1、基于单片机控制的步进电机控制器053基于单片机控制的步进电机控制器应教053班 陈建锋摘要：本系统采用AT89S51单片机来控制步进电机，不仅可以实现电机的正反转，还可以实现17级调速，以及LED状态显示功能，电路设计可靠且易于实现，程序设计简单易懂。本系统主要由按键电路、单片机最小系统、AT89S51单片机、步进电机状态显示电路、驱动电路以及步进电机等几部分组成。输出驱动电路采用一个六非门芯片74LS04和四个三极管，来驱动步进电机的四相绕组。短路保护采用一个0.4A的保险管，防止因绕组短路而烧毁烧毁电机。关键词：步进电机 单片机 单片机最小系统 子程序 1 引言 步进电机能将输入的电脉冲信
2、号转换成输出轴的角位移或直线位移。这种电机每输入一个脉冲信号，输出轴便转动一定的角度或前进一步，因此又被称作脉冲电机或步级电机。步进电机输出轴的角位移量与输入脉冲数成正比，不受电压以及环境温度的影响，也没有累积的定位误差，因此控制输入的数字脉冲数即可实现电机的精确定位；而步进电机输出轴的转速与输入的脉冲频率成正比，控制输入的脉冲频率就能准确的控制步进电机的转速，可以实现在宽广的范围内精确调速。由于步进电机的这一特点正好符合数字控制系统的要求，同时电子技术的发展也解决了步进电机的电源问题。因此随着计算机技术和数字控制技术的发展，步进电机的应用也日益广泛。目前，步进电机应用于磁盘驱动器、数控机床、
3、轧钢机、机器人、以及自动化仪表等方面。2 总体设计方案2.1 设计思路本系统主要由按键电路、单片机最小系统、AT89S51单片机、步进电机电机电路、驱动电路以及步进电机等几部分组成。驱动电路可以采用FT5754芯片来实现，芯片内部有四组3A、5W、100V的PNP达林斯顿电路及四个二极管,输出四个管脚、分别与步进电机的四相绕组向连接。但考虑到所采用的步进电机功率和额定电流都较小，以及经济性方面，本设计直接采用四个NPN型三极管来作为驱动电路。步进电机的控制主要通过5个按键来实现，这5个按键分别表示“正转”、“反转”、“加速”、“减速”和“停止”。单片机输出四路脉冲信号触发驱动电路的四个NPN型
4、三极管，其中触发导通的三极管可驱动步进电机的相应绕组得电，即步进电机获得脉冲，而产生一定的角位移。单片机循序不断的输出时序脉冲，就可以实现步进电机的旋转了。2.2 总体设计框图总体设计框图如图1所示。3 设计原理分析图1 总体设计框图各分支电路的理论分析如下：3.1 步进电机本系统采用25Y48H01型步进电机，其相关参数如表1所示，内部接线图如图2所示。表1 25Y48H01型步进电机的相关参数型号步距角相数电压（V）电流(A)电阻()最大静止转矩(gcn)转子转动惯量(gcm2）重量（g）25Y48H017.5450.5101001.035图2 25Y48H01型步进电机内部接线图步进电机
5、的励磁方式有1相励磁、2相励磁和1-2相励磁3种。由于2相励磁具有转矩大、振动小等优点，在目前使用较为普遍，本系统的设计也采用这种励磁方式。步进电机各相绕组的励磁时序如表2所示。3.2 AT89S51单片机及其最小系统Atmel公司的生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4K字节的ROM,4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器。8
6、9C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。绕组 脉冲12345678910A1001100110B1100110011C0110011001D0011001100表2 步进电机四相绕组的励磁时序 单片机最小系统包括振荡电路和复位电路两部分。振荡电路用12M晶振，这样一个机器周期。复位电路采用手动复位，当按下RESET按键，电阻R1、R2接通5V电源，此时R2分得电压大约为4V,为高电平，即置单片机RST脚为高电平，单片机复位。3.3 按键电路采用5个按键用来控制步进电机的5种状态，即“正转”、“反转”、“加速”、“减速”和“停止”。当按下其中一个按键时，电
7、源通过上拉电阻和按键到地形成通路，使相应输入管脚接地，即给单片机送入一个低电平，此低电平即为有效电平。按键电路如图4所示。3.4 步进电机状态显示电路状态指示采用三种颜色的发光二极管，“绿色”、“黄色”和“红色”分别表示步进电机的“正转”、“反转”和“停止”状态。限流电阻选择1K的电阻，使发光二极管的压降为3V左右。3.5 步进电机驱动电路从单片机输出四路脉冲信号，经过非门和限流电阻，送到四个NPN型三极管的基极。如果从单片机输出的是高电平，经过非门变成低电平，送入三极管，使三极管截止；如果从单片机输出的是低电平，经过非门变成高电平，此高电平使三极管导通。步进电机的每相绕组并上一个二极管，目的
