基于单片机的电机控制系统设计

【摘 要】 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件， 本文采用单片机作为控制核心的控制系统，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计，接着阐述了步进电机软件控制开发的流程和程序设计。

【关键词】 步进电机 单片机 控制技术

1 步进电机控制系统

步进电机控制系统是一个有机的完整的整体，由运动控制系统和操作控制系统组成"由操作系统完成把操作者的操作转化为运动控制系统能接受的电信号，运动控制系统随之作出反应，完成规定动作。步进电机是数控式电机，其最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定"它具有输入脉冲与电机轴转角成比例的特征，将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。采用单片机作为控制核心的控制系统如图1。

采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法"用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制"系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路"通过软件的控制，单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字角度的转换"转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。整个系统以单片机为核心，设计出硬件系统"以其中的几个口控制驱动电路，由于步进电机工作时，电机绕组内的电流值一般都能达到数安培，而控制电机绕组内电流变化的控制信号一般都是由逻辑电路产生的数字信号，电压一般比较低，为了防止单片机或控制信号等受到后级模拟电路的干扰，通常在驱动电源的设计时都要设计电压隔离接口，以便把数字信号和模拟信号隔离开.所以将光电隔离电路接在驱动电路和单片机出口之间。

2 系统硬件设计

硬件是整个系统的平台，各种功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的，所以硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量（如图2）。

本系统由电源显示（指示）单片机（MCU）按键电路看门狗电路和电机驱动电路等组成"系统中采用并行控制，用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动电路"键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转反转档次停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转反转速度等状态。

AT89C2051提供以下标准功能：2KB Flash存储器；128字节RAM；15条1/0引线；两个16位可编程定时器/计数器；1个5向量2级中断结构；1个全双工UART口；1个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路，此外AT89C2051是用可降到0频率的静态逻辑操作设计的，并支持两种可选的软件节电方式"空闲方式停止CPU工作，但允许RAM定时器/计数器！串行口和中断系统继续工作"方式保存RAM内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其它部件的工作直

到下一个硬件复位，系统端口分配：

（1）Pl.0一Pl.3输出BCD码到七段显示译码器CD4511，用于控制显示的数码

（2）PI.4一Pl.6：显示动态扫描位选线，键盘扫描输出线

（3）Pl.7：WTD（看门狗MAX813）定时器复位输出口

（4）P3.0：方向指示LED控制口

（5）P3.1：工作方式指示LED控制口

（6）P3.2、P3.3：键盘扫描返回线

（7）P3.4、P3.5、P3.6，步进电机控制脉冲输出口

显示电路设计（如图3）。

几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，就产生了看门狗这一电路。

（l）运用监控电网及空间存在着丰富的电磁波，对微机系统随时会造成电磁干扰，可能使CPU的运行出现死机！程序跑飞或进入死循环等，看门狗会让CPU复位，从而使CPU的运行重新回到正常的工作程序中。

（2）电压监控比如在系统上电初始阶段和在欠压情况下，系统各部件可能出现不确定状态，造成意外操作，这时看门狗能使CPU复位而停止运行，直到电源电压正常稳定才恢复运行。

（3）有些系统还要求在掉电瞬间能够把运行中一些重要的数据保存下来，因掉电是很随机的，看门狗中往往集成了电源监控电路，在掉电刚发生的时候能通知单片机保存重要数据。

3 结语

本次设计通过分析步进电机机构、工作原理，采用单片机作为控制核心，利用其强大的功能，把键盘电路和显示电路有机的结合起来，组成一个操作方便，交互性强的控制系统，而且整个系统所包含的技术几乎包括了现职业学校控制专业所要求的知识，有利于实践教学取得最大效。