基于單片機的步進電動機控制系統(tǒng)設計

李盾

摘要：步進電動機是一種受脈沖信號控制的電機元件，文章介紹了一種選用單片機STC89C52系統(tǒng)，該系統(tǒng)遵循操作方便，性價比高的原則，設計出一種安全穩(wěn)定、適應性強的步進電動機控制系統(tǒng)。

關鍵詞：步進電動機；STC89C52；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TM383 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）12-0019-03

步進電動機又被稱為脈沖電動機或階躍電動機，每給步進電動機一個脈沖信號，它就轉過一個固定角度。步進電動機只存在周期性誤差，故精確度很高。目前，控制步進電動機主要有三種方式，分別是基于電子電路控制、基于單片機控制和基于PLC控制。由于電子電路控制步進電動機時，若用于開環(huán)系統(tǒng)，精度較低，用于閉環(huán)系統(tǒng)，雖可以實現(xiàn)高精度控制，但需要通過一系列集成電路來實現(xiàn)，靈活性反而降低；通過PLC控制時，由于PLC掃描周期過短，工作在高頻區(qū)域時會導致精度降低；基于單片機控制步進電動機，靈活性較高，只需要改變軟件就能適用于不同的環(huán)境，配合上顯示電路、復位電路和控制電路，將大大提高人機交互性。

1 總體設計

本系統(tǒng)的組成框圖（圖1）如下，單片機接受來自鍵盤控制模塊的指令，并將狀態(tài)信息傳遞至顯示模塊，單片機控制信號經(jīng)驅動電路，可控制步進電動機的轉速及方向。本系統(tǒng)選用的單片機STC89C52有40個引腳，其中P2.0--P2.3為步進電動機驅動信號，P1為數(shù)碼管控制端口，P2.5為數(shù)碼管控制芯片74HC573位碼選通控制端，P2.7為74HC573段碼選通控制端，P0.0--P0.2為位顯示端口，P2.4為運行狀態(tài)顯示端口，P2.6為運行方向顯示端口，P3.4--P3.7為掃描鍵盤行線，P3.2--P3.3為掃描鍵盤列線。

2 硬件電路設計

本系統(tǒng)工作電壓為5V，初始化復位操作有上電復位和手動復位兩種方式。上電復位即STC89C52上電后，通過外部復位電容實現(xiàn)自動復位，手動復位是通過運行過程中按下RST按鍵實現(xiàn)的。單片機的內部震蕩方式是在Pin18和Pin19引腳上接上12M晶振，晶振兩端接30pF電容，電容另一端并聯(lián)接地。

由于單片機的輸入輸出端口有限，故按鍵輸入電路采用動態(tài)掃描的設計方式，掃描鍵盤的返回線端口是P3.2和P3.3，即單片機的外部中斷輸入端口。按鍵掃描的原理是，掃描線順序設定為P3.4～P3.7，當P3.4置零后，單片機讀取返回線的狀態(tài)如果全是1，則表示沒有按鍵按下；如果P3.2或P3.3為零，則表示相應的按鍵按下，隨即進入相應的處理程序。掃描完成后，將P3.4置1。以此類推，先后掃描P3.5、P3.6和P3.7。在處理相應程序前，需要增加一個延時函數(shù)，以去除抖動避免重復執(zhí)行程序。

系統(tǒng)的顯示電路由四位共陰數(shù)碼管和74HC573組成。選用74HC573，可以節(jié)省單片機的輸入輸出端口。兩片74HC573的2--9引腳分別連接單片機P1.0--P1.7端口，其中一片74HC573控制數(shù)碼管的段顯示，其19--12引腳與數(shù)碼管的A—DP相連接，另一片74HC573控制數(shù)碼管的位顯示，其19--16引腳與數(shù)碼管的使能端相連接。數(shù)碼管動態(tài)顯示時，如要顯示“1、2、3、4”，單片機的P1口先輸出令第一個數(shù)碼管點亮的位碼0xfe，然后令控制位顯示的74HC573鎖存端置1，段顯示74HC573置0，相應數(shù)碼管點亮。隨后P1口輸出1的段顯示碼0x06，經(jīng)短暫延時后，依次點亮第二個、第三個和第四個數(shù)碼管，并相應顯示對應的數(shù)字。

