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如何使用51单片机进行步进电机控制系统的设计与实现
二宫heye
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结合 51 单片机的特点，研究设计步进电机的控制系统，以 51 单片机 AT89S52 为控制核心，选用 ULN2003A 芯片组成的驱动电路，提出一种步进电动机控制系统设计方案。完成控制系统的硬件电路设计和软件编程，实现步进电机的控制要求。该系统简便易操作、控制精度高，具有较高的使用价值。
步进电机是常用于过程控制和及仪表中的控制元件之一，因其控制系统具有结构简单、功能强大、性能稳定、价格低廉等诸多优点，在数控机床、自动化包装、电动阀门、医疗设备等方面有着广泛而深入的应用。步进电机具有以下优点 ：结构部件少，没有电刷，在较宽范围内进行速度平滑调节 ；步进电动机速度不受负载变化的大小的影响，具有快速启停、易于调整、停止时能自锁等特点。因此，步进电机是机电设备中应用最为广泛的一种电机。单片机控制技术在工业控制领域发展越来越成熟，而且生产成本低，抗干扰能力强。结合 51 单片机的特点，对步进电机的控制系统进行研究与设计，很有实用意义和价值。
步进电机，又称为脉冲电机，其工作原理在于能直接接收数字脉冲信号，将其转换为应角位移或线位移。电动机的转速控制、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，只存在周期性误差而没有累积误差。对电机施加一个相应的脉冲信号时，电机收到信号后就会转过对应的步距角。可见，控制了脉冲信号也就控制了步进电机。步进电机传统的控制方式是利用触发器产生控制脉冲来进行控制的，但这一控制方式难以实现人机交互，并且具有控制电路复杂、控制精度低、成本高等缺点。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，所以，步进电机的控制系统非常适合采用单片机进行控制。
基于 51 单片机的步进电机控制系统主要由以下部分构成 ：单片机最小系统、驱动电路模块、按键控制电路模块、步进电机。其中单片机系统是整个系统的控制核心，接收各种控制信号，分析处理，完成脉冲分配，实现步进电机的相应控制，比如启动、停止、转向、变速等。
单片机通过控制所发送脉冲频率的高低，来完成对步进电机速度大小的控制，实际就是控制脉冲的频率的过程。步进电机的转动速度与脉冲频率成正比，电机转动的角度与脉冲数也成正比，在降低脉冲频率，电机减速运行 ；提高脉冲频率，电机加速运行。脉冲频率可以通过硬件定时、软件延时来实现。
由于单片机输出的电压、电流较小，不能直接驱动步进电机，因此必须进行放大，才能使电机正常运行。驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲信号进行电压和电流放大，从而驱动步进电机的各相绕组，使步进电机能够根据不同的控制脉冲信号分别作相应的动作。按键控制电路的作用是 ：通过设置按键开关进行步进电机的启停、正反转控制，还可以按要求进行调速。
通过软件编程，可使单片机产生控制脉冲、实现脉冲分配，完成步进电机的相应控制。以 51 单片机作为控制核心组成步进电机控制系统，实现了硬件电路与软件编程相结合的控制方法，简化了电路的同时，还降低了成本，可达到对步进电机的最佳控制。
根据控制系统的总体结构，可以设计出基于 51 单片机的步进电机控制系统的硬件电路，如图 1 所示。
控 制 系 统 的 核 心 部 件 是 单 片 机，选 用 51 系 列 单 片 机 AT89S52。AT89S52 是一款低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，自带 8K 的 Flsah 存储器，可以在线编程，满足系统设计要求。步 进电机部分使用四相五线减速步进电机，型号 28BYJ-48，基本参数有：电机直径 28mm，电压 DC 5V-12v，步进角度是 5.625×1/64，减速比是 1/64。
由于 AT89S52 单片机的输出信号的功率较小，不足以驱动电机，所以需要外加驱动电路才能使步进电机正常工作。本设计中步进电机功率和额定电流都较小，从成本角度考虑，驱动模块部分可采用集成驱动芯片 ULN2003A。ULN2003A 是一种高压、大电流的驱动芯片，内部含有 7 个硅 PNP 大功率达林顿管，可提供最高 0.5A 的电流，适合本设计。ULN2003A 的输入端连接单片机的 P1 口，其中 P1.0-P1.3 输出驱动信号 ；输出端接步进电机。按键控制电路较为简单，设置 3 个按键，分别控制步进电机的停止、正转、反转。
控制系统功能实现如下 ：
（1） 复位 ：电路上电时复位 ；手动按下按键开关 S1 可复位，控制精度高，工作可靠。
（2） 步进电机工作情况控制 ：按下按键开关 S2，电机正转 ；按下按键开关 S3，电机反转 ；按下按键开关 S4，电机停转。
（3） 速度控制 ：通过软件编程的方式，给电机设置不同延时时间，可改变控制脉冲的频率，从而改变步进电机步距角，实现电机加速，减速。延时时间常数越大，电机转速越慢，延时时间常数越小，电机转速越快。
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