8、是防止在三极管瞬间截止时，绕组电感所产生很高的感应电动势击穿三极管。非门采用74LS04芯片，其内部共有六个独立的非门，这里只用了其中的四个。驱动电路如图4所示。图3按键控制电路图4 步进电机驱动电路4 程序原理分析41 程序设计思路根据外围电路的设计，单片机的输入为P1口的前五个管脚，输出为P1口的后三个管脚和P2口的前四个管脚。主程序部分首先向驱动电路输出四路高电平，使电机停转，然后设置定时器T0的工作方式以及给允许中断位置高电平，点亮“停转”的状态显示，接下来进行按键扫描，如果有“正转”或“反转”按键按下，则跳转到相应的程序段；如果有“停止”按键或没有任何按键按下，则跳转到程序的初始部分
9、。正转部分，首先点亮“正转”的状态指示，随后输出起始脉冲，接下来扫描按键，判断是否执行加速、减速或停转，然后调用给定时器T0赋初始值子程序，最后左移累加器A中的数值，如此循环便可实现步进电机的正转。反转部分与正转部分的程序设计雷同，不再赘述。加速和减速部分，改变定时器定时的初始值，即改变定时时间便可实现。42程序分析首先，进行P2口以及定时器的初始化，定时器工作于方式1，对P1.7清零，即点亮红色发光二极管，表示步进电机的“停止”的状态。用JNB指令来扫描按键电路，按下则跳转，没有按下则继续向下执行。如果P1.0按下，则跳转到首地址为RUN的位置，先调用一个10ms的延时子程序来消除按键的抖动
10、，对P1.6清零，即点亮绿色发光二极管，表示步进电机的“正转”状态，然后通过累加器A输出起始脉冲信号00110011B到P2口。随后判断加速、减速和停止按键是否按下，如果其中一个被按下，则跳到相应的程序段，否则程序继续向下执行。接下来调用赋定时器初始值子程序TIME,根据R0的数据的不同，使用查表指令来读取TABLE1和TABLE2中的数据分别赋给定时器T0的两个八位寄存器TH0和TL0。返回后，利用查询法来等待T0的中断，当定时结束时跳出循环，并对中断标志位TF0清零。左移指令使累加器A中的数据循环左移一位，最后返回到RUN1的位置。如果P1.1按下，则执行反转程序，该程序执行过程与正转部分
11、相似，不同之处：一是反转要点亮黄色发光二极管，二是对脉冲信号循环右移，从而实现反转。加速子程序主要使R0内的数据加1，即把速度提高一个级别，R0内的数据还要与16相减，来确认是否达到最高转速，如果R0内的数据大于16，则把16赋给R0，表示已达到最高转速，不能再加速了。减速子程序主要使R0内的数据减1，即把速度降低一个级别，如果R0内的数据为0，即速度为最低转速，则直接跳过减一指令，保持这个最低转速。赋定时器初值子程序，利用两个查表指令来读取预置的数据，当转速改变时，R0内的数据发生变化，这时赋给定时器的初值也发生了变化，改变了定时时间，即脉冲的时间间隔发生变化，从而实现了电机变速。4.3 定
12、时器计数初值的设定程序设计选用定时器T0的定时中断，来控制步进电机每走一步所用的时间，改变了T0的定时时间，就改变了步进电机的转速。定时器T0工作于方式1，晶振fosc=12MHZ。由于采用的步进电机的步距角为7.5，转一圈需要48个脉冲，设转速为N(r/min),则每分钟需送脉冲数据的个数为48N，即每送一个脉冲信号需时：。定时器T0的计数初值 。设步进电机最低转速为20r/min,最高转速为100r/min，每5r设为一个速度级，一共17级。经过计算，得出步进电机的转速对应于定时器初值如表3所示。表3 电机速度及对应定时器计数初值转速N/(r/min)单步时间T/（s）T0的计数初值Tx
13、(十进制)T0的计数初值Tx (十六进制)206250079361F002550000194564C003041666.67271366A003535714.2932621.717F6D4031250367368F804527777.78399369C00502500042496A6005522727.2744590.55AE2E6020833.3345673.93B2696519230.7747812.92BAC47017857.1449078.86BFB67516666.6750176C400801562551136C7C08514705.8851983.06CB0F9013888.895
