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基于at89c51單片機的步進電機控制及驅(qū)動電路設(shè)計-文庫吧

2026-05-29 17:15 本頁面

【正文】下，行列式鍵盤能帶更多的按鍵，查詢工作方式也不用另接門電路。軟件雖然較難但電路較簡單。方案二方案二：基于AT89C51單片機的步進電機控制及驅(qū)動電路設(shè)計。整個系統(tǒng)可分為：AT89C51單片機系統(tǒng)控制器、驅(qū)動電路、數(shù)碼管顯示、按鍵輸入模塊及電源電路五大部分。本設(shè)計方案采用AT89C51單片機作為控制模塊的核心，利用軟件編程使單片機輸出脈沖序列和方向控制信號，以此實現(xiàn)對步進電機啟動停止、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制。驅(qū)動電路部分由芯片ULN2003A和必要的外圍電路組成，單片機產(chǎn)生的信號經(jīng)驅(qū)動電路使其功率放大，達到電機所需的驅(qū)動電壓和電流由此驅(qū)動步進電機工作。由七段LED共陰數(shù)碼管實現(xiàn)步進電機預(yù)置圈數(shù)和所轉(zhuǎn)圈數(shù)的同步顯示。用相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)預(yù)置圈數(shù)設(shè)置和清零的功能。AT89C51單片機系統(tǒng)控制器按鍵輸入電源電路驅(qū)動電路數(shù)碼管顯示預(yù)置數(shù)控制清零脈沖序列方向控制信號步進電機功率放大信號同步顯示圈數(shù)及轉(zhuǎn)速圖3 基于AT89C51單片機的步進電機控制及驅(qū)動系統(tǒng)圖（1）控制模塊采用AT89C51單片機作為系統(tǒng)控制的核心。利用單片機編程產(chǎn)生步進電機所需脈沖序列和方向控制信號。單片機算術(shù)運算功能強、軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低，且可對其進行擴展，附帶顯示設(shè)備，鍵盤輸入等設(shè)備，使用方便。還可通過軟件編程實現(xiàn)對步進電機的位置、速度預(yù)設(shè)及顯示。步進電機位置和速度實際上跟單片機產(chǎn)生脈沖的個數(shù)和脈沖頻率是一一對應(yīng)關(guān)系，而方向由導(dǎo)電順序決定。并且，由于單片機芯片引腳少，軟硬件連接簡便靈活，硬件容易實現(xiàn)。（2）驅(qū)動模塊直接采用ULN2003芯片進行功率放大。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達林頓的，專門用來驅(qū)動繼電器的芯片，甚至在芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。ULN2003的輸出端允許通過IC電流200mA，飽和壓降VCE約1V左右，耐壓BVCEO約為36V。輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器(SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動步進電機。ULN2003芯片自身功耗小、驅(qū)動能力強、可靠穩(wěn)定、體積小、使用方便、價格不高、50V/。（3）顯示模塊采用LED七段共陰數(shù)碼管進行動態(tài)顯示。AT89C51單片機輸出的脈沖序列經(jīng)過上拉電阻驅(qū)動數(shù)碼管顯示。采用數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，硬件電路簡單、編程簡便、顯示信息清晰、器件價格低廉，但占用單片機I/O口較多。（4）人機交互模塊采用獨立式按鍵。總共設(shè)置了15個按鍵，其中四個按鍵分別執(zhí)行對步進電機的啟動/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、加速、減速四種控制功能。四個按鍵不可同時按下，當(dāng)其中一個按下時控制電機的某一種狀態(tài)。按鍵0～9完成預(yù)置步進電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)的功能，剩余一個按鍵實現(xiàn)清零的功能。采用獨立式按鍵，中斷工作方式。該方案原理易懂，程序簡單，但占用Ｉ／Ｏ口線較多，軟件較容易，硬件電路較繁瑣。方案比較及選擇方案比較：（1）控制模塊:方案一:是以FPGA為系統(tǒng)的控制器。本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的時間要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作。方案二:采用AT89C51單片機作為系統(tǒng)控制的核心，軟件編程靈活、自由度大、功耗低、體積小、成本低，芯片引腳少，軟硬件連接簡便靈活，硬件容易實現(xiàn)。（2）驅(qū)動模塊：方案一驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)設(shè)計需要脈沖信號、信號分配、功率放大三部分組成。由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜，參數(shù)選擇困難，且需要多級放大，同時又要考慮功率的放大。方案二的驅(qū)動模塊直接采用ULN2003芯片進行功率放大。ULN2003芯片自身功耗小、驅(qū)動能力強、可靠穩(wěn)定、體積小、使用方便。（3）顯示模塊：由于設(shè)計僅需同步顯示步進電機的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)，方案一采用液晶顯示器，雖然顯示直觀，但能實現(xiàn)更多的顯示的特點不能很好的發(fā)揮，并且器件昂貴。方案二：采用數(shù)碼管進行動態(tài)顯示，硬件電路簡單、編程簡便、顯示信息清晰、器件價格低廉。(4)人機交互模塊：方案一采用4乘4矩陣鍵盤，查詢工作方式，程序復(fù)雜，軟件雖然較難但電路較簡單，價格較貴。方案二采用獨立式按鍵，中斷工作方式，原理易懂、程序簡單、軟件較容易、硬件電路較繁瑣、價格低廉。方案選擇：綜上所述，通過對兩種方案進行分析比較，雖然方案一功能強大，但軟件編程復(fù)雜、硬件實現(xiàn)較困難、器件價格較高；方案二不盡能實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)要求的功能，而且軟件編程靈活、自由度大、硬件實現(xiàn)較容易、元器件性價比較高，因而綜合考慮采用方案二。2 設(shè)計實現(xiàn) 主要元器件介紹四相六線步進電機的介紹步進電機工作原理：該設(shè)計中所用到的步進電機為四相六線步進電機，它是采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖4 四相步進電機步進示意圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。單四拍、b、c所示。圖5 步進電機工作時序波形本設(shè)計中步進電機的參數(shù)：模組配備的步進電機為25BY2406電機，工作方式為雙極性四相。電機是種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進電機接收到一個脈沖信號，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率實現(xiàn)步進電機的調(diào)速。。圖6 步進電機的接線本設(shè)計采用的步進電機是25BY2406，因生產(chǎn)廠家不同，其接線也有所不同。電機共引出四根線，其余兩根線是公共端，經(jīng)測量后可得到其正確的接線

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