基于单片机与超声波传感器的步进电机控制器毕业设计

摘 要

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。因此，步进电机以其精准的控制特性，广泛应用于执行器件中。

本文设计了基于单片机的步进电机控制器，系统采用AT89S52型单片机作为主控制器电路。采用步进电机驱动芯片ULN2003趋动28BYJ-48型四相八拍步进电动机，设计了对应的按键控制电路和LCD状态显示电路。 AT89S52的控制指令通过光耦TLP521-4控制ULN2003，根据计算控制脉冲时序，算出电机转过的步数或圈数，用LCD1602A显示步进电机运行状态和转速。各控制按键功能用无线收发模块PT2262/2272作为辅助，共同实现步进电机的控制。同时整个系统作为一个执行部件，嵌入到其他的微机控制系统中。外部微机通过MAX232芯片将信号转化为RS232协议信号，与主控制器控制器进行通信。AT89S52通过内部程序识别外部微机的控制信号，对控制系统进行控制，使得本系统的应用范围与可靠性大大提高。 关键词 单片机；达林顿管；步进电动机；串口通信

Abstract

Stepping motor is will signal into electrical impulses for angular displacement or line open loop control the displacement of stepping motor parts. In the overload of the cases, motor speed, stop depends only on the position of the pulse signal frequency and pulse count, and do not suffer the effect of load changes, when stepping drive to receive a pulse signal, it will drive stepping motor set according to turn a fixed Angle, called "step from the corner", it is the point of view of the rotation of the fixed step by step of operation. Can through the control pulse to control the number of angular displacement quantity, so as to achieve the purpose of accurate positioning; At the same time can through the control pulse frequency to control motor rotation speed and acceleration, so as to achieve the purpose of speed. Therefore, stepping motor with its precise control characteristics, widely used in execution of the device.In this paper, based on SCM stepping motor controller, system adopts single-chip microcomputer as the main controller AT89S52 type circuit. The control instruction through light AT89S52 decoupling method-4 control ULN2003, according to computation control pulse timing, calculate efficiency or motor turned laps, with LCD1602A display stepping motor running state and speed. The control key function in a wireless transceiver module PT2262/2272 as the assistant to accomplish the step motor control. And the whole system as an executive components, embedded in other microcomputer control system. External microcomputer through the MAX232 chips will signal into RS232 agreement signals, and the main controller controller for communication. AT89S52 devices through the internal process of external microcomputer control signal to identify, for the control system to control, so the system application range and reliability is greatly increased.

Key words: SCM; Optocoupler; Photo-Darling tons; Stepping motor; SPCP-Serial Port

目 录

1 概 述 ............................................................. 1 1.1 研究设计步进电机控制器的意义 .................................. 1 1.2 步进电机基础知识 .............................................. 1 1.2.1 步进电机原理 .............................................. 2 1.2.2 感应子式步进电机工作特点 .................................. 3 1.3 本文主要完成的工作 ............................................ 4 2 系统整体方案的设计 ................................................ 6 2.1 总体方案拟定 .................................................. 6 2.2 步进电机控制器各功能模块介绍 .................................. 7 2.2.1 步进电机控制器模块设计 .................................... 7 2.2.2 输入控制模块设计 .......................................... 7 2.2.3 驱动模块设计 .............................................. 7 2.2.4 输出显示模块设计 .......................................... 8 2.2.5 串口通讯模块设计 .......................................... 8 3 硬件电路设计 ...................................................... 9 3.1 主控制器电路设计及芯片选型 .................................... 9 3.1.1 时钟电路设计 .............................................. 9 3.1.2 复位电路 ................................................. 10 3.1.3 主控制器最小系统设计 ..................................... 11 3.2 输出驱动驱动电路设计 ......................................... 12 3.3 输出状态显示电路设计 ......................................... 13 3.4 串口通讯电路设计 ............................................. 16 4 软件设计 ......................................................... 19 4.1 C51语言...................................................... 19 4.2 整体程序设计框图 ............................................. 20 4.3 步进电机控制程序 ............................................. 20 4.4 液晶显示1602程序设计 ........................................ 22 4.5 微机通讯软件设计 ............................................. 24

