基于步进电机控制系统设计

基于步进电机控制系统设计
摘要：文中给出了一种步进电机控制系统。

系统利用AT89C51单片机对由键盘输入的时间和角度进行控制处理，实现对步进电机运转的精确定时定位。

通过键盘输入给出步进电机需要运转的时间和角度，采用LCD1602液晶显示剩余的时间和角度。

关键词：AT89C51；步进电机
1 系统总体设计方案
系统由单片机，步进电机，键盘输入电路，按键电路，液晶显示电路，步进电机驱动电路，蜂鸣器电路等组成。

系统框图如图1所示。

系统以AT89C51单片机作为主控单片机，接收由键盘输入的时间和角度信号，控制步进电机精确的运行和液晶显示剩余的时间和剩余的角度。

电机正反转可以由按键模块确定；电机运行结束时候的提示音由蜂鸣器模块来完成。

2 系统硬件设计
2.1 步进电机模块
步进电机在本质上属于一种执行机构元件，其旋转是一步一步运行的。

每当步进驱动器接收到单片机输出地一个脉冲信号时，它将驱动步进电机按设定的旋转方向转动一个固定的角度，通常这个角度叫做”步进角”。

通常步进电机的齿数和运行拍数决定步进角。

所需要的角位移量可以通过改变脉冲的个数而得到，从而可以准确定位；其次改变脉冲的频率可以控制电机转动的速度和加速度即可进行调速。

本次设计采用四相六线步进电机，工作方式为八拍。

步进电机的齿数是50，步进角为0.9度。

一个周期内运转7.2度。

2.2 液晶显示模块设计
液晶显示模块[6]采用能显示各种字体的数字、汉字、图像和自定义显示内容LCD1602显示器。

本次设计利用液晶显示步进电机运行剩余的时间和剩余的角度。

LCD1602液晶显示模块与单片机的连接如图2所示。

2.3 矩阵键盘输入模块
键盘中根据按键连接方式的不同可以分为独立式键盘和行列式键盘两大类，每一类都有编码和非编码键盘之分。

编码键盘主要是用硬件识别按键，典型的应用是PC中的键盘，非编码键盘主要是通过软件来实现键盘的定义与识别，非编码键盘的特点是结构简单，成本价格低，在单片机系统中得到了广泛的应用[7]，本次设计按键的识别采用的是较为常用的逐行（逐列）扫描查询法。

矩阵键盘与
单片机相连如图3所示。

控制原理说明：通过单片机P3.0-P3.4口输出脉冲到驱动芯片ULN2803的1B-4B口，经信号放大后从1C-4C口分别输出到步进电机的A，B，C，D相。

2.5 电源模块的设计
单片机的输入电压为+5V，我们通常使用的电源为电压为220v，频率为50Hz 的交流电，通过LM7805能够获得+5V的电源。

ULN2803的驱动电源为12V电源，通过LM7812能够获得+12V的电源，LM7805，LM7812均属于属于X78XX 系列，通常我们称之为三端稳压电路被广泛应用，内部包含的模块有过电流保护、过热保护等模块。

电源模块电路结构图如图6所示。

4 软件设计方案
本次软件设计的思路是对键盘进行扫描，将需要的数据通过键盘输入，然后进行存储和显示，数据经过单片机的处理，根据处理信息控制步进电机的运转，同时将剩余时间和剩余角度在显示器上显示。

程序流程图如图6
6 测试和结果分析
当向单片极输入角度为7200度，时间为10小时，则需要的1000个周期，每个周期的时间为36秒。

将程序下载到单片机，按下开关K1后，步进电机正转，理论上每隔36秒液晶显示屏显示时间减少36秒，角度减少7.2度。

10个小时后液晶显示屏上剩余时间显示为0秒，角度显示为0度。

测试结果分析：系统运行过程中存在一定的误差但总体上能够比较精确的完成所需的任务和要求。

图5.1显示的为当K1键按下时，步进电机正转（顺时针旋转），步进电机旋转了247°，此时步进电机运行到34个周期，步进电机处于运行暂停状态，液晶显示上角度减少了244.8°，误差度为2.2°，误差百分比为0.89﹪，一段时间后步进电机继续运行。

仿真结果如图7所示
参考文献
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[9] 李文. 一种新型5V大功率开关稳压电源[J]. 微电子学. 2003（01）
[10] 张秀国.单片机C语言程序设计教程与实训[ M] .北京：北京大学出版社，2008.。