楊清泉

摘要：本文通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)、工作原理的分析，利用AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)，價(jià)格低、技術(shù)成熟的特點(diǎn)，結(jié)合地址存儲(chǔ)芯片、多位數(shù)碼管等，開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)可視控制器，該控制器具有價(jià)格低廉、技術(shù)成熟、控制可靠，體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，特別適合學(xué)生實(shí)習(xí)、教學(xué)等環(huán)節(jié)使用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，步進(jìn)電機(jī)，調(diào)速，速度顯示

中圖分類號(hào)：TM383.6;TP368.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1672-9129（2020）12-0046-02

前言：?jiǎn)纹瑱C(jī)是指集成在一快芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它擁有：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有內(nèi)存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的控制微電機(jī)，其機(jī)械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成比例。

通過(guò)改變電脈沖頻率，可在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速。同時(shí)，該電機(jī)還能快速起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和自鎖。此外，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的執(zhí)行元件。目前，在數(shù)控生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域，有三分之二以上采用的是步進(jìn)電機(jī)作為伺服控制系統(tǒng)的控制電機(jī)的。因此，如何改善步進(jìn)電機(jī)的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精度，成為提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。

由于51單片機(jī)的價(jià)格比較低，所以采用單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的控制器可以免去單獨(dú)購(gòu)買步進(jìn)電機(jī)控制器高昂的價(jià)格。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)可以簡(jiǎn)化一些復(fù)雜的電路連接，提高了可靠性的同時(shí)也降低了成本，后期維護(hù)也較為簡(jiǎn)單。擴(kuò)展性比較強(qiáng)，需要擴(kuò)展更多功能時(shí)，可通過(guò)修改控制程序達(dá)到目的。因此，通過(guò)本文，掌握單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制器電路設(shè)計(jì)方法;掌握單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制器編程方法，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用有著重要意義。

1 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)

單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、寄存器等單元組成。

2 四相步進(jìn)電機(jī)工作模式

四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度

3 方案設(shè)計(jì)

3.1主要實(shí)現(xiàn)功能。

（1）通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)5V或12V 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速的改變和顯示。

（2）通過(guò)按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速控制。

（3）通過(guò)多位8段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)顯示。

（4）利用PWM脈寬調(diào)整方式，設(shè)計(jì)程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

3.2實(shí)施方案。首先，需要用到一快單片機(jī)用于運(yùn)算和控制，采用Atmel生產(chǎn)的AT89C51，步進(jìn)電機(jī)采用的是4相步進(jìn)電機(jī)。由于單片機(jī)I/O口輸出的電流很小，所以單片機(jī)I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，需要一塊驅(qū)動(dòng)器，采用ULN2803。因?yàn)樾枰@示，要用到8段數(shù)碼管，采用4位8段數(shù)碼管。同理驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管也需要驅(qū)動(dòng)器，采用74HC573鎖存器驅(qū)動(dòng)。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)控制功能，所以需要用到輸入元件按鈕，采用5個(gè)按鈕用于輸入控制，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)、加速、減速這5個(gè)功能。數(shù)碼管以5毫秒左右的間隔掃描，以顯示不同的信息，單片機(jī)以調(diào)節(jié)脈沖寬度（占空比）的方式調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

3.3方案原理圖及硬件介紹。

本實(shí)例，以12MHz方波脈沖作為標(biāo)準(zhǔn)脈沖，利用PWM脈寬調(diào)制原理，調(diào)制脈沖的“占空比”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度的控制。

圖中主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵輸入電路、顯示電路以及執(zhí)行電路組成。其中D1與D2分別為運(yùn)行狀態(tài)指示燈和步進(jìn)電機(jī)周期指示燈，74HC573鎖存器芯片用于驅(qū)動(dòng)4位8段共陽(yáng)極數(shù)碼管，4位8段數(shù)碼管數(shù)碼管第一位是正反轉(zhuǎn)顯示（顯示“A”為正轉(zhuǎn)，顯示“b”為反轉(zhuǎn)，不顯示為停止），第二位是間隔符，顯示為“-”。第三與第四位是轉(zhuǎn)速顯示（單位是R/min）。

主要硬件：

（一）主控芯片選擇：主控芯片選擇的是Atmel生產(chǎn)的AT89C51系列單片機(jī)，51單片機(jī)最早是由Intel公司推出的，是一款8位單片機(jī)，有著它自己特有的優(yōu)點(diǎn)：

（1）從內(nèi)部硬件到軟件有著一套完整的按位操作系統(tǒng)，能直接對(duì)位進(jìn)行操作，不但能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算。

（2）同時(shí)在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開(kāi)辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，使用極為靈活，這一功能無(wú)疑給使用者提供了極大的方便。

（3）乘法和除法指令，這給編程也帶來(lái)了便利。很多的八位單片機(jī)都不具備乘除功能，作乘法時(shí)還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。

（二）鎖存器：鎖存器采用的是74HC573，它是一款8路數(shù)據(jù)的芯片，輸出為三態(tài)門，是一種高性能硅柵CMOS器件，它有著高阻態(tài)、數(shù)據(jù)鎖存、數(shù)據(jù)緩沖等特點(diǎn)。在單片機(jī)的IO資源不夠用時(shí)經(jīng)常利用74HC573進(jìn)行資源擴(kuò)展。在本課題中用來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。

（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用的是ULN2803芯片，ULN2803采用八路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路（諸如TTL，CMOS或PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)用和消費(fèi)類產(chǎn)品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負(fù)載中。所有器件具有集電極開(kāi)路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。

（四）顯示模塊：顯示部分由兩個(gè)板塊組成，分別為8段共陽(yáng)數(shù)碼管和LED發(fā)光二極管組成，8段數(shù)碼管與LED發(fā)光二極管有著成本低廉、控制方便、可靠、顯示數(shù)據(jù)直接明了等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)：本文是利用51單片機(jī)最小系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)12V步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向進(jìn)行可視化控制，幫助單片機(jī)初學(xué)者掌握控制電機(jī)的方法，后續(xù)通過(guò)借助繼電器、接觸器等元器件的輔助，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁建華.基于單片機(jī)80C51+Proteus的步進(jìn)電機(jī)控制的設(shè)計(jì)研究[J].商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，35（12）：9-12.

[2]孫蔚.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子制作. 2013.

[3] 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[4] Stephen Prata.C Primer Plus中文版[M].中國(guó)工信出版集團(tuán).人民郵電出版社.2016.

[5]楊麗.基于變結(jié)構(gòu)PID控制的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津理工大學(xué).2019.

[6].黃繼昌.張海貴.郭繼忠.實(shí)用單元電路及其應(yīng)用.人民郵電出社.

[7].蘇健. 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用探討[J]. 電子世界，2018.

[8].田媛. 就電工電子專業(yè)單片機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)析如何實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)[J]. 時(shí)代農(nóng)機(jī).2017.

[9].劉玉叢. 單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用課程實(shí)踐化教學(xué)改革的探索[J]. 電子世界，2018.

[10].童詩(shī)白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京高等教育出版社.

[11]陳向詩(shī)瑤.直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)[D].武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院.2016.