基于单片机的步进电机转速控制全解

电子器件市场调研与系统设计实践

专 业： *** 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： ****大学****学院

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基于单片机的步进电机调速与正反转控制系统

1 系统要求

步进电动机是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。本设计基于单片机控制的步进电机设计课题是以单片机为主控制模块，从而实现电机的启停、正反转和调速的目的的一个设计课题。在课题设计之前，通过互联网了解到了当前步进电机的发展状况及发展前景。同时也了解了当今最先进的步进电机所具备的功能，方便为课题设计提供参考和借鉴；最后，通过画原理框图的形式，以最直观的方式为整个课题设计制定了流程及要求。

1.1 设计目的

《电子器件市场调研与系统设计实践》是本专业的重要实践教学环节，强调实际应用技能训练。结合自动化专业系列课程的学习，培养我们对电子器件的认知，锻炼我们的市场调研能力，加深我们对自动化专业系列课程知识的掌握。通过课程设计环节培养学生与人交往、独立思考和处理问题的能力。

1.2 设计内容及要求

本次课程设计所选的步进电机是四相步进电机，采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本次课程设计就是通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

2 系统方案及原理

2.1 系统设计方案

该步进电机调速系统主要具有电机启停、调速、正反转控制和显示功能，现

将该步进电机调速控制系统实现的所有功能的具体步骤整理如下：

(1)步进电机启停功能。单片机预设初值，预设初值脉冲发送给驱动器，驱动步进电机按预设的最低速运行。

(2)步进电机调速功能。将产生的不同频率和脉宽的脉冲信号输入到驱动器中，驱动电机在单位时间内转动若干个步角距。

(3)步进电机转向控制。通过改变步进电机绕组的通电相序，改变转子的转向，从而实现步进电机的正反转控制功能。

(4)复位功能。通过复位单片机，使单片机输出的脉冲复位为预设初值，从而使步进电机复位为预设最低速度运行。

(5)显示功能。通过在四位一体数码管中显示设定步进电机目前的转速和转向。

2.2 自动浇花系统原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

系统是单片机控制，整个设计的电压是5v，所以电机的电压也要选择5v可以驱动的，所以本实验选择28BYJ-48步进电机作为设计对象，步进电机28BYJ48

型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。原理框图如图1。

图1步进电机控制系统原理框图

3 市场调研及硬件设计

3.1市场调研

认真分析了题目所要求的功能后，进行了系统设计。对方案进行了仿真实验，并对所需的器件进行了市场调研，通过不同的途径，包括淘宝店、天猫购物、实体店，对比分析后，最优方案是通过淘宝店购买元器件。主要的元器件罗列如表1。

通过硬件电路搭建后，完成实物电路板的焊接过程，实物图见附录A。

3.2电路原理图

从控制系统的大小和复杂度出发，必须考虑单片机的基本参数和增强功能。前者往往需要考虑芯片的速度，ROM容量，I/O引脚数量和工作电压(1.8V/3V/5V)等，后者则包括是否拥有看门狗，双指针，双串口，实时时钟，CAN接口，SPI 接口，USB接口等附加模块。本设计中受控对象只有超声波、声光报警，复杂度低，采用低端的通用的单片机芯片就能够满足要求。

P0口为四位一体数码管的段选。P1.0为步进电机启停按键定义，P1.1为步进

电机正反转按键定义，P3.0为步进电机加速按键定义，P3.1为步进电机减速按键定义，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3为四位一体数码管的位选。P2.7、P2.6、P2.5、P2.4为脉冲信号输入端定义，原理图如图2。

图2 系统原理图

4 硬件调试及分析

4.1 Proteus软件仿真

在实物制作前，需要首先在Proteus仿真软件中对电路进行设计（即对硬件电路图进行合理的搭配，如图2），通过仿真软件测试电路与编译的程序相配合，检查外围电路设计是否合理，程序编译是否正确，以及软件和硬件是否能够正常配合工作，实现设计中的要求，若仿真电路没有问题，就可以在实际电路中对实物进行焊接制作。我选择单片机仿真软件Proteus8.2仿真以及Keil4 编译。源程序见附录B。

4.2 按键电路

按键操作在四位一体数码管上显示步进电机的转速和转向，有启停按键，正反转按键以及加减速按键，如图3。

图3 按键电路图