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基于STC89C51单片机步进电机控制系统的设计

本文基于STC89C51单片机,设计了步进电机控制系统,系统分为STC89C51

单片机最小系统、按键模块、显示模块、电机驱动模块以及步进电机等几个部分,

通过编程实现了步进电机的正反转,加减速,启停控制以及运行状态LED状态

显示功能。实验结果表明,系统性能优于传统的步进电机控制器。

标签:STC89C51单片机;步进电机;控制系统;设计

1引言

步进电机是机电设备中最广泛使用的一种电机,又被称为脉冲电动机或者阶

跃电动机,其工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或线位移。每输入一个电脉

冲,电机转动一个角度前进一步,其输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速

与脉冲频率成正比。在控制中,可以利用输入电脉冲的频率、数量和各相绕组的

通电顺序来精确控制电机的启停、转速、转向和定位,几乎不受电压和环境温度

等影响,误差小。随着单片机嵌入式系统的发展应用,基于单片机的步进电机控

制系统在各个领域得到了广泛应用,比如线切割的工作台运动、ATM机、刻字

机、工业控制系统等等,并且特别适合要求性能稳定、误差率低、响应迅速、运

行时产生噪音小、具有较长的使用寿命以及能输出较大扭矩的应用场合。本文设

计了基于STC89C51单片机的步进电机控制系统,具备价格低廉、结构简单、移

植性好等特点,具有广泛的应用前景。

2系统总体框架

本系统主要由STC89C51单片机最小系统、驱动电路模块、按键电路模块、

数码管显示电路模块和步进电机等几个模块组成。本设计中步进电机功率和额定

电流都较小,从经济性方面考虑,驱动芯片选用ULN2003芯片,ULN2003芯

片是一种高耐压、大电流、内部包含七个硅PNP达林顿管的驱动芯片。

步进电机的控制主要通过按键来实现,分别负责控制加减速、换向、转速。

STC89C51单片机向ULN2003输出脉冲信号,驱动芯片将脉冲信号进行电压和

电流放大,驱动步进电机的各相绕组,使步进电机随着不同的脉冲信号分别作相

应的动作。系统结构如图1所示。

3硬件电路设计

以STC89C51单片机为核心处理器及主控制器,由28BYJ-48步进电机与

ULN2003组成电机与驱动模块,矩阵键盘模块分别控制步进电机的启停、正反

转、加速、减速,显示模块驱动数码管显示步进电机当前的转速与转动方向。

3.1步进电机选择与设计

本设计采用28BYJ-48步进电机,内部结构如图2所示,内部接线如图3所

示。

28BYJ-48步进电机一共有四组线圈,每对绕组有一个共同端点,将两个公

共端点连在一起引出,这样一共得到5根引出线。给各引出端通电,就能使步进

电机转动。步进电机的转动方向由给定工作方式的换相通电顺序决定。正转的循

环通电顺序是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA,反转的循环通电顺序是

D-DC-C-CB-B-BA-A-AD,通过调整步进电机的四个绕组的通电顺序,来控制其

转动方向,通过调整发射脉冲信号的频率来控制其转速,频率越高,速度越快。

3.2单片机系统

本设计采用STC89C5l单片机作为核心,如图4所示,该单片机结构简单,

价格低廉,使用方便,能够反复写入或擦除程序达几万次以上。除此之外,

STC89C51还支持MCS51系列单片机的所有功能。单片机最小系统主要由复位

电路和振荡电路组成。最小系统如图5所示。

3.3按键控制电路

开关断开时,输出电压为低电平,开关闭合时,输出电压为高电平。通过按

键扫描程序扫描按键输出的是否为高电平就可以判断按键是否闭合。设计四个发

光二极管用于显示当前脉冲信号的发射状态,如果按键按下,则发光二极管的发

光状态会发生改变。控制按键电路如图6所示。

3.4数码管显示电路

选用共阳极数码管来显示步进电机当前实时转动速度和方向。数码管显示电

路图如图7所示。

3.5步进电机驱动电路

ULN2003通过1号到4号接口依次与单片机的28号到25号接口

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