基于单片机的步进电机控制电路设计

摘要：随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。而步进电机的优势也极为明显，它与现代企业的生产效率和经济效益呈现直接相关性。本文设计了基于单片机的步进电机电路控制电路，首先明确步进电机工作原理及优势之后，采用单片机对其模块进行有效控制，以达到良好的设计效果，不断提升步进电机工作性能。

关键词：单片机 控制电路 步进电机 驱动模块

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0019-02

1 前言

近年来，步进电机在多个领域得到了开发和应用，并取得了良好的使用效果。步进电机是一种常见的执行元件无论是结构还是操作方法，都比较简单，其性能也与工业生产控制要求相适应，在工业技术中对其进行应用，已是一种既定的趋势。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时挥着重大的用途。与此同时步进电机调控也发生了相应的升级和转变，本文对单片机和步进电机进行同步应用，以控制软、硬件，不断提高步进电机工作效率。

2 单片机的应用意义及原则

2.1 单片机的应用意义

单片机与步进电机进行同步应用，既能够满足工业生产要求，又是步进电机电路设计过程中的基本诉求。单片机的性质是集成电路芯片，以具体技术为依托，对中央处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统和定时器等子系统功能进行实现。它能够对数据信息进行收集、分析和处理，在步进电机控制系统中极具应用优势，达到良好的应用效果。

首先，提高步进电机性能。依据实际情况，对反应式、永磁式和混合式等步进电机类型进行合理选择，充分发挥它的设计功能，适应社会需要。如果对该三种反应原理进行单一应用，步进机将丧失其整体性能，也会对步进电机的工作质量产生不同程度的影响，使它的应用效果大打折扣。单片机能够依据步进电机的工作环境、运动特性、控制性能和实际功用等，对它进行局部性的优化和升级，以补强步进电机控制系统整体，实现步进电机结构层面上的一体化，充分发挥它的使用性能，为工业生产提供物质及技术支持。

其次，降低步进电机维护及保养成本，节省资金。步进电机的材质一般比较昂贵。接收电信号脉冲之后，长期工作周期背景下，运动轨迹会发生明显变动。对步进电机的使用效果和结构产生直接性影响，产生裂纹或在记录过程中出现失误，使步进电机维护更加困难。在实际应用中需要在特定周期内，对步进电机进行维护和保养，确保其具备良好的应用效果及安全性。单片机能够从结构和功能上对步进电机进行协调，使电机不再受局部区域干扰，避免出现运动差错，对步进电机的维护和保养成本进行有效控制，实现资源节约。

2.2 单片机在步进电机电路中的实用性原则

设计单片机步进电机控制系统的时候，需要考虑资金要素，要依实际情况，对设计成本进行有效控制，减少不必要的资金浪费，使单片机在步进电机电路中得到充分应用。

3 步进电机概述

3.1 步进电机发展

步进电机别名阶跃电动机或脉冲电动机，它能够对脉冲信号进行转换，使其成为角位移或直线位移电机，也使它的分析过程更加便利。该种步进电机发展较早，无论是位移量与脉冲数，还是位移速度与脉冲频率都呈现正相关。

步进电机的最初研发时间是上世纪二十年代，距今已有很长年限。上世纪五十年代，人们开始在步进电机上对晶体管技术进行应用，实现了对步进电机的数字化控制，使其控制过程更加快捷便利。此后，研究人员再次对步进电机性能进行升级和改善，使其具备分解性、响应性、精度性和可依赖性等多方面优势。加之，微电子技术和计算机技术的发展，自动化控制系统中开始对步进电机进行频繁应用，使其逐渐成为机电一体化中的重要执行元素。步进电机的优势非常明显，它既能够提升工作效率，实现自动化，也能够使位置控制更加快捷、准确，不断提高生产效率，实现经济效益最大化[1]。

步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。

3.2 步进电机的工作原理

定子和转子是步进电机的主要元件。正常工作状态下，如果有电流经过，定子绕组会产生一个矢量磁场，继而对转子产生带动，使其在具体作用下旋转，转子和定子的磁极磁场方向会发生偏差，形成相应的角度。步进电机主要对通过定子绕组的电流进行支配，实现转子旋转角度控制。一旦输入脉冲信号，转子即发生偏转，即步距角。完成脉冲信号给出规律设定之后，电流的通过将会更具规律性，而转子也会有规律的进行持续转动，对电机进行带动，使步进电机实现工作。如图1所示，步进电机结构。

