基于单片机的步进电机控制及显示电路设计

基于单片机的步进电机控制及显示电路设计内容摘要：

C相绕组的磁极对齐。 而 0、 3号齿和 A、 B相绕组产生错齿， 5号齿就和 A、 D相绕组磁极产生错齿。 依次类推， A、 B、 C、 D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、 B、 C、 D方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不 同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。 单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。 八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 中 a、 b、 c所示。 图 5 步进电机工作时序波形 本设计中步进电机的参数： 模组配备的步进电机为 25BY2406电机，工作方式为双极性四相。 电机是种将电脉冲 转化为角位移的执行机构。 当步进电机接收到一个脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度 (称 为“步距角” )。 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实现步进电机的调速。 市面上一般的步进电机内部结构图如图 所示。 图 6 步进电机的接线 本设计采用的步进电机是 25BY2406，因生产厂家不同，其接线也有所不同。 电机共引出四根线，其余两根线是公共端，经测量后可得到其正确的接线顺序，表。 表 1 步进电机控制线 控制线颜色 黑 橙 棕 黄 控制线名称 A B C D 其中， C 与 D是电机内部一组线圈的两个抽头， A与 B是另 一组线圈的两个抽头。 只需以一定的顺序控制两组线圈中的电流方向即可使步进电机按指定方向转动。 25BY2406 的主要技术参数如下表 所示。 表 2 步进电机 25BYJ1201技术参数 电压 相电阻 步距角 启动转矩（ ） 启动频率（ ） 定位转矩（ ） 5~12V 20Ω 15 ≥ 120 ≥ 200 ≥ 48 AT89C51 单片机芯片介绍 本设计采用 AT89C51 单片机作为控制系统的核心。 AT89C51 单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、 4个 I/O 口、串行口、定时 器 /计数器、中断系统、振荡器等功能部件。 采用 HMOS 制造工艺的 MCS51 单片机都采用 40 管脚双列直插式封装，除采用 40 脚双列式直插式封装外，还有用方形的封装方式。 40 管脚双列直插式封装管脚图如 图所示。 图 7 MCS51 系列单片机管脚图 ULN2020 芯片介绍 ULN2020 是高耐压、大电流、内部由七个硅 NPN 达林顿管组成的驱动芯片，如图 所示。 经常在以下电路中使用，作为：显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。 图 8 ULN2020 芯 片图 LED 七段数码管介绍 本设计采用六位 LED 共阴数码显示管作为显示部分，即将每个数码管的 a～ g及 dp端串联在一起，公共端作为位选信号输入端。 如图 所示。 图 9 六位 LED 共阴数码显示管图 步进电机控制及驱动系统电路设计实现 硬件设计 根据之前确定方案及各元器件的功能原理步进电机控制及驱动系统的详细电路设计如下： （ 1）控制模块 采用 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机作为系统控制的核心，如图 所示。 图 10 控制模块硬件电路图 脉冲信号由 单片机 产生，一般脉冲信号的占空比为 左右，电机转速越高，占空比则越大。 信号分配实际上就是按照某一种控制方式（根据需要进行选定）所规定的顺序发送脉冲序列，达到控制步进电机方向的目的。 根据要求，所设计的步进电机八拍通电顺序为 A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA→ A。 步进电机的方向控制方法是： 用单片机输出接口的每一位控制一根相绕组。 本设计中，用 ， ， ,分别接至步进电机的 A， B， C,D 四相绕 组。 （ 2） 驱动模块 直接采用 ULN2020 芯片，如图 所示。 由单片机产生的脉冲序列和方向控制信号从 ～ 口输出，直接送入 ULN2020 芯片进行功率放大，达到步进电机所需的驱动电流和电压，以此驱动步进电机工作。 图 11 驱动模块硬件电路图 （ 3）显示模块 采用六位 LED 七段共阴数码管进行动态显示，如图 所示。 由AT89C51 单片机产生的段选信号从 P0输出，经过 1K左右的上拉排阻驱动数码管显示，位选信号从 P2 口输出直接送数码管显示。 采用数码管动态显示方式，硬件电路简单、编程简便、 显 示信息清晰。 图 12 显示模块硬件电路图 （ 4） 人机交互模块 采用独立式按键，中断工作方式。 总共设置了 15 个按键，如图 所示，其中四个控制按键分别执行对步进电机的启动 /停止、正转 /反转、加速、减速四种控制功能，由单片机的 ～ 口输入。 四个按键不可同时按下，当其中一个按下时控制电机的某一种状态。 按键 0～ 9 完成预置步进电机所转圈数的功能，剩余一个按键实现清零的功能，由单片机的 P1 口输入。 采用独立式按键，原理易懂，软件编序简单。 图 13 人机交互模块硬件电路图 （ 5）步进电机部分， 该 设计中所用到的步进电机为四相六线步进电机， 图 14 步进电机部分硬件电路图 软件设计 综合以上选取的方案，总的流程如图 所示。 整个程序采用 C 语言编程，使程序简单易读，在整个过程中采用模块化调试，可靠性好。 详细的源程序见附录。 图 15 系统程序流程图 3 电路调试 以上为本作品的设计过程和结果的详细介绍，但是，从本质上来讲，都是纯理论的设计和分析。 为了验证作品的可行性，我还做了硬件电路，来对设计作品中设计方案的主要功能及其理论进行实际验证。 同时，在软硬件电路的调试过程，也可以发现本设计作品中有没有一些不足和错误的地方。 为了能检验本毕业设计的可行性，并将其质量推向一个更高的层次， 我们 认真地设计了硬件电路，也进行了仔细的功能调试。 软件的仿真 系统电路软件仿真的步骤如下： （ 1）打开 protuse 仿真软件； （ 2）在软件的元器件库中选择所需的器件； （ 3）按照硬件电路设计方案连线； （ 4）加载编译好的 HEX 文件； （ 5）运行、调试； （ 6）如有错误或与设计预期不相符，则继续进行步骤 3～ 5，进行调试，至到调试成功。 系统仿真如图 所示。 图 16 系统仿真软件图 硬件电路的调试 当硬件设计从布线到安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体分为以下几步。 （ 1）排除逻辑故障 （ 2）排除电源故障 （ 3）排除元器件失效 （ 4） 脱机调试 （ 5）接入单片机调试 硬件电路调试如图 所示。 图 17 硬件电路调试图 4 数据分析及 总结 测试数据及说明 圈数测试：在步进电机的机壳上做一个标记，从该标记处让步进电机开始运行，对步进电机的运行圈数进行记数，记数结果与预定 值及显示值进行比较。 预设时，第一位置 0，不分正反转。 因为设计时，步进电机的步距角以 15度为准。