本系統(tǒng)選用的28BYJ48型步進電動機屬于四項五線電機，步進角度為5.625/64度，轉動一周所需的脈沖數(shù)為4096，工作電壓為直流5-12V，本系統(tǒng)使用ULN2003直接驅動步進電動機，并采用單項繞組通電四拍模式的驅動方式（A-B-C-D-A）。

3 軟件設計

系統(tǒng)經(jīng)過初始化后，便進入待機狀態(tài)，等待按鍵中斷的產(chǎn)生。在連續(xù)運行模塊中，定時器1開啟后，便進入顯示掃描。在連續(xù)運行模塊中，位按鍵按下，再按上升鍵和下降鍵調節(jié)，最后按下啟停鍵，步進電動機便按照設定的速度運行。如果需要改變方向，按下反向鍵即可。進入預置步模式時，首先開啟定時器1，數(shù)碼管便顯示當前的模式是模式3，設定的步數(shù)是零，然后用位選擇鍵、上升鍵和下降鍵可以調整步數(shù)，反向鍵可以改變運行的方向。定時器0控制步進電動機的輸出頻率，當定時器0發(fā)生中斷后，相應的記錄中斷次數(shù)元素t加1，當t的數(shù)值與設定的檔位大小相等的時候，單片機向步進電動機輸出一個脈沖信號，步進電動機便運行一步。定時器1的中斷發(fā)生，重設初始值時，調用顯示函數(shù)，數(shù)碼管便顯示設定的各項數(shù)值。

4 仿真實驗和調試

本系統(tǒng)使用Keil代碼調試軟件和Proteus仿真軟件，分別對模式鍵、位選擇鍵、上升鍵、下降鍵、啟停鍵、反向鍵、順時針鍵、逆時針鍵、連續(xù)運行模式和預置步模式進行仿真調試，設計完全達到了預期功能。

5 結語

本系統(tǒng)通過分析步進電動機的工作原理，按照實用、可靠和低成本的原則，設計出一種滿足精度較高，控制較為完備的步進電動機控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。本系統(tǒng)的開發(fā)設計，將對數(shù)控系統(tǒng)、通信和雷達設備、醫(yī)療裝置及數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻

[1] 畢少新.步進電機驅動控制的應用研究[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：清華大學出版社，2008.

摘要：步進電動機是一種受脈沖信號控制的電機元件，文章介紹了一種選用單片機STC89C52系統(tǒng)，該系統(tǒng)遵循操作方便，性價比高的原則，設計出一種安全穩(wěn)定、適應性強的步進電動機控制系統(tǒng)。

關鍵詞：步進電動機；STC89C52；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TM383 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）12-0019-03

步進電動機又被稱為脈沖電動機或階躍電動機，每給步進電動機一個脈沖信號，它就轉過一個固定角度。步進電動機只存在周期性誤差，故精確度很高。目前，控制步進電動機主要有三種方式，分別是基于電子電路控制、基于單片機控制和基于PLC控制。由于電子電路控制步進電動機時，若用于開環(huán)系統(tǒng)，精度較低，用于閉環(huán)系統(tǒng)，雖可以實現(xiàn)高精度控制，但需要通過一系列集成電路來實現(xiàn)，靈活性反而降低；通過PLC控制時，由于PLC掃描周期過短，工作在高頻區(qū)域時會導致精度降低；基于單片機控制步進電動機，靈活性較高，只需要改變軟件就能適用于不同的環(huán)境，配合上顯示電路、復位電路和控制電路，將大大提高人機交互性。