5 Proteus仿真分析 ................................................. 28 5.1 步进电机趋动仿真 ............................................. 28 5.2 LCD1602A应用仿真............................................. 28 5.3 微机通讯仿真 ................................................. 29 结 论 ............................................................. 31 致 谢 ............................................................. 32 参考文献 ........................................................... 33 附录Ⅰ ............................................................. 34 附录Ⅱ ............................................................. 35 主控制器源程序 ................................................... 36 从机源程序 ....................................... 错误！未定义书签。

1 概 述

1.1 研究设计步进电机控制器的意义

早在1920年，英国人开发了步进电机，1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更加容易。经过不断改良，使得今日步进电机已经广泛应用在需要高精度定位、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。再生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹。尤其以重视速冻、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

近十几年来，数字技术和电子计算机的迅速发展为MCU的应用开辟了广阔的前景。MCU广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。步进电机作为一种用于精准控制领域的感应式电机，在许多实际应用中起到了不可替代的作用。二者结合加上适当的控制及其他外围电路，便可实现步进电机的程序化控制。

通过对步进电机的研究，我们发现比如28BYJ-48型四相八拍电机转一圈的步数是4的整数倍，转一圈的步数是相数的整数倍，查得其步距角度为5.625/64。我们可以精确到角度对它进行按照工程实际需要进行控制，这是其他电机所不能比的，也是他的设计优越性的体现。

连接上适当的机械部件，步进电机可以做为一个执行元件。产生力矩来使其他器件动作。加上控制器和操作系统程序，步进电机可以做为一个具有人工智能的执行部件，来协调完成一系列的工作。我们知道，比如一些仪器仪表，工业流水线上的机械臂，都需要能产生精确的力矩和功的执行器件来完成。这足以说明步进电机应用的灵活性。

因此，研究和发展步进电机的性能参数，拓展其在生产生活各领域中的应用范围是很有必要的。既应用了电机学和控制电机的理论知识，也考验了微机控制及单片机原理与应用的实际应用能力。从平凡中做出不平凡的成就来，就是我们的创造。

1.2 步进电机基础知识

步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进

一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

1.2.1 步进电机原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。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。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您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。

1.2.2 感应子式步进电机工作特点

感应子式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。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。

1.3 本文主要完成的工作

图1-1 步进电机驱动器基本组成

如图1-1所示，本文旨在设计一个基于AT89S52单片机的步进电机控制器，系统采用AT89S52型单片机作为主控制器电路。采用步进电机驱动芯片ULN2003趋动28BYJ-48型四相八拍步进电动机，设计了对应的按键控制电路和LCD状态显示电路。 AT89S52的控制指令通过光耦TLP521-4控制ULN2003，根据计算控制脉冲时序，算出电机转过的步数或圈数，用LCD1602A显示步进电机运行状态和转速。各控制按键功能用无线收发模块PT2262/2272作为辅助，共同实现步进电机的控制。同时整个系统作为一个执行部件，嵌入到其他的微机控制系统中。外部微机通过MAX232芯片将信号转化为RS232协议信号，与以AT89S52型单片机作为控制器的单片机进行通信。AT89S52通过内部程序识别外部微机的控制信号，对控制系统进行控制，使得本系统的应用范围与可靠性大大提高。

基于AT89S52单片机的步进电机控制器设计可分为3个部分：单片机系统：控制步进电动机；外围电路：单片机和步进电动机的接口电路；程序：编写单片机控制步进电功机的接口程序，实现三角波信号的输出功能。步进电动机与单片机的接口。单片机是性能极佳的控制处理器，在控制步进电机工作时，接口部件必须要有下列功能。

电压隔离功能。单片机工作在5V，而步进电机是工作在几十伏，甚至更高。一旦步进电机的电压串到单片机中，就会损坏单片机；步进电机的信号会干扰单片机，也可能导致系统工作失误，因此接口器件必须有隔离功能。

