1、基于單片機控制的步進電機控制器 摘要：本系統采用AT89S51單片機來控制步進電機，不僅可以實現電機的正反轉，還可以實現17級調速，以及LED狀態顯示功能，電路設計可靠且易于實現，程序設計簡單易懂。本系統主要由按鍵電路、單片機最小系統、AT89S51單片機、步進電機狀態顯示電路、驅動電路以及步進電機等幾部分組成。輸出驅動電路采用一個六非門芯片74LS04和四個三極管，來驅動步進電機的四相繞組。短路保護采用一個0.4A的保險管，防止因繞組短路而燒毀燒毀電機。關鍵詞：步進電機 單片機 單片機最小系統 子程序 1 引言 步進電機能將輸入的電脈沖信號轉換成輸出軸的角位移或直線位移。這種電機每輸入一個脈

2、沖信號，輸出軸便轉動一定的角度或前進一步，因此又被稱作脈沖電機或步級電機。步進電機輸出軸的角位移量與輸入脈沖數成正比，不受電壓以及環境溫度的影響，也沒有累積的定位誤差，因此控制輸入的數字脈沖數即可實現電機的精確定位；而步進電機輸出軸的轉速與輸入的脈沖頻率成正比，控制輸入的脈沖頻率就能準確的控制步進電機的轉速，可以實現在寬廣的范圍內精確調速。由于步進電機的這一特點正好符合數字控制系統的要求，同時電子技術的發展也解決了步進電機的電源問題。因此隨著計算機技術和數字控制技術的發展，步進電機的應用也日益廣泛。目前，步進電機應用于磁盤驅動器、數控機床、軋鋼機、機器人、以及自動化儀表等方面。2 總體設計方案

3、2.1 設計思路本系統主要由按鍵電路、單片機最小系統、AT89S51單片機、步進電機電機電路、驅動電路以及步進電機等幾部分組成。驅動電路可以采用FT5754芯片來實現，芯片內部有四組3A、5W、100V的PNP達林斯頓電路及四個二極管,輸出四個管腳、分別與步進電機的四相繞組向連接。但考慮到所采用的步進電機功率和額定電流都較小，以及經濟性方面，本設計直接采用四個NPN型三極管來作為驅動電路。步進電機的控制主要通過5個按鍵來實現，這5個按鍵分別表示“正轉”、“反轉”、“加速”、“減速”和“停止”。單片機輸出四路脈沖信號觸發驅動電路的四個NPN型三極管，其中觸發導通的三極管可驅動步進電機的相應繞組得

4、電，即步進電機獲得脈沖，而產生一定的角位移。單片機循序不斷的輸出時序脈沖，就可以實現步進電機的旋轉了。2.2 總體設計框圖總體設計框圖如圖1所示。3 設計原理分析89S51單片機按鍵控制電路單片機最小系統步進電機狀態顯示電路步進電機驅動電路步進電機圖1 總體設計框圖各分支電路的理論分析如下：3.1 步進電機本系統采用25Y48H01型步進電機，其相關參數如表1所示，內部接線圖如圖2所示。表1 25Y48H01型步進電機的相關參數型號步距角相數電壓（V）電流(A)電阻()最大靜止轉矩(g·cn)轉子轉動慣量(g·cm2）重量（g）25Y48H017.5450.5101001.

5、035圖2 25Y48H01型步進電機內部接線圖步進電機的勵磁方式有1相勵磁、2相勵磁和1-2相勵磁3種。由于2相勵磁具有轉矩大、振動小等優點，在目前使用較為普遍，本系統的設計也采用這種勵磁方式。步進電機各相繞組的勵磁時序如表2所示。3.2 AT89S51單片機及其最小系統Atmel公司的生產的89C51單片機是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，它采用CMOS和高密度非易失性存儲器技術，而且其輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容；片內的Flash ROM允許在系統內改編程序或用常規的非易失性編程器來編程，內部除CPU外，還包括256字節RAM，4K字節的ROM,4個8位并行I/O口，5