1 總體設計

本系統(tǒng)的組成框圖（圖1）如下，單片機接受來自鍵盤控制模塊的指令，并將狀態(tài)信息傳遞至顯示模塊，單片機控制信號經(jīng)驅動電路，可控制步進電動機的轉速及方向。本系統(tǒng)選用的單片機STC89C52有40個引腳，其中P2.0--P2.3為步進電動機驅動信號，P1為數(shù)碼管控制端口，P2.5為數(shù)碼管控制芯片74HC573位碼選通控制端，P2.7為74HC573段碼選通控制端，P0.0--P0.2為位顯示端口，P2.4為運行狀態(tài)顯示端口，P2.6為運行方向顯示端口，P3.4--P3.7為掃描鍵盤行線，P3.2--P3.3為掃描鍵盤列線。

2 硬件電路設計

本系統(tǒng)工作電壓為5V，初始化復位操作有上電復位和手動復位兩種方式。上電復位即STC89C52上電后，通過外部復位電容實現(xiàn)自動復位，手動復位是通過運行過程中按下RST按鍵實現(xiàn)的。單片機的內部震蕩方式是在Pin18和Pin19引腳上接上12M晶振，晶振兩端接30pF電容，電容另一端并聯(lián)接地。

由于單片機的輸入輸出端口有限，故按鍵輸入電路采用動態(tài)掃描的設計方式，掃描鍵盤的返回線端口是P3.2和P3.3，即單片機的外部中斷輸入端口。按鍵掃描的原理是，掃描線順序設定為P3.4～P3.7，當P3.4置零后，單片機讀取返回線的狀態(tài)如果全是1，則表示沒有按鍵按下；如果P3.2或P3.3為零，則表示相應的按鍵按下，隨即進入相應的處理程序。掃描完成后，將P3.4置1。以此類推，先后掃描P3.5、P3.6和P3.7。在處理相應程序前，需要增加一個延時函數(shù)，以去除抖動避免重復執(zhí)行程序。

系統(tǒng)的顯示電路由四位共陰數(shù)碼管和74HC573組成。選用74HC573，可以節(jié)省單片機的輸入輸出端口。兩片74HC573的2--9引腳分別連接單片機P1.0--P1.7端口，其中一片74HC573控制數(shù)碼管的段顯示，其19--12引腳與數(shù)碼管的A—DP相連接，另一片74HC573控制數(shù)碼管的位顯示，其19--16引腳與數(shù)碼管的使能端相連接。數(shù)碼管動態(tài)顯示時，如要顯示“1、2、3、4”，單片機的P1口先輸出令第一個數(shù)碼管點亮的位碼0xfe，然后令控制位顯示的74HC573鎖存端置1，段顯示74HC573置0，相應數(shù)碼管點亮。隨后P1口輸出1的段顯示碼0x06，經(jīng)短暫延時后，依次點亮第二個、第三個和第四個數(shù)碼管，并相應顯示對應的數(shù)字。

本系統(tǒng)選用的28BYJ48型步進電動機屬于四項五線電機，步進角度為5.625/64度，轉動一周所需的脈沖數(shù)為4096，工作電壓為直流5-12V，本系統(tǒng)使用ULN2003直接驅動步進電動機，并采用單項繞組通電四拍模式的驅動方式（A-B-C-D-A）。

3 軟件設計

系統(tǒng)經(jīng)過初始化后，便進入待機狀態(tài)，等待按鍵中斷的產(chǎn)生。在連續(xù)運行模塊中，定時器1開啟后，便進入顯示掃描。在連續(xù)運行模塊中，位按鍵按下，再按上升鍵和下降鍵調節(jié)，最后按下啟停鍵，步進電動機便按照設定的速度運行。如果需要改變方向，按下反向鍵即可。進入預置步模式時，首先開啟定時器1，數(shù)碼管便顯示當前的模式是模式3，設定的步數(shù)是零，然后用位選擇鍵、上升鍵和下降鍵可以調整步數(shù)，反向鍵可以改變運行的方向。定時器0控制步進電動機的輸出頻率，當定時器0發(fā)生中斷后，相應的記錄中斷次數(shù)元素t加1，當t的數(shù)值與設定的檔位大小相等的時候，單片機向步進電動機輸出一個脈沖信號，步進電動機便運行一步。定時器1的中斷發(fā)生，重設初始值時，調用顯示函數(shù)，數(shù)碼管便顯示設定的各項數(shù)值。

