1所示。考慮到單片機(jī)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(dá)林頓芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，保證步進(jìn)電機(jī)正常工作。為了進(jìn)一步提高其性能，本設(shè)計增加拓展實現(xiàn)方案，利用兩個型號為ULN2003A的大功率達(dá)林頓芯片作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板，提高低電平驅(qū)動能力。 3.2

5、軟件系統(tǒng)設(shè)計借助軟件編程，利用單片機(jī)進(jìn)行電極控制的脈沖分配，保證步進(jìn)電機(jī)的正常工作。本次研究中步進(jìn)電機(jī)采用的是四相步進(jìn)電機(jī)，但為提高步進(jìn)電機(jī)的負(fù)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(dú)給B相通電，之后B、C兩相線圈通電。在設(shè)計階段，關(guān)于基礎(chǔ)實現(xiàn)方案程序的設(shè)計方面，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的流程可以簡單化為開始初始化按鍵判斷相應(yīng)按鍵子程序。關(guān)于軟件設(shè)計的拓展實現(xiàn)方案，在單片機(jī)的P2口設(shè)計堆棧，開始時步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，對按鍵進(jìn)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

6、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(yùn)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(jī)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(shè)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(jī)程序進(jìn)行調(diào)試。所謂的仿真器就是利用仿真軟件進(jìn)行單片機(jī)運(yùn)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(yīng)支持程序調(diào)試的軟件，最后達(dá)到直接通過單片機(jī)仿真器進(jìn)行程序輸入與修改的效果，同時還能夠觀察程序運(yùn)行結(jié)果和運(yùn)行過程中的中間值，以大大提高編

7、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(jìn)制或二進(jìn)制的代碼，將其寫入單片機(jī)程序存儲器中，保證單片器能夠在電路板上正常運(yùn)行。開始進(jìn)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(shè)置。新建一個文件夾，將步進(jìn)電機(jī)的控制程序輸入，完成保存。進(jìn)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(jìn)行調(diào)試操作，觀察電路板步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效果，如果存在功能障礙問題，則需重新進(jìn)行編譯操作。為了更加快速、準(zhǔn)確地找到錯誤，可以在

8、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(xì)了解每條指令的具體執(zhí)行情況，全速執(zhí)行可以配合設(shè)置斷點(diǎn)，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(jìn)單片機(jī)硬件芯片中，具體操作程序為：第一步，將單片機(jī)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行編程操作，直接選擇自動編程，完成

9、整個操作；第七步，在點(diǎn)擊自動編程之后，程序會開始自動進(jìn)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(jī)的存儲器中，整個操作就完成，單片機(jī)就可以在電路板上進(jìn)行正常運(yùn)行了。4結(jié)語基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)利用單片機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行操作，從而實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向控制。在硬件設(shè)計與軟件設(shè)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(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制器控制效果較佳，展現(xiàn)出了良好的運(yùn)行效果。本文將研究的重點(diǎn)放在了設(shè)計方面，后期的仿真操作以及實際運(yùn)行仍然需要從多個角度、多個方面進(jìn)行深入分析與研究。 參考文獻(xiàn)1王晨光，孫運(yùn)強(qiáng)，許鴻鷹.步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制設(shè)計分析J.國外電子測量技術(shù)，2008，27（9）：3941，60.2鄭虎子.單片機(jī)控制混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的研究及設(shè)計D.武漢：華中科技大學(xué)，2007：123124.3汪姝.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)D.南昌：南昌大學(xué)，2012：186187.4熊超美.步進(jìn)電