基于单片机的步进电机控制系统设计与仿真

步进电机单片机控制

基于单片机的步进电机控制系统设计与仿真

牛甲熊刚郭东平

（杨凌职业技术学院陕西杨凌 712100）

摘要：研究基于单片机的步进电机控制系统及仿真实现问题，采用单片机AT89C51、步进电机和液晶模块等作为主要硬件，在PROTEUS软件环境下实现一种电机控制系统的设计。

关键词：单片机；电机；仿真；PROTEUS

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1020071－01

0 引言

步进电机具有价格低廉、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点，在电动阀门、电动窗帘、旋转灯具、医疗设备等方面有着广泛的应用，因此设计一款可控性能好、精度高的电机控制系统是非常有意义的。本文介绍的步进电机控制系统，由单片机代替控制器，在按键的操作下控制电机的转动，同时对工作状态进行显示，最后通过单片机动态仿真软件PROTEUS仿真实现。

1 硬件电路设计

本设计中，通过按键对电机的正向、反向（即顺时针、逆时针）进行控制，控制器对控制台的参数进行采集，通过对采集的数据分析处理产生相应的信号输入到驱动器中，再通过驱动器控制电机进行正转、反转、加速、减速、停止等动作。

本系统以单片机AT89C51为控制核心，通过控制台按键来控制电机转速和方向，同时通过液晶及LED实时的显示电机工作状态。该步进电机控制系统包括单片机系统电路、按键电路、状态显示电路、驱动电路及电机等，系统选用P1口低五位作为按键控制口，P2口和P3口用做输出显示控制口，P0口低四位经反相后连接步进电机驱动芯片，高四位用做电机状态指示灯，整个系统结构图如图1所示。

由于步进电机的驱动电流较大，一般的脉冲分配器输出的驱动能力有限，所以需要专门的驱动电路。本设计选用单极性功率驱动芯片ULN2003A，ULN2003是高耐压、大电流达林顿系列，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

2 软件设计

系统主程序如图2所示，单片机上电后开始中断初始化，并且设定寄存器及电机控制模型初值，此时电机不转动，指示灯全部熄灭；若有键按下，则执行中断服务程序判别键值，根据键值来执行相应的子程序，通过改变控制模型及寄存器值来控制步进电机的方向和速度，同时LCD以及指示灯显示电机的工作状态。

图1 系统硬件结构图

1.1 控制电路设计

按键采用独立式键盘，5个按键分别连接到单片机的P1.0～P1.5口，作为控制信号的输入。K0为停止键，K1、K2键电机方向控制键，K3、K4键电机速度控制键。按下K1后，电机开始正转，通过K3、K4对电机进行加速减速控制。

1.2 LCD显示电路设计

显示部分采用的是TS12864液晶，液晶的数据端D0-D7与单片机P2口相连，实现数据的传输与显示；使能信号端E用来完成液晶的读/写操作时序，与P3.5连接；R/W信号端上的电平状态用来判断是读操作还是写操作，与P3.4连接；RS信号端用于识别数据线的数据是指令代码还是用来显示数据，与P3.2连接。液晶屏的作用就是实时显示电机的工作状态，使工作人员能够直观的看到电机的处于何种工况。

1.3 驱动电路设计

图2 主程序流程图

键值判断采用中断的工作方式，这种工作方式平时CPU不必对按键进行扫描，只要有键闭合，立即产生中断信号使CPU转入中断处理程序，对按键的进行处理，进入中断程序后，先延时10ms去抖动，然后根据P1口的值转入相应的分支程序，在分支程序中控制步进电机的转动方向和转速，同时更新LCD存储器中内容以显示电机工作状态。

3 仿真实现

PROTEUS是英国Labcenter electronics公司开发的EDA工具软件，涉及PCB制版、Spice电路仿真、单片机仿真以及对ARM7/LPC2000的仿真[2～4]。

本文设计的电路硬件主要由单片机、LCD、晶振、电阻电容、驱动电路、电机等元器件组成，在Proteus

基于单片机的步进电机控制系统设计与仿真