4 仿真實驗和調試

本系統(tǒng)使用Keil代碼調試軟件和Proteus仿真軟件，分別對模式鍵、位選擇鍵、上升鍵、下降鍵、啟停鍵、反向鍵、順時針鍵、逆時針鍵、連續(xù)運行模式和預置步模式進行仿真調試，設計完全達到了預期功能。

5 結語

本系統(tǒng)通過分析步進電動機的工作原理，按照實用、可靠和低成本的原則，設計出一種滿足精度較高，控制較為完備的步進電動機控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。本系統(tǒng)的開發(fā)設計，將對數(shù)控系統(tǒng)、通信和雷達設備、醫(yī)療裝置及數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻

[1] 畢少新.步進電機驅動控制的應用研究[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：清華大學出版社，2008.

摘要：步進電動機是一種受脈沖信號控制的電機元件，文章介紹了一種選用單片機STC89C52系統(tǒng)，該系統(tǒng)遵循操作方便，性價比高的原則，設計出一種安全穩(wěn)定、適應性強的步進電動機控制系統(tǒng)。

關鍵詞：步進電動機；STC89C52；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TM383 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）12-0019-03

步進電動機又被稱為脈沖電動機或階躍電動機，每給步進電動機一個脈沖信號，它就轉過一個固定角度。步進電動機只存在周期性誤差，故精確度很高。目前，控制步進電動機主要有三種方式，分別是基于電子電路控制、基于單片機控制和基于PLC控制。由于電子電路控制步進電動機時，若用于開環(huán)系統(tǒng)，精度較低，用于閉環(huán)系統(tǒng)，雖可以實現(xiàn)高精度控制，但需要通過一系列集成電路來實現(xiàn)，靈活性反而降低；通過PLC控制時，由于PLC掃描周期過短，工作在高頻區(qū)域時會導致精度降低；基于單片機控制步進電動機，靈活性較高，只需要改變軟件就能適用于不同的環(huán)境，配合上顯示電路、復位電路和控制電路，將大大提高人機交互性。

1 總體設計

本系統(tǒng)的組成框圖（圖1）如下，單片機接受來自鍵盤控制模塊的指令，并將狀態(tài)信息傳遞至顯示模塊，單片機控制信號經(jīng)驅動電路，可控制步進電動機的轉速及方向。本系統(tǒng)選用的單片機STC89C52有40個引腳，其中P2.0--P2.3為步進電動機驅動信號，P1為數(shù)碼管控制端口，P2.5為數(shù)碼管控制芯片74HC573位碼選通控制端，P2.7為74HC573段碼選通控制端，P0.0--P0.2為位顯示端口，P2.4為運行狀態(tài)顯示端口，P2.6為運行方向顯示端口，P3.4--P3.7為掃描鍵盤行線，P3.2--P3.3為掃描鍵盤列線。

2 硬件電路設計

本系統(tǒng)工作電壓為5V，初始化復位操作有上電復位和手動復位兩種方式。上電復位即STC89C52上電后，通過外部復位電容實現(xiàn)自動復位，手動復位是通過運行過程中按下RST按鍵實現(xiàn)的。單片機的內部震蕩方式是在Pin18和Pin19引腳上接上12M晶振，晶振兩端接30pF電容，電容另一端并聯(lián)接地。