14、2736CE009513157.8753280.68D0201001250054016D3004.4 程序设计流程图程序流程如图5所示。 图5 程序执行流程5 总结与体会通过此次单片机课程设计，使我对单片机控制系统有了更加全面和深入的了解，对电路板的设计和制作也更加的熟练。电路的设计并不复杂，两天的时间就完成了，但之后编写程序，发现有一些不妥的地方，进行了调整，随后开始制作PCB版图，还算顺利。程序的设计让我犯了不少的困惑，以前编写的都是一些功能简单的程序，这样系统的程序编写还是第一次，发现自己好像有些摸不到头脑，可能是编写程序的时机还不够成熟。而后，在图书馆借了几本资料，仔细的研究一下，虽然
15、实现的功能不大一致，但至少可以提供一些思路。果然，有了效果，我居然只用了一个下午的时间就编写完成了，真是太神奇了。等拿到步进电机进行调试，电机却没有一点反应，经过仔细的审查，发现按键输入我使用的是单片机的P1口，可程序里我用的却是P0口，于是对程序做了相应的修改，调试成功。三周的实习即将结束，经过了这样一个设计和制作的过程，体会到这样实践真的是很必要，不仅可以加深对书本上的知识理解，还可以锻炼自己的动手能力和综合运用能力。经过这次实习，我更加喜欢自己的专业了，也对自己更有信心了参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2005.92 蔡朝洋.单片机控制实习与专题
16、制作.北京：北京航空航天大学出版社，2006.113 汪道辉.单片机系统设计与实践.北京：电子工业出版社，2006.54 张大明.单片机控制实训指导及综合应用实例.北京：机械工业出版社，2007.35 杨天明，陈杰.电机与拖动.北京：中国林业出版社；北京大学出版社，2006.8附录1 步进电机总体控制电路附录2 源程序代码ORG 0000HAJMP MAINORG 0030HMAIN: MOV P2,#0FFHMOV R2,#00HMOV SP,#40HMOV TMOD,#01HMOV IE,#82HCLR P1.7SETB P1.5SETB P1.6KEY: JNB P1.0,RUNJNB
17、P1.1,RERUNJNB P1.4,KEYSJMP KEYRUN: JNB P1.0,$ACALL DELAYCLR P1.6SETB P1.5SETB P1.7MOV A,# 00110011BRUN1: MOV P2,AJNB P1.1,RERUNJB P1.2, KEEPACALL SPEEDUPKEEP: JB P1.3, KEEP1ACALL SPEEDLOWKEEP1: JNB P1.4,MAINACALL TIMELOOP1: JBC TF0,NEXT1AJMP LOOP1NEXT1: RL AAJMP RUN1RERUN: JNB P1.1,$ACALL DELAY CLR
18、P1.5SETB P1.6SETB P1.7MOV A,# 00110011BRERUN1: MOV P2,AJNB P1.0,RUNJB P1.2,THENACALL SPEEDUPTHEN: JB P1.3,THEN1ACALL SPEEDLOWTHEN1: JNB P1.4,MAINACALL TIMELOOP2: JBC TF0,NEXT2AJMP LOOP2NEXT2: RR AAJMP RERUN1SPEEDUP: JNB P1.2,$ACALL DELAYPUSH ACC INC R0CLR CMOV A,R0SUBB A,#16JC NEXT3MOV R0,#16NEXT3:
19、POP ACCRETSPEEDLOW: JNB P1.3,$ACALL DELAYPUSH ACCMOV A,R0JZ NEXT4DEC R0NEXT4: POP ACCRETTIME: PUSH ACCMOV A,R0MOV DPTR,#TABLE1MOVC A,A+DPTRMOV TH0,A MOV A,R0MOV DPTR,#TABLE2MOVC A,A+DPTRMOV TL0,ASETB TR0POP ACCRETDELAY: MOV R7,#10HDS1: MOV R6,#0FFHDS2: DJNZ R6,DS2 DJNZ R7,DS1RETTABLE1: DB 1FH, 4CH, 6AH, 7FH, 8FH, 9CH, 0A6H, 0AEH, 0B5H, 0BAH, 0BFH, 0C4H, 0C7H, 0CBH, 0CEH, 0D0H, 0D3HTABLE2: DB 00H, 00H, 00H, 6DH, 80H, 00H, 00H, 2EH, 00H, 0C4H, 0B6H, 00H, 0C0H, 0FH, 00H, 0A1H, 00HEND