传统电动机的转动具有持续性特征，控制难度相对较大。当前的步进电动的驱动方式是数字信号，能够依据实际情况，对它的定位和运转等使用状态进行有效调节。我们对输入脉冲的电机绕组通电顺序、频率和数量等进行合理调整，对步进电机接受脉冲信号而旋转指定的角度进行科学合理的指挥，使其满足最初诉求。如今，步进电机的正常运行得益于脉冲信号。如果没有输入脉冲信号，步进电机将处于定位状态。单片机能够对步进电机这一特性进行有效控制。对单片机和步进电机进行同步应用，有助于提高其生产效率。传统电动机的主要功用是能量转换，而步进电机则作为电路控制元件存在，极具精确性，对人们日常生产和生活具有正向性影响。

4 基于单片机控制步进电机电路的设计

步进电机可以以硬件系统实现控制。但是，基于市场因素考虑，硬件系统不具备经济性，而它的各项功能也不具备适用性。一旦发生设计变更，则需要对硬件电路进行整体性修改，加大了工作负担，很难实现便利性。单片机具备可直接编程优势，能够对运算功能进行有效执行，在具体应用过程中，可对步进电机进行适应性控制，对具体的转向、步数和速度等进行合理调节。借助软件的更改，能够满足不同设计诉求。设计人员对显示电路和键盘电路进行有效结合，能够进行人机交换，最大程度降低外部干扰，使其更加可靠、高效。

4.1 系统硬件设计

4.1.1 单片机最小系统

电路设计中离不开单片机最小系统设计，它是步进电机电路的起始部分。主要功能是生成步进电机转动需要的脉冲，并对其加以控制。我们可以借助单片机的软件编程功能，对步进电机所需要的信号进行输出，使单片机输出脉冲数与步进电机旋转角度呈现正相关，单片机输出脉冲频率与步进电机转动速度也呈现正相关。同时，单片机也能够对电流值进行有效处理，并借助数码管明确显示电机的转速和方向。

单片机的主要模块有复位电路和晶体振荡电路。如图2所示，单片机最小系统线路图。

P0口主要对数码管显示情况进行控制，使其显示结果更加明确，且极具准确度；P1口着重控制步进电机中单片机的编程，使芯片处于良好的读写状态；P2口作为数码管位选，对公共端工作进行有效控制。同时，它也能够对扫描电路键盘工作情况进行合理控制。P3口着力于模数转化成芯片的工作控制[2]。

4.1.2 数码管显示电路

数码管显示模块的主要显示内容有步进电机选择速度、旋转方向、步进电机电流通过情况。该设计中，借助数码管对设计进行显示，直接点亮数码管，实现位选部分，对单片机控制端的地输出电压问题进行有效控制。因而，需要将辅助三极管添加到位选和单片机控制端。

4.1.3 串口通信模块

串口通信模块的应用原理是对计算机和单片机进行连接，实现二者之间的信息交互和流通。它的应用原理是借助计算机对程序进行编程，然后对程序进行复制，在单片机芯片中对其进行应用。

4.1.4 电机驱动模块

步进电机的信号功率比较小，很难对电机进行驱动，使其运行。因此要添加电机驱动模块，使步进电机信功率不断放大。集成的驱动芯片价格比较低，控制难度相对较小，可以将其作为核心元件应用到电机驱动电路设计中。

如图3所示，该电机驱动电路中，电机驱动核心由驱动芯片L298和其周围的电路组成，L298N的管脚IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB与单片机的I/O端口P1口的六个管脚依次连接相连，接收脉冲信号。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB控制使能端，控制电机的停转。而控制步进电机的运行速度只要控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，即在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率逐渐减少。该种连接模式和驱动芯片与单片机和步进电机之间的串联模式相符合，使电路控制和操作更加简单和便利。