由于單片機的輸入輸出端口有限，故按鍵輸入電路采用動態(tài)掃描的設計方式，掃描鍵盤的返回線端口是P3.2和P3.3，即單片機的外部中斷輸入端口。按鍵掃描的原理是，掃描線順序設定為P3.4～P3.7，當P3.4置零后，單片機讀取返回線的狀態(tài)如果全是1，則表示沒有按鍵按下；如果P3.2或P3.3為零，則表示相應的按鍵按下，隨即進入相應的處理程序。掃描完成后，將P3.4置1。以此類推，先后掃描P3.5、P3.6和P3.7。在處理相應程序前，需要增加一個延時函數(shù)，以去除抖動避免重復執(zhí)行程序。

系統(tǒng)的顯示電路由四位共陰數(shù)碼管和74HC573組成。選用74HC573，可以節(jié)省單片機的輸入輸出端口。兩片74HC573的2--9引腳分別連接單片機P1.0--P1.7端口，其中一片74HC573控制數(shù)碼管的段顯示，其19--12引腳與數(shù)碼管的A—DP相連接，另一片74HC573控制數(shù)碼管的位顯示，其19--16引腳與數(shù)碼管的使能端相連接。數(shù)碼管動態(tài)顯示時，如要顯示“1、2、3、4”，單片機的P1口先輸出令第一個數(shù)碼管點亮的位碼0xfe，然后令控制位顯示的74HC573鎖存端置1，段顯示74HC573置0，相應數(shù)碼管點亮。隨后P1口輸出1的段顯示碼0x06，經(jīng)短暫延時后，依次點亮第二個、第三個和第四個數(shù)碼管，并相應顯示對應的數(shù)字。

本系統(tǒng)選用的28BYJ48型步進電動機屬于四項五線電機，步進角度為5.625/64度，轉動一周所需的脈沖數(shù)為4096，工作電壓為直流5-12V，本系統(tǒng)使用ULN2003直接驅動步進電動機，并采用單項繞組通電四拍模式的驅動方式（A-B-C-D-A）。

3 軟件設計

系統(tǒng)經(jīng)過初始化后，便進入待機狀態(tài)，等待按鍵中斷的產(chǎn)生。在連續(xù)運行模塊中，定時器1開啟后，便進入顯示掃描。在連續(xù)運行模塊中，位按鍵按下，再按上升鍵和下降鍵調節(jié)，最后按下啟停鍵，步進電動機便按照設定的速度運行。如果需要改變方向，按下反向鍵即可。進入預置步模式時，首先開啟定時器1，數(shù)碼管便顯示當前的模式是模式3，設定的步數(shù)是零，然后用位選擇鍵、上升鍵和下降鍵可以調整步數(shù)，反向鍵可以改變運行的方向。定時器0控制步進電動機的輸出頻率，當定時器0發(fā)生中斷后，相應的記錄中斷次數(shù)元素t加1，當t的數(shù)值與設定的檔位大小相等的時候，單片機向步進電動機輸出一個脈沖信號，步進電動機便運行一步。定時器1的中斷發(fā)生，重設初始值時，調用顯示函數(shù)，數(shù)碼管便顯示設定的各項數(shù)值。

4 仿真實驗和調試

本系統(tǒng)使用Keil代碼調試軟件和Proteus仿真軟件，分別對模式鍵、位選擇鍵、上升鍵、下降鍵、啟停鍵、反向鍵、順時針鍵、逆時針鍵、連續(xù)運行模式和預置步模式進行仿真調試，設計完全達到了預期功能。

5 結語

本系統(tǒng)通過分析步進電動機的工作原理，按照實用、可靠和低成本的原則，設計出一種滿足精度較高，控制較為完備的步進電動機控制系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。本系統(tǒng)的開發(fā)設計，將對數(shù)控系統(tǒng)、通信和雷達設備、醫(yī)療裝置及數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻

[1] 畢少新.步進電機驅動控制的應用研究[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：清華大學出版社，2008.