基于单片机的步进电机驱动控制系统的设计与实现

基于步进电机控制系统设计

摘 要：文中给出了一种步进电机控制系统。系统利用AT89C51单片机对由键盘输入的时间和角度进行控制处理，实现对步进电机运转的精确定时定位。通过键盘输入给出步进电机需要运转的时间和角度，采用LCD1602液晶显示剩余的时间和角度。

关键词：AT89C51；步进电机

1 系统总体设计方案

系统由单片机，步进电机，键盘输入电路，按键电路，液晶显示电路，步进电机驱动电路，蜂鸣器电路等组成。系统框图如图1所示。

系统以AT89C51单片机作为主控单片机，接收由键盘输入的时间和角度信号，控制步进电机精确的运行和液晶显示剩余的时间和剩余的角度。电机正反转可以由按键模块确定；电机运行结束时候的提示音由蜂鸣器模块来完成。

2 系统硬件设计

2.1 步进电机模块

步进电机在本质上属于一种执行机构元件，其旋转是一步一步运行的。每当步进驱动器接收到单片机输出地一个脉冲信号时，它将驱动步进电机按设定的旋转方向转动一个固定的角度，通常这个角度叫做”步进角”。通常步进电机的齿数和运行拍数决定步进角。所需要的角位移量可以通过改变脉冲的个数而得到，从而可以准确定位；其次改变脉冲的频率可以控制电机转动的速度和加速度即可进行调速。本次设计采用四相六线步进电机，工作方式为八拍。步进电机的齿数是50，步进角为0.9度。一个周期内运转7.2度。

2.2 液晶显示模块设计

液晶显示模块[6]采用能显示各种字体的数字、汉字、图像和自定义显示内容LCD1602显示器。本次设计利用液晶显示步进电机运行剩余的时间和剩余的角度。LCD1602液晶显示模块与单片机的连接如图2所示。

2.3 矩阵键盘输入模块

键盘中根据按键连接方式的不同可以分为独立式键盘和行列式键盘两大类，每一类都有编码和非编码键盘之分。编码键盘主要是用硬件识别按键，典型的应用是PC中的键盘，非编码键盘主要是通过软件来实现键盘的定义与识别，非编码键盘的特点是结构简单，成本价格低，在单片机系统中得到了广泛的应用[7]，本次设计按键的识别采用的是较为常用的逐行（逐列）扫描查询法。矩阵键盘与

基于单片机的电机运动控制系统设计

摘要：为了使电动机能有更高的工作效率，简化电动机的操作，文章通过对步进电机的实时控制方式及工作原理进行研究，用at89c51单片机做控制系统核心，结合步进电机的工作方法制定出电机运动控制系统的设计方案。此方案可通过修改电机驱动电路及相应单片机程序来应用到所有的电机控制系统当中。方案设计合理，有不错的实际应用价值。

关键词：at89c51；步进电机；运动控制系统

中图分类号：tm383.6文献标识码：a文章编号：1007-9599 (2013)

06-0000-02

由于现代工业化的需求，当前工业生产当中一般都使用步进电机来替代普通电机，以满足生产当中的准确度和可控性，传统电机一般只应用于手控操作，在这里不进行过多研究。步进电机是一种将电脉冲信号转变为转子转动角度的开环控制电机，一般情况下，步进电机的转速和转矩都是可控的。本文就以应用步进电机为前提来设计电机运动控制系统。

1步进电机是如何工作的以及如何对其进行控制

1.1步进电机的具体概念。根据不同的转子结构和材料，步进电机统共分为混合式、永磁式以及反应式三个类别。步进电机是一种将电脉冲信号转变为转子转动角度的开环控制电机，在一般情况下，电机只根据电脉冲信号的频率、强弱和对不同相位定子绕组的信号输入顺序来改变电机运转的速度和方向，而不会由于其负载较大而影响它的运动状态。它的转动幅度有一个最小的单位，每当接收到一个脉冲信号，电机就会转动这样一个最小单位，因此可以通过脉冲信号的输出方式来对步进电机的工作量进行精确控制，并且可以通过一系列算法来实时监控步进电机的运转状态。

1.2步进电机时如何进行工作的。步进电机的工作主要是靠对电流的感应，所以，依靠供电电路的支持，将普通的直流电转变为按照一定频率，一段一段地对电机供电，而且仅有在这种一段一段的特殊直流电下，步进电机才能够正常工作。这种特殊的直流电供电方式叫做分时供电，而提供分时供电的设备就是驱动器。电机内部结构分为转子和定子。步进电机的转子是一个永磁体，绕阻固定在定子上。当定子绕阻上有直流电流经过时，根据电磁感应原理，在电机的定子上也就相应的产生一个方向固定的电磁场，这个电磁场就会带动永磁体转子开始旋转，直至永磁体转子的磁场和定子的磁场方向相同。此时，电流再通过另外一个方向的定子绕组，定子磁场方向就会随之改变，而转子也会做出相同角度的转动，如此往复，每当有一个脉冲电流通过定子绕组，转子就进行一个角度的转动，周而复始，电机就会开始不停的转动，而且如果将绕组通电的顺序做相反的变动，那样电机就会反转。所以，步进电机可以根据对脉冲电流的频率的改变和对定子绕组的各个相位的电流通电顺序的改变来控制电机的转速和转动方向。

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表

学生姓名： 学号： 专业： 电气工程及其自动化

毕业设计（论文）题目： 基于单片机的步进电机控制系统设计

指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）

设计选题切入较好，系统设计具有很好的示范性。设计中应用单片机、步进电机驱动芯片、执行部件等，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统，讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法，同时，采用了软硬件协同仿真的方法对步进电机控制进行了开发，有效地减少了系统开发的周期和成本，设计资料详实，方法实用，逻辑严密，写作基本规范，达到了本科毕业设计的要求，可以提交评阅。

指导教师结论： 合格 （合格、不合格）

指导教师

姓名 所在单位 指导时间 2014/9/17

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院

本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表

学生姓名： 学号： 专业： 电气工程及其自动化

毕业设计（论文）题目： 基于单片机的步进电机控制系统设计

评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）

该生论文完成了基于单片机的步进电机控制系统的设计。设计中应用单片机、步进电机驱动芯片、执行部件等，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的该生论文完成了步进电机控制系统，讨论了一种以最少参数确定一条圆弧轨迹的插补方法和步进电机变频调速的方法。论文的选题具有一定的意义，论文中引用的资料较为丰富，写作较为规范，基本达到了一名本科生的论文水平。

1.3.4软件设计

速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成 4个部

分的工作才能满足课题要求，即主程序部分、定时器中断部分、外部中断 0和外

部中断1部分，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测， 若启动开关合上则系统开始工作，反之系统停止工作；定时器部分控制脉冲频率， 它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变 速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。

(1) 主程序设计

主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种 开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初

始化定时器、外部中断；对P1 口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初 值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内 容。若初始化P

1=11H、速度和方向初始值均设为0,就意味着步进电机按四相单

四拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“ 0”

速度值显示“ 0”主程序流程图如图9所示。 C1

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