基于单片机的步进电机开环控制系统

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基于STC89C51单片机步进电机控制系统的设计

作者：陈慧琴

来源：《山东工业技术》2016年第18期

摘 要：本文基于STC89C51单片机，设计了步进电机控制系统，系统分为STC89C51单片机最小系统、按键模块、显示模块、电机驱动模块以及步进电机等几个部分，通过编程实现了步进电机的正反转，加减速，启停控制以及运行状态LED状态显示功能。实验结果表明，

系统性能优于传统的步进电机控制器。

关键词：STC89C51单片机；步进电机；控制系统；设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.18.165

1 引言

步进电机是机电设备中最广泛使用的一种电机，又被称为脉冲电动机或者阶跃电动机，其工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或线位移。每输入一个电脉冲，电机转动一个角度前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。在控制中，可以利用输入电脉冲的频率、数量和各相绕组的通电顺序来精确控制电机的启停、转速、转向和定位，几乎不受电压和环境温度等影响，误差小。随着单片机嵌入式系统的发展应用，基于单片机的步进电机控制系统在各个领域得到了广泛应用，比如线切割的工作台运动、ATM机、刻字机、工业控制系统等等，并且特别适合要求性能稳定、误差率低、响应迅速、运行时产生噪音小、具有较长的使用寿命以及能输出较大扭矩的应用场合。本文设计了基于STC89C51单片机的步进电机控制系统，具备价格低廉、结构简单、移植性好等特点，具有广泛的应用前景。

2 系统总体框架

本系统主要由STC89C51单片机最小系统、驱动电路模块、按键电路模块、数码管显示电路模块和步进电机等几个模块组成。本设计中步进电机功率和额定电流都较小，从经济性方面考虑，驱动芯片选用 ULN2003芯片，ULN2003芯片是一种高耐压、大电流、内部包含七个硅PNP达林顿管的驱动芯片。

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. . . 资

料. .

中国地质大学长城学院

本 科 课 程 设 计

题 目: 基于80C51单片机的步进电机控制系统

系 别 信息工程系

学生姓名

专 业 电气工程及其自动化

学 号

指导教师

职 称 讲师

2014 年6 月 11 日

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. . . 资

料. . 摘 要

本文研究基于51系列单片机的步进电机控制系统设计，该系统包括以下几个部分：数据采集、数据处理、终端接收，该系统以汇编语言为单片机的驱动程序语言，单片机控制步进电机，主要任务是把二进制数变成脉冲序列，按相序输入脉冲以实现电机转动方向控制，利用单片机实现对步进电机的远距离实时监控，从而达到高效、节能的控制步进电机工作的目的,该系统具有成本低、控制方便的特点。使用单片机驱动四相步进电机，控制步进电机以四相八拍的方式运行，来实现步进电机正向/反向旋转，P1.0～P1.3分别控制步进电机；P1.5～P1.7分别控制步进电机的停止、正转、反转。

关键词： 51单片机 ；步进电机 ；数据采集 ；汇编语言 ；

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基于单片机的步进电机控制系统硬件设计

摘要：系统通过单片机作为步进电机的控制核心，完成了步进电机的硬件电路设计，实现了步进电机的启／停控制、正反转，以及转速的测量和显示，适用范围较广，且电路简单，成本较低，控制方便，实用价值高。

关键词：单片机 步进电机 驱动电路 霍尔传感器

0 引言

基于单片机的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，在数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等领域有着广泛的应用。步进电机是将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，因此步进电机非常适用于单片机控制。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。

1 系统总体方案设计

步进电机控制系统主要由单片机、键盘led、驱动／放大和测速电路等4个模块组成，该控制系统可实现的功能：①通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；②通过led管显示步进的转速和转向等工作状态；③实现二相或四相步进电机的控制：④通过霍尔传感器能够实现对步进电机的速度测量。系统总体方案设计如图1所示。

2 系统硬件设计 2.1 单片机模块

单片机的最小系统电路包括时钟电路和复位电路。本文所设计的系统中，时钟电路采用外接12m晶振。复位电路作用是使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定状态开始运行。本文采用上电复位。

2.2 键盘输入模块

为实现人机对话，该系统设计扩展了4个按钮作为输入键盘，可手动直接操作该控制系统。系统上电后，通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等。如图2所示，设计p3口接4按钮键盘，键盘电路如图2所示：其中，s0接p3.7控制加速，s1接p3.6控制减速，s2接p3.5控制正转，s3接p3.4控制反转。

2.3 驱动电路模块

为了实现对步进电机的高精度控制，系统采用步进电机驱动芯片tb6560ahq，它是东芝公司主推的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片，具有双全桥mosfet驱动，耐压40v，具有整步、1/2细分、1/８细分、1/16细分运行方式可供选择，配合简单的外围电路即可开发出高性能的驱动电路。

内燃机与配件

0引言

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的

开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元

件，在数控机床、喷绘机、刻字机以及医疗设备中有着重要

作用。我们设计了基于51单片机的步进电机控制系统，控

制步进电机的正转、反转和停止，通过按键调整步进电机

的转动速度，并通过LCD显示屏显示当前的电机转动状

态（包括转动方向、转动速度和转动圈数），同时通过串口

完成与上位机的通讯功能。

1步进电机的启动原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱

动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进

角）。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定

位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加

速度，从而达到调速的目的。

当某相定子励磁后（给定子绕组通电，会产生磁场），

它吸引转子转动，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，

转子转动一个角度，换一相得电时，转子又转动一个角度，

如此每相不停地轮流通电，转子不停地转动。三相单三拍，

得电顺序是A-B-C-A，电机逆时针转动。三相单三拍，得

电顺序是A-C-B-A，电机顺时针转动。电机运行的方向和

通电的相序有关，改变通电的相序，电机的运行方向也就

改变。电机的转速和相序切换的频率有关，切换得越快，电

机转动得越快。电机每拍转动的角度，称步距角θ。步距角

和电机的结构有关。

其中m为定子绕组的相数。z为转子的齿数。k为通电方式，m相m拍时，k=1，m相2m拍时，k=2。

本次实验使用的是28BYJ-48步进电机，其原理图如

图1所示。

图1

28BYJ-48步进电机的励磁顺序如表1所示。A相B相C相D相P1口（16进制）

12345678110000010111000000011100000001110x080x0c0x040x060x020x030x010x09表1

由表1可知，按照步进电机的励磁顺序，通过控制脉

冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过