基于AT89S52单片机的步进电动机控制模块开发

　引言
　　步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。步进电动机实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机由多相方波脉冲驱动，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。当向脉冲分配器输入一个脉冲时，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得非常简单。
　　本研究利用AT89S52单片机的四路I/O通道实现环形脉冲的分配，控制步进电动机匀速、连续的按固定方向转动，通过按键控制步进电动机的旋转角度。
　　1 系统设计
　　用AT89S52单片机来作为整个步进电动机控制系统的核心部件，其系统设计总框图如图1所示。真个系统包括单片机最小系统、电机驱动模块、独立按键模块等。
　　图1 系统设计总体框图
　　1.1 单片机最小系统
　　单片机最小系统主要负责产生控制步进电动机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比，步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的方向与输出的脉冲顺序有关。
　　1.2 电机驱动模块
　　电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大 ，从而驱动电机工作。步进电机驱动方法主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式、细分驱动和集成电路驱动。设计中采用集成驱动芯片ULN2003A构成整个驱动电路，它是由七对达林顿管组成的，是集电极开路输出的功率反相器，并且每个输出端都有一个连接到共同端（COM）的二极管，为断电后的电机绕组提供一个放电回路，起放电保护作用。因此，ULN2003A 非常适合驱动小功率的步进电机。
　　单片机的P2.0-P2.3输出的脉冲信号送到ULN2003A的1B-4B 输入端，经ULN2003A 放大和倒相后的输出脉冲信号来驱动步进电机作相应的动作。ULN2003A的 COM 端和步进电机的 COM1、COM2 连接到 VCC。ULN2003A驱动步进电机模块原理图如图2所示。
　　1.3 按键控制模块
　　键盘主要用来提供人机接口，电路如图3所示，采用独立式按键电路 ，各按键开关均采用了上拉电阻，保证在按键断开时，各I/O 有确定的高电平。二极管IN4148作为高频信号高速开关，当按下键盘时最大反向恢复时间小，保证在按键断开时，各I/O 有确定的低电平。
　　1.4 串口通信模块
　　串口通信模块主要负责计算机与单片机之间的通信，将在计算机里面编好的程序下载到单片机芯片当中，通过RS232串口进行连接，实现计算机与单片机的良好通讯。
　　2 控制方法
　　本设计中的步进电动机采用的是2相6线式，其励磁方式为半步励磁（又称1～2相励磁），1相与2相轮流交替导通，每送一励磁信号可走90。若以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如表1所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。
　　表1 正转励磁顺序：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A
　　单片机控制电路如图3所示，用两个按键非别控制步进电动机正传和反转，当“正转”（Positive）键按下时，单片机的P1.3到P1.0口按正向励磁顺序A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A输出电脉冲，电动机正转；当“反转”（Negative）键按下时，单片机的P1.3到P1.0口按反向励磁顺序A→DA→D→CD→C→BC→B→AB→A输出电脉冲，电动机反转。
　　3 系统程序设计
　　系统程序设计为C语言，主要包括脉冲信号发生、键盘的识别处理等。主程序流程图如图4所示。
　　3 系统仿真
　　使用Proteus的波形分析功能，可以分析按下一个键以后单片机的驱动信号输出，这里仿真按下正转按钮的波形，分析如图5所示。从波形可以看出，步进电动机的驱动序列为：0010、0110、1100、1000、1001、0001、0011、0010…与设计思想吻合。
　　4 结束语
　　基于AT89S52单片机的步进电动机控制模块具有电路简单可靠、控制方便、成本低等有点。实现了可程序设定步进方向、步进角，该设计灵活度高、有较强的编程性。
　　参考文献
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　　作者简介：明立娟，女，云南腾冲人，学历：工程硕士，职称：讲师。