89C51单片机的步进电动机控制系统设计

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控制/MCU

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描述

本文为大家带来两个89C51单片机的步进电动机控制系统设计。

89C51单片机的步进电动机控制系统设计一

系统整图如图1所示，本系统采用外部中断方式，p0口作为信号的输入部分，p1口为发光二极管显示部分，p2口作为电机的驱动部分。

步进电动机

图1 系统整图

电源部分

利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的电压，它们的应用要注意以下几点：

（1）输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；

（2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；

（3）输入输出压差也不能太小，大小效率很差。其中12V电压给步进电机供电，5V电压则给单片机供电。分别如图2、图3所示。

（1）产生12V的电压给步进电机供电

步进电动机

图2 12V电路部分

（2）产生5V的电压给单片机供电

步进电动机

图3 5V电路部分

按键部分

本次设计选用的是单片机的P0口来控制信号的输入，所以把按键开关和P0口连接起来，当按下开关S1时，相当于给P0.0口一个低电平；当按下开关S2时，相当于给P0.1口一个低电平；当按下开关S3时，相当于给P0.2口一个低电平；当按下开关S4时，相当于给P0.3口一个低电平；当按下开关S5时，相当于给P0.4口一个低电平。然后通过单片机实行相应的操作。如图4。

步进电动机

图4 按键部分电路

驱动部分

此电路是步进电机的驱动部分，我选用的是ULN2004芯片来驱动的，ULN2004系列是一款高耐压，大电流达林顿管驱动器，包含7个NPN达林顿管。如图5。

步进电动机

图5 驱动部分电路

状态指示部分

状态指示用P1口控制发光二极管的显示，如果相应端口是低电平，相应的发光二极管就会亮，用它来表示步进电机所处的状态。

时钟部分

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度，本次设计采用的晶振为12MHz。如图6。

步进电动机

图6 时钟部分电路

系统软件设计

系统主程序

系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成，其主程序框图如图7所示。

步进电动机

图7 主程序框图

查键部分

查键程序用于判断P0.0口与P0.1口的值，当p0.0口为0时，电机正转，当p0.0口为1时，继续判断p0.1口的值，p0.1口为0时，电机反转。如图8所示。

步进电动机

图8 查键部分流程图

前进部分

系统初始化之后，前进子程序R0用于给P2口送不同的值，根据电机转动的相序，使电机正向转动，P2口的值分别为01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H。流程图如图9所示。

步进电动机

图9 前进部分流程图

后退部分

电机反转原理与正转相似，此时P2口的值分别为09H，08H，0CH，04H，06H，02H，03H，01H。流程图如图10所示。

步进电动机

图10 后退部分流程图

加速部分

当电机正转或反转的时候，按下加速键，调用加速子程序，使电机每转动一步的延时时间变短，从而实现电机的加速。流程图如图11所示。

步进电动机

图11 加速部分流程图

减速部分

电机正转或反转的时候，按下减速键，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速。流程图如图12所示。

步进电动机

图12

89C51单片机的步进电动机控制系统设计二

控制系统设计

步进电机控制系统主要由单片机、PC上位机、驱动电路、步进电动机、4*4键盘和LED显示等模块组成，下图为步进电机控制系统是总体结构图。单片机产生脉冲信号并将脉冲信号传送给步进电动机，完成对步进电动机的步数和圈数的准确计数，从而实现对步进电动机的转速控制。PC上位机模块是系统的核心，通过串口向单片机发送控制命令，实现PC机对步进电动机的实时控制，并实时显示步进电动机的运行状态。4*4键盘模块实现指令输入，LED显示模块可显示步进电动机的转速和转向等运行状态。为保护单片机控制系统硬件电路，在单片机和步进电机之间增加过驱动电路。

步进电动机

系统总体结构图

由于步进电动机的驱动电流比较大，步进电动机较大驱动电流的通断会造成电磁干扰，进而会影响单片机的正常工作。因而单片机与步进电动机之间的驱动电路就显得尤为重要。本系统采用74LS04非门与有光电隔离的4N29达林顿管组成驱动电路，这样不仅避免了在驱动电路发生故障，造成高电压、大电流进入单片机而烧毁器件。同时割断了驱动电路与单片机控制电路之间的电气连接。另外步进电动机的启停和正反转分别由S1，S2控制。硬件接线图如下图所示。

步进电动机

步进电机与单片机硬件接线图

软件实现

单片机程序判断步进电机是否启动;若启动则进一步判断其旋转方向;然后按照既定的旋转方向传送控制脉冲序列，再加上脉宽延时即可。每走一步步数减1，并判断步数是否为零，从而决定是否送下一个脉冲序列。其控制状态如下表所示。

步进电动机

三相单三拍控制模式

由上表可以看出，输出的不同状态字，表示不同的励磁方式。P1=0x06H，表示A相通电，其它两相断电：P1=0x05H，表示B相通电，其它两相断电;P1=0x03H，表示C相通电，其它两相断电。若以次给P1口送0X06H，0X05H，0X03H，则步进电机通电顺序为A——B——C——A相。反之若以次给P1口送0X03H，0X05H，0X06H，则步进电机通电顺序为C——B——A——C相。从而用软件实现了步进电机的正反转控制。步进电机的旋转速度可以用脉冲宽度，即送出控制状态字后的延时时间长短来控制。

软件设计流程框图如下图所示。

步进电动机

步进电动机控制流程图

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