信息传递功能。接口部件应能够把单片机的控制信息传递给步进电机回路，产生工作所需的控制信息，对应于不同的工作方式，接口部件应能产生相应的工

作控制波形。产生所需的不同频率。为了使步进电机以不同的速度工作，以适应不同的目的，接口部件应能产生不同的工作频率。电压隔离接口专用于隔离低压部分的单片机和高压部分的步进电机驱动电路，以保证它们的正常工作。电压隔离接口可以用脉冲变压器或光电隔离器，现在基本上是采用光电隔离器。单片机输出信号可以通过TTL门电路或者直接送到晶体管的基极，再由晶体管驱动光电耦合器件的发光二极管。发光二极管的光照到光电耦合器件内部的光敏管上，转换成电信号，再去驱动步进电机的功率放大电路，电流放大接口是步进电机功放电路的前置放大电路。它的作用是把光电隔离器的输出信号进行电流放大，以便向功放电路提供足够大的驱动电流。工作方式接口和频率发生器用单片机控制步进电动机，需要在输入输出接口上用4条I/0线对步进电动机进行控制，这时，单片机用I/O口的P0口控制步进电动机的四相绕组。

2 系统整体方案的设计

2.1 总体方案拟定

本设计目的是采用一定的功能模块设计一个开环控制系统，控制步进电机的运动状态。采用单片机最小系统作为步进电机控制器的主控制器模块，按键和无线收发模块作为输入控制部分。输入指令经单片机处理后发出控制指令，经过光耦的光电隔离作用控制步进电机驱动模块，以控制步进电机的运动状态。整个系统可以与外部控制器进行通信，作为一个开放式系统，嵌入到其他系统当中，作为一个智能终端设备。各功能模块如图2-1所示。

图2-1 步进电机控制器设计总体框图

2.2 步进电机控制器各功能模块介绍

2.2.1 步进电机控制器模块设计

本设计采用51系列单片机作为控制器核心，它具有处理输入信号、发出输出控制信号以及与外部系统进行通信的的基本能力。51系列单片机一般具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2.2.2 输入控制模块设计

输入控制模块作为单片机系统中完成控制参数输入及修改的基本输入设备，是人工干预系统的重要手段。矩阵连接键盘键按矩阵排列,各键处于矩阵行/列的结点处,CPU通过对连在行(列)的I/O线送已知电平的信号,然后读取列(行)线的状态信息。逐线扫描,得出键码。其特点是键多时占用I/O口线少,但判键速度慢,多用于设置数字键。适用于键数多的场合。

除采用按键控制外，还采用无线收发模块作为遥控。它具有一定的编解码能力，还要有一定的有效控制距离。

2.2.3 驱动模块设计

驱动模块作为整个系统对外输出的重要环节，它具备放大电流的能力，还有承担负载的能力。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。在大型仪器仪表系统中，经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围广。

2.2.4 输出显示模块设计

输出显示部分是在各个时段，显示出步进电机的运动状态各项详细信息。字符型液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用。用于显示步进电机的运行状态。

2.2.5 串口通讯模块设计

具有串口通信能力，对整个系统的应用范围和方便程度是一个很大的扩展。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，支持控制器间的串口通信。将设计整体作为一个系统执行元件，嵌入到其他微机系统当中。

3 硬件电路设计

3.1 主控制器电路设计及芯片选型

本设计采用AT89S52作为主控制器核心。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图 3-1 AT89S52引脚结构图

3.1.1 时钟电路设计

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。单片机执行每一个指令都需要一个时序，其工作频率由时钟电路控制。

时钟电路设计如图3-2所示。

图3-2 单片机时钟电路设计

3.1.2 复位电路设计

图3-3 复位电路

在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。52系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图2 中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚上保持10ms

以

上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC 充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。

3.1.3 主控制器最小系统设计

本设计采用AT89S52单片机作为主控制器的核心，单片机加上时钟电路和复位电路便构成了单片机最小系统。

图 3-4 单片机最小系统设计

3.2 输出驱动驱动电路设计

图3-5 ULN2003内部达林顿管结构图

主控制器通过ULN2003输出放大电路来控制步进电机。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。在大型仪器仪表系统中，经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。

ULN2000、ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、应用范围广。因此，许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品，从而形成了各种系列产品，ULN2000、ULN2800系列就是美国Texas Instruments公司、美国Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体管阵列产品。美国Texas Instruments 公司、美国Sprague公司生产的ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。

由于本文采用的两相混合式步进电机，可以实现两相单四拍和两相双四拍两种运行方式，本系统采用的是单四拍模式，相序为0001-1000-0010-0100。四步格雷码的频率由单片机提供的时钟脉冲频率来控制。驱动信号经过功率放大后驱动步进电机运行，硬件电路如图3-6所示。