6、個中斷源，2個中斷優先級，2個16位可編程定時計數器。89C51單片機是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，完全滿足本系統設計需要。繞組脈沖12345678910A1001100110B1100110011C0110011001D0011001100表2 步進電機四相繞組的勵磁時序 單片機最小系統包括振蕩電路和復位電路兩部分。振蕩電路用12M晶振，這樣一個機器周期 。復位電路采用手動復位，當按下RESET按鍵，電阻R1、R2接通5V電源，此時R2分得電壓大約為4V,為高電平，即置單片機RST腳為高電平，單片機復位。3.3 按鍵電路采用5個按鍵用來控制步進電機的5種狀態，即“正轉”、“反轉”

7、、“加速”、“減速”和“停止”。當按下其中一個按鍵時，電源通過上拉電阻和按鍵到地形成通路，使相應輸入管腳接地，即給單片機送入一個低電平，此低電平即為有效電平。按鍵電路如圖4所示。3.4 步進電機狀態顯示電路狀態指示采用三種顏色的發光二極管，“綠色”、“黃色”和“紅色”分別表示步進電機的“正轉”、“反轉”和“停止”狀態。限流電阻選擇1K的電阻，使發光二極管的壓降為3V左右。3.5 步進電機驅動電路從單片機輸出四路脈沖信號，經過非門和限流電阻，送到四個NPN型三極管的基極。如果從單片機輸出的是高電平，經過非門變成低電平，送入三極管，使三極管截止；如果從單片機輸出的是低電平，經過非門變成高電平，此高

8、電平使三極管導通。步進電機的每相繞組并上一個二極管，目的是防止在三極管瞬間截止時，繞組電感所產生很高的感應電動勢擊穿三極管。非門采用74LS04芯片，其內部共有六個獨立的非門，這里只用了其中的四個。驅動電路如圖4所示。圖3按鍵控制電路圖4 步進電機驅動電路4 程序原理分析41 程序設計思路根據外圍電路的設計，單片機的輸入為P1口的前五個管腳，輸出為P1口的后三個管腳和P2口的前四個管腳。主程序部分首先向驅動電路輸出四路高電平，使電機停轉，然后設置定時器T0的工作方式以及給允許中斷位置高電平，點亮“停轉”的狀態顯示，接下來進行按鍵掃描，如果有“正轉”或“反轉”按鍵按下，則跳轉到相應的程序段；如果

9、有“停止”按鍵或沒有任何按鍵按下，則跳轉到程序的初始部分。正轉部分，首先點亮“正轉”的狀態指示，隨后輸出起始脈沖，接下來掃描按鍵，判斷是否執行加速、減速或停轉，然后調用給定時器T0賦初始值子程序，最后左移累加器A中的數值，如此循環便可實現步進電機的正轉。反轉部分與正轉部分的程序設計雷同，不再贅述。加速和減速部分，改變定時器定時的初始值，即改變定時時間便可實現。42程序分析首先，進行P2口以及定時器的初始化，定時器工作于方式1，對P1.7清零，即點亮紅色發光二極管，表示步進電機的“停止”的狀態。用JNB指令來掃描按鍵電路，按下則跳轉，沒有按下則繼續向下執行。如果P1.0按下，則跳轉到首地址為RU

10、N的位置，先調用一個10ms的延時子程序來消除按鍵的抖動，對P1.6清零，即點亮綠色發光二極管，表示步進電機的“正轉”狀態，然后通過累加器A輸出起始脈沖信號00110011B到P2口。隨后判斷加速、減速和停止按鍵是否按下，如果其中一個被按下，則跳到相應的程序段，否則程序繼續向下執行。接下來調用賦定時器初始值子程序TIME,根據R0的數據的不同，使用查表指令來讀取TABLE1和TABLE2中的數據分別賦給定時器T0的兩個八位寄存器TH0和TL0。返回后，利用查詢法來等待T0的中斷，當定時結束時跳出循環，并對中斷標志位TF0清零。左移指令使累加器A中的數據循環左移一位，最后返回到RUN1的位置。如

11、果P1.1按下，則執行反轉程序，該程序執行過程與正轉部分相似，不同之處：一是反轉要點亮黃色發光二極管，二是對脈沖信號循環右移，從而實現反轉。加速子程序主要使R0內的數據加1，即把速度提高一個級別，R0內的數據還要與16相減，來確認是否達到最高轉速，如果R0內的數據大于16，則把16賦給R0，表示已達到最高轉速，不能再加速了。減速子程序主要使R0內的數據減1，即把速度降低一個級別，如果R0內的數據為0，即速度為最低轉速，則直接跳過減一指令，保持這個最低轉速。賦定時器初值子程序，利用兩個查表指令來讀取預置的數據，當轉速改變時，R0內的數據發生變化，這時賦給定時器的初值也發生了變化，改變了定時時間，

