基于单片机控制的步进电机设计

谢海明

（湖南长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，湖南 长沙410004）

0 引言

关于步进电机的应用已经涉及国民生活的方方面面，例如指针式电子钟表、印刷机等等。为了能够进一步达到智能化控制的要求，需要步进电机的控制性能上升一个水平，于是提出了单片机控制的步进电机。步进电机与其他电机最大的不同在于，步进电机是通过输入脉冲信号进行控制，其作为数字控制系统中的一个执行元件，转速由脉冲信号的频率决定，这就使得步进电机十分适合与单片机结合。

1 步进电机概述

步进电机被广泛应用于精确定位系统，与其他电机不同，不会出现积累误差。综合分析步进电机的特点，主要有以下几点：第一，控制更加方便，直接使用数字信号进行开环控制；第二，使用更加方便，不需要进行数模转换；第三，在起动、停止、正反转以及变速上具有良好反应，响应性较佳；第四，整机结构简单，成本低。目前，步进电机的种类从类型上分为机械式、电磁式、组合式三种［1］，根据结构特点划分为反应式、永磁式、混合式［2］。其中反应式步进电机结构最简单，同时也是应用范围最广泛的一种。从步进电机的原理分析，其之所以能够旋转起来，最根本的原因是错齿。

2 步进电机控制系统

步进电机控制系统由运动控制部件、驱动部件、运动执行部件组成［3］。作为一个完整的整体，以单片机控制的步进电机系统由单片机系统、外围电路、驱动电路、步进电机组成。其中，单片机系统是利用微处理器、只读存储器、随机存储器、中断系统等电路集成在一个芯片中，这种基于单片机的步进电机能够提高整个系统的工作效率与可靠性。

3 基于单片机控制的步进电机设计

3．1 硬件系统设计

综合考虑各方面条件、因素，本次设计采用AT89S52型单片机，在系统功能方面，采用电路上电复位或手动按钮复位，精度高。使用单片机最小系统和少量外围器件组成基于单片机的步进电机控制系统。单片机最小系统由单片机、时钟晶振电路、复位电路等组成［4］。AT89S52单片机主要功能如表1所示。

考虑到单片机直接输出的脉冲信号太小，需要增加一个驱动电路，本文采用型号为ULN2003A的高压大电流、大功率达林顿芯片驱动步进电机，保证步进电机正常工作。为了进一步提高其性能，本设计增加拓展实现方案，利用两个型号为ULN2003A的大功率达林顿芯片作为步进电机驱动板，提高低电平驱动能力。

表1 AT89S52单片机主要功能

3．2 软件系统设计

借助软件编程，利用单片机进行电极控制的脉冲分配，保证步进电机的正常工作。本次研究中步进电机采用的是四相步进电机，但为提高步进电机的负载能力，使用八拍驱动方式，因此最后组成四相八拍。这种方式的通电顺序是A相线圈最先开始通电，之后转换为A、B两相线圈同时通电，然后再单独给B相通电，之后B、C两相线圈通电。在设计阶段，关于基础实现方案程序的设计方面，单片机控制步进电机的流程可以简单化为开始→初始化按键判断→相应按键子程序。

关于软件设计的拓展实现方案，在单片机的P2口设计堆栈，开始时步进电机停转，对按键进行扫描，判断是否有按键按下，一般情况下，在每次按键按下之后，一般所按的按键都会在闭合与断开位置之间跳几下才能够稳定闭合，这种情况称为按键抖动。一般这种抖动的持续时间不会超过10ms。为了保证系统的正常运行，可以在系统中加入按键消抖程序，只要按下了按键，按键消抖程序就会启动，消除按键抖动。

将编写完成的程序输入单片机硬件芯片中，同时还需要各种辅助工具才能完成［5］。根据设计要求，为提高编程效率及效果，加入仿真器对已经编写好的单片机程序进行调试。所谓的仿真器就是利用仿真软件进行单片机运行的实时模拟及在线调试。仿真器具备基本的输入装置和输出装置，同时配备各种相应支持程序调试的软件，最后达到直接通过单片机仿真器进行程序输入与修改的效果，同时还能够观察程序运行结果和运行过程中的中间值，以大大提高编程效果。其中使用到的编程器作用是将数据写入可以编程的集成芯片中，目前比较常用的是存储器之类可编程的芯片，在经过仿真器调试之后，编译出十六进制或二进制的代码，将其写入单片机程序存储器中，保证单片器能够在电路板上正常运行。

开始进行仿真调试，将仿真器的仿真头插在插座上，连接电源。启动仿真软件，选择CPU和相关设置。新建一个文件夹，将步进电机的控制程序输入，完成保存。进行程序编译操作，如出现出错的命令，会自动弹出一个信息窗口，显示错误的相关信息。在编译完成后会生成一个HEX文件。进行调试操作，观察电路板步进电机的运转效果，如果存在功能障碍问题，则需重新进行编译操作。为了更加快速、准确地找到错误，可以在仿真调试中将单步执行和全速执行两种调试方式结合起来使用。其中，单步执行能够详细了解每条指令的具体执行情况，全速执行可以配合设置断点，在大致范围上确定错误出现的位置。

在完成了仿真调试并且结果未出现错误之后，将编程器中已经编写好的程序放进单片机硬件芯片中，具体操作程序为：第一步，将单片机根据要求插入编程器插座中，接通电源；第二步，打开编程软件，在还未进入程序之前所有窗口的显示均为“FF”；第三步，选择需要编程器件的型号，最后点击“确定”选择；第四步，调入选择，需要注意的是，在调入之前需要清空缓冲区；第五步，在完成文件的调入后，数据窗口会显示出具体的数据；第六步，进行编程操作，直接选择自动编程，完成整个操作；第七步，在点击自动编程之后，程序会开始自动进行写入操作，完成之后显示100%，则编程成功。程序在完成调试仿真并且最后结果无误之后，利用编程器将已经编写好的程序写入单片机的存储器中，整个操作就完成，单片机就可以在电路板上进行正常运行了。

4 结语

基于单片机的步进电机利用单片机产生驱动步进电机的脉冲信号，并传动给驱动电路，驱动电路根据控制信号进行操作，从而实现了步进电机的转速与方向控制。在硬件设计与软件设计方面通过一些列操作，有效提高了控制的灵活性。这种基于单片机的步进电机控制器控制效果较佳，展现出了良好的运行效果。本文将研究的重点放在了设计方面，后期的仿真操作以及实际运行仍然需要从多个角度、多个方面进行深入分析与研究。

［1］王晨光，孙运强，许鸿鹰．步进电机的单片机控制设计分析［J］．国外电子测量技术，2008，27（9）：39－41，60．

［2］郑虎子．单片机控制混合式步进电机驱动电源的研究及设计［D］．武汉：华中科技大学，2007：123－124．

［3］汪姝．基于单片机的步进电机驱动控制系统的设计与实现［D］．南昌：南昌大学，2012：186－187．

［4］熊超美．步进电机的单片机控制硬件系统设计［J］．湖南有色金属 ，2011，27（2）：61－64．

［5］高亮．8051单片机对步进电机的控制及步进电机升降速曲线的设计［J］．测控技术，2002，21（11）：64－65，67．