4.1.5 独立按键电路

内部电路中的按键是独立的，在单片机端口上对其进行连接。将其作为外部性按键，使内部各项模块具有较好的中断功能，以对步进电机旋转方向进行科学合理的选择，并对它的速度进行科学调控，使其电流呈现良好的现实状态，对步进电机进行合理控制。它属于步进电机电路设计中的辅装置，具有不可或缺的重要作用。

4.2 系统软件设计

软件系统主要为硬件系统电路设计提供依托和支持。依据单片机本身的性质和特点，对系统软件进行合理编程和读写，以充分体现出设计功能，并对其进行合理更改，实现电路控制。系统软件设计与硬件系统电路设计具有紧密相关性。软、硬件中的任一设计模块都直接关乎最终设计效果和步进电机电路的整体运行状态。因而，需对系统软件设计进行合理把控，以提升其整体性能。

4.2.1 红外线编码

遥控器编码形式是32位二进制码组，前16位是用户识别码，能够对不同的电器设备进行有效区分，避免不同机种遥控编码相互干扰。该芯片用户识别码固定高8位地址和低8位地址分别为OBFH和40H，后16位则是8位操作码和它的反码。单片机接收红外线之后，可按以下方式开展解码工作：中断信号产生-EA清零-延时短-等待高电平-延时不足4.5ms-再次等待高电平-延时0.84ms-P3.2脚电平值读取，对32位代码进行依次读取，前16位是识别码，后18位中，数据码和数据反码均为8位[3]。

4.2.2 步进电机程序

步进电机程序设计的基本诉求是对旋转方向进行判断，再依据正确的顺序，将其传送给控制脉冲，继而对所需控制步数进行判定，观察其具体传动情况，直至将要求控制步数传送完毕。分别将步进电机和单片机作为具体执行元件和控制器，并将检测元件定义为光敏电阻传感元件背景下的传感器。而手动输入信号则是手动按钮，以红外遥控装置开展遥控操作，对时钟控制和状态显示的步进电机控制系统进行综合限定辅助，使步进电机的手动、自动和遥控多功能操作更加便利，保障其可靠性。

5 程序原理分析

5.1 程序设计思路

依据电路设计，单片机的输入和输出分别为P1口的前6个管脚和P1口的后2个管脚及P2口的前4个管脚。首先，主程序部分向驱动电路输出4路高电平，停转电机。继而对定时器T0的具体工作模式和允许中断位置高电平进行合理设置，将“停转”状态显示点亮，然后进行按键扫描，按下按键之后，实现程序段跳转。如果没有按下按键，即会回归到程序的初始部分。正转部分需对正转状态指示进行点亮，然后执行起始脉冲输出，继而对按键进行扫描，并对不同状态下的执行情况进行合理判断，调配到定时器T0赋初始值子程序，对累加器A中的数值进行累加。几经循环，使步进电机处于正转状态。反转部分的设计过程亦是如此。加速和减速中，对定时时间进行改变，即可实现定时器定时初始值更改。

5.2 设定定时器计数初始值

程序设计中对定时器T0的定时中断进行选用，以实现步进电机细部性时间控制。对T0的定时时间进行更改，即可改变步进电机转速。假定步进电机的步距角为7.5°，转一圈耗费的脉冲数量为48。将转速假设为N（r/min），而每一分钟脉冲数据输送数量为48N，每送一个脉冲信号需要花费的时间为s。

定时器T0的技术初值为。将步进电机最低转速假定为20r/min，最高转速为100r/min，速度级的界定为5r，共17级。

6 结语

步进电机在应用层面极具优越性，在工业设备中已经得到了广泛应用，有助于提高生产质量及效率。我们要结合具体操作背景，对单片机的优越性进行重点分析，在步进电机电路控制系统中对它进行全面应用，使步进电机工作性能得到充分提升。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

参考文献

[1]洪新华，陈建锋，等.基于单片机的步进电机控制系统的设计[J].湛江师范学院学报，2010，（06）：84-87.

[2]令朝霞.基于单片机的遥控步进电机控制的设计[J].自动化技术与应用，2012，（04）：78-80+91.

[3]刘建南.基于单片机的步进电机控制系统的设计研究[J].科技广场，2016，（03）：61-63.

收稿日期：2016-09-08

作者简介：范月圆（1981―），女，江苏镇江人，硕士，讲师，主要从事控制工程及电子技术研究。