12、即脈沖的時間間隔發生變化，從而實現了電機變速。4.3 定時器計數初值的設定程序設計選用定時器T0的定時中斷，來控制步進電機每走一步所用的時間，改變了T0的定時時間，就改變了步進電機的轉速。定時器T0工作于方式1，晶振fosc=12MHZ。由于采用的步進電機的步距角為7.5°，轉一圈需要48個脈沖，設轉速為N(r/min),則每分鐘需送脈沖數據的個數為48N，即每送一個脈沖信號需時：。定時器T0的計數初值 。設步進電機最低轉速為20r/min,最高轉速為100r/min，每5r設為一個速度級，一共17級。經過計算，得出步進電機的轉速對應于定時器初值如表3所示。表3 電機速度及對應定時器

13、計數初值轉速N/(r/min)單步時間T/（s）T0的計數初值Tx (十進制)T0的計數初值Tx (十六進制)206250079361F002550000194564C003041666.67271366A003535714.2932621.717F6D4031250367368F804527777.78399369C00502500042496A6005522727.2744590.55AE2E6020833.3345673.93B2696519230.7747812.92BAC47017857.1449078.86BFB67516666.6750176C400801562551136C7C

14、08514705.8851983.06CB0F9013888.8952736CE009513157.8753280.68D0201001250054016D3004.4 程序設計流程圖程序流程如圖5所示。開始程序初始化清零P1.5,點亮紅色LED延時10ms，去抖動點亮狀態指示燈輸出脈沖信號掃描按鍵調用加速或減速子程序賦定時器初值，并開啟定時器A左移或右移掃描按鍵主程序賦定時器初值子程序A入棧TH0R0+TABLE1TL0R0+TABLE2開啟定時器T0A出棧返回10ms延時子程序R710HR60FFHR6為零嗎？R7為零嗎？返回YN YN 圖5 程序執行流程5 總結與體會通過此次單片機課程設

15、計，使我對單片機控制系統有了更加全面和深入的了解，對電路板的設計和制作也更加的熟練。電路的設計并不復雜，兩天的時間就完成了，但之后編寫程序，發現有一些不妥的地方，進行了調整，隨后開始制作PCB版圖，還算順利。程序的設計讓我犯了不少的困惑，以前編寫的都是一些功能簡單的程序，這樣系統的程序編寫還是第一次，發現自己好像有些摸不到頭腦，可能是編寫程序的時機還不夠成熟。而后，在圖書館借了幾本資料，仔細的研究一下，雖然實現的功能不大一致，但至少可以提供一些思路。果然，有了效果，我居然只用了一個下午的時間就編寫完成了，真是太神奇了。等拿到步進電機進行調試，電機卻沒有一點反應，經過仔細的審查，發現按鍵輸入我使

16、用的是單片機的P1口，可程序里我用的卻是P0口，于是對程序做了相應的修改，調試成功。三周的實習即將結束，經過了這樣一個設計和制作的過程，體會到這樣實踐真的是很必要，不僅可以加深對書本上的知識理解，還可以鍛煉自己的動手能力和綜合運用能力。經過這次實習，我更加喜歡自己的專業了，也對自己更有信心了參考文獻1 李朝青.單片機原理及接口技術M.北京：北京航空航天大學出版社，2005.92 蔡朝洋.單片機控制實習與專題制作.北京：北京航空航天大學出版社，2006.113 汪道輝.單片機系統設計與實踐.北京：電子工業出版社，2006.54 張大明.單片機控制實訓指導及綜合應用實例.北京：機械工業出版社，20

17、07.35 楊天明，陳杰.電機與拖動.北京：中國林業出版社；北京大學出版社，2006.8附錄1 步進電機總體控制電路附錄2 源程序代碼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 P1.1,RERUNJNB P1.4,KEYSJMP KEYRUN: JNB P1.0,$ACALL DELAYCLR P1.6SETB P1.5SETB P1.7MOV A,# 00110

18、011BRUN1: 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 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,NEXT2A