郭蕓俊，張煥梅

(1.太原工業(yè)學院計算機工程系，山西 太原 030008；2.太原工業(yè)學院機械工程系，山西 太原 030008)

基于AT89C51的步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

郭蕓俊1，張煥梅2

(1.太原工業(yè)學院計算機工程系，山西 太原 030008；2.太原工業(yè)學院機械工程系，山西 太原 030008)

本設(shè)計以單片機AT89C51為控制核心，采用其內(nèi)部的定時器改變CP脈沖頻率從而實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速進行控制。以L297作為驅(qū)動芯片產(chǎn)生驅(qū)動脈沖信號，由按鍵控制步進電機的步進方向和步進速度，并經(jīng)液晶顯示器實時顯示，通過仿真軟件Proteus對系統(tǒng)做了仿真和測試。

AT89C51；步進電機；Proteus；控制系統(tǒng)

步進電機是一種將脈沖電信號直接轉(zhuǎn)換為角位移的機電一體化執(zhí)行元件。電機本體、控制器和驅(qū)動器是構(gòu)成步進電機控制系統(tǒng)的三大重要組成部分。當步進電機本體確定后，則系統(tǒng)的性能主要取決于驅(qū)動器及控制器的優(yōu)劣。在工業(yè)控制中，由于步進電機具有良好的步進特性及較好的控制性能，其啟停、正反轉(zhuǎn)等均可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，沒有累積誤差且可獲得較高的控制精度[1]，使其非常適合于單片機控制。以單片機為控制器的步進電機控制系統(tǒng)因其穩(wěn)定性好、性價比高、使用靈活等優(yōu)點，在各種自動化控制系統(tǒng)和機電一體化設(shè)備，如數(shù)控機床、機器人等中得到了廣泛的應用，一般利用單片機的可編程I/O口P0-P3即可實現(xiàn)對步進電機的控制[2]。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用單片機AT89C51作為主控芯片，利用其產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖通過驅(qū)動芯片放大，從而驅(qū)動四相步進電機。通過相關(guān)按鍵，實現(xiàn)對步進電機的控制，如啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等功能，通過軟硬件相結(jié)合的控制方法，實現(xiàn)了單片機對步進電機的控制，通過液晶顯示屏實時顯示步進電機轉(zhuǎn)速及方向。[3]系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路主要包括單片機最小系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動電路、按鍵電路及顯示電路等部分。

2.1 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計

步進電機的驅(qū)動方式有很多，集成電路集驅(qū)動和保護于一體，作為步進電動機的專用驅(qū)動芯片，使用起來非常方便，故本設(shè)計中選擇ULN2003A作為步進電動機的驅(qū)動芯片。步進電機常用控制方式有單雙四拍及四相八拍等，可以通過微機控制L297生成四相控制信號，實現(xiàn)對步進電機的控制。

本系統(tǒng)采用L297和ULN2003A構(gòu)成驅(qū)動電路，P0.0口控制L297的方向控制端，P0.1控制步進時鐘輸入端，使L297輸出四相八拍工作所需的正確相序，L297的四相輸出接ULN2003A的1-4B使其1-4C輸出放大后的四相驅(qū)動信號，從而驅(qū)動步進電機運行[4]。電路圖如圖2所示。

圖2 電機驅(qū)動電路圖

2.2 液晶顯示電路設(shè)計

系統(tǒng)采用液晶顯示芯片LM016L，與單片機的連接采用直連的方法，通過P1口的P1.0-P1.7控制LM016L實時顯示步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。電路連接如圖3所示。

圖3 顯示模塊設(shè)計圖

2.3 按鍵電路設(shè)計

按鍵主要用來提供人機接口，在本設(shè)計中，按鍵采用獨立按鍵。按鍵工作方式采用定時掃描方式，利用定時器T0定時，通過輸出數(shù)據(jù)，識別按鍵的工作狀態(tài)。各功能按鍵分別與AT89C51的P3.1-P3.5相連接，實現(xiàn)步進電機的暫停、加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計，系統(tǒng)主程序要完成的工作主要有系統(tǒng)參數(shù)初始化、系統(tǒng)初始狀態(tài)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測判斷等。包括初始化定時器及外部中斷、對P1口、速度值存儲區(qū)和方向值存儲區(qū)送初值等內(nèi)容。若初始化時P1=11H，速度和方向初始值均設(shè)為0，則意味著步進電機按四相單八拍運行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進電機不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“0”，速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試仿真

本設(shè)計采用Keil和Proteus對系統(tǒng)進行仿真及調(diào)試。系統(tǒng)檢測按鍵按下的情況，利用LCD將步進電機的轉(zhuǎn)速和方向顯示出來，正轉(zhuǎn)仿真結(jié)果如圖5所示，反轉(zhuǎn)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 正轉(zhuǎn)仿真圖 圖6 反轉(zhuǎn)仿真圖

5 結(jié)束語

本設(shè)計基于Proteus和單片機AT89C51完成了步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可應用于步進電機控制的大多數(shù)場合。

[1] 盧超.基于Proteus的步進電機控制系統(tǒng)仿真設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2010(6)：54-57.

[2] 李明.基于Proteus的單片機對步進電機運動控制仿真[J].價值工程，2012(5)：153-154.

[3] 楊宏，李國輝.基于Proteus與單片機的步進電機控制設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(5)：104-106,109.

[4] 彭礴，張明敏，林飛龍，等.基于AT89S52高精度步進電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2011(3):49-53.

Design of Stepper Motor Controlling System Based on AT89C51

Guo Yunjun1, Zhang Huanmei2

(1.DepartmentofComputerEngineering,TaiyuanInstituteofTechnology,TaiyuanShanxi030008,China；2.DepartmentofMechanicalEngineering.TaiyuanInstituteofTechnology,TaiyuanShanxi030008,China)

The design uses the AT89C51 MCU as the control center; the speed of stepper motor is controlled by changing the CP pulse frequency with the internal timer of AT89C51 MCU. The L297 is used as driver chip to produce a drive pulse signal. The stepping direction and speed are controlled by the keyboard, and at the same time, they are displayed on the LCD real-time. The system is simulated and tested by the simultative software proteus.

AT89C51; stepper motor; Proteus; control system

2017-02-09

郭蕓俊(1971- )，男，山西祁縣人，實驗師，碩士，研究方向為嵌入式系統(tǒng)及應用軟件開發(fā)。

1674- 4578(2017)02- 0005- 02

TM383.6

A