基于单片机及VC++的步进电机控制系统设计

　　摘 要：步进电机作为机电一体化产品的执行元件，具有控制简便、定位准确等特点。本文 设计了一种基于AT89S52 单片机和VC++的步进电机控制系统，给出了系统结构框图、硬 件电路图、软件设计流程图。所设计系统可以通过上位机或下位机4*4 键盘输入指令，实现 对步进电机的基本控制，并利用上位机及LCD 实时显示步进电机的运行状态。该设计方案 具有较高通用性和灵活性，开发成本较低，同时随着技术进一步改进，可以直接应用到包装 机械或其他机械设备中，有很强实用性。

　　1 引言

　　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，即给 电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周 期性的误差而无累积误差，使得在速度、位置等控制领域，用步进电机来控制变的非常的简 单[1]。本文设计了一种基于AT89S52 单片机和VC++的步进电机控制系统，可以实现对步进 电机的基本控制及状态实时显示。

　　2 系统组成

　　使用、控制步进电机必须由环形脉冲源、功率放大电路等部分组成控制系统，脉冲信号 一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则 越大。功率放大是驱动系统为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态 平均电流而非静态电流，平均电流越大，电机力矩越大，要达到平均电流大，这就需要驱动 系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方式。到目前为止，驱动方式 一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流等[2]。

　　本文设计系统中，脉冲信号由单片机AT89S52产生并分配给步进电机各相，功率放大部分由驱动电路完成，系统结构框图如图1所示。

　　本文所设计系统中，步进电机模块采用35BY48S03永磁式步进电机，用户利用4*4键盘或上位机的控制界面实现指令输入，采用上位机或1602字符型液晶模块实时显示运行状态。

　　3 硬件设计

　　3.1 单片机系统电路

　　单片机的系统电路包括时钟电路和复位电路。本文所设计系统中，时钟电路采用内 部振荡方式，所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多[3]。复位电路作用是使单片机 的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。复位电路采用2种基本形式：上 电复位、开关复位。

　　3.2 键盘电路

　　设计P1口接4*4键盘，键盘电路图如图2所示：

　　3.3 电机驱动电路

　　35BY48S03型步进电机接线图如图3所示，从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有5根引出线。要使步进电机转动，只要以一定的 次序轮流给各引出端通电即可，加电的方式可以有多种，包括单相驱动、双相驱动、单－双 相驱动等，相应步进角有整步和半步区分。在本文设计的系统中，采用单相驱动和单－双相 驱动两种加电方式驱动步进电机运转。

　　根据该电机参数，不难设计出驱动电路，因其工作电压为12V，电流为0.26A，因 此用一块开路输出达林顿驱动器(ULN2003)作为驱动，通过P2.7-P2.4来控制各线圈的接通与 切断。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间，而要改变电机的转动方向， 只要改变各线圈接通的顺序[4]。

　　3.4 串行通信电路

　　在PC机内接有PC16550（和8250兼容）串行接口、EIA-TTL的电平转换器和RS-232C连 接器，除鼠标占用一个串行口外，还留有两个串行口给用户，这就是COM1（地址3F8H-3FFH） 和COM2（地址2F8H-2FFH），通过这两个口，可以连接串行通信设备，如单片机、仿真机 等。由于单片机的串行发送和接收线TXD和RXD是TTL电平，而PC的COM1或COM2的 RS-232C连接器（D型9针插座）是EIA电平，因此单片机需加接MAX232芯片，通过串行电 缆线和PC相连接。本文所设计的串行通信电路如图4所示。

　　3.5 下位机显示电路

　　液晶采用显示容量为2行16个字的1602液晶，1602采用标准的16脚接口，内部的字符发 生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，每一个字符都有一个固定的 代码[5]。设计电路图如图5所示。

　　4 软件设计

　　软件设计可分为两个部分：上位机软件设计和下位机软件设计。上位机软件设计包括： 上位机控制环境设计、上位机通信程序设计以及上位机程序的封装发布；下位机软件设计包 括：键盘扫描程序、下位机通信程序、主驱动程序、测试部分程序、显示部分程序。

　　4.1 上位软件设计

　　Visual C++设计了一套基础类库（Microsoft Foundation Class Library, MFC）, MFC把编 程规范中的大多数内容封装成为各种类，使程序员从繁杂的编程中解脱出来[6]。根据系统设 计需要，设计一个基于对话框的应用程序即可，如图6所示。

　　为实现上位机与下位机通信，利用Microsoft提供的串行通信ActiveX控件。该控件的相 应文件是MSCOMM32.OCX。在基于对话框的程序中使用控件，需要进行以下几方面操作： 拖动控件图标到窗口上，创建控件ID。在对话框头文件中声明CMSComm类的变量及引用控 件类头文件。创建CMSComm类的实例。建立控件事件响应代码框架[7]。

　　在电机状态改变后，由下位机将代表各状态的数据发送给上位机，上位机接收到后存入 一个数组内，根据此数组内容刷新各编辑框内容，以达到实时显示的目的。此处共有五个数 据，放入rxdata数组中，分别代表励磁状态、转动方向、速度、测试1计数、测试2计数。上 位机MSComm控件SetRThreshold属性设置为5，则当下位机将五个数据发送完后，上位机立 即触发OnComm事件，进行接收[8]。

　　当我们安装VC++6.0时，如果选择了ACtiveX控件项（自定义安装），MSComm控件就 会自动安装在计算机上了，并在系统文件夹下多了3个文件：Mscomm.srg，Mscomm32.ocx， Mscomm32.dep，即MSComm控件已经过授权，但要注意的是，如果程序移植到其它没有安 装VC软件的PC机上，必须将其使用“执照”License 在注册表中登记注册，才可以正常运行。 为了正常运行， 还需要将VC开发的可执行文件与运行所需的三个动态链接文件 MFC42D.DLL，MFCO42D.DLL，MSVCRTD.DLL放在同一个文件夹中。使用Installshield软 件进行封装实现以上要求即可。

　　4.2 下位机软件设计

　　本文所设计系统中，采用单相驱动和单－双相驱动两种加电方式驱动步进电机运转，即 单相四拍和单－双相八拍驱动，分别为整步和半步运转，步进角分别为7.5度和3.75度，不同 的驱动方式其状态表不同，两种驱动方式的波形及状态表如下，其中1代表高电平，表示驱 动的磁极绕组通电；0代表低电平，表示驱动的磁极绕组不通电。

　　按照设计要求改变转速，则只要改变P2.7-P2.4轮流改变电平的时间即可达到要求，这个 时间不应采用延时来实现，因为会影响到其他功能的实现。这里以定时的方式来实现，晶振 频率为11.0592M，采用T0方式1定时。主程序流程图如图7所示：

　　系统上电后，首先进行初始化，包括液晶屏初始化及将程序所用到的内存单元（开关机 状态标志位7FH、正反转标志位7EH、单相励磁或单双相励磁标志位7DH、测试标志位7CH、 当前速度寄存单元2EH）清零。然后检测是否开启电机，检测到开信号后，设置状态位，7FH=1,7EH=1,7DH=1,2EH=10,代表起始状态设置为：单双相励磁正转，起始速度为10r/m。

　　设置 T0 相关参数后，开始定时，同时检测键盘是否有其它请求发生，如果有，则改变 相应的状态位，并改变单片机输出波形，控制步进电机运行状态改变。

　　串行通信的编程方式有两种查询方式：查TI 或RI 是否为“1”。中断方式：如果预先开 了中断，当TI、RI 为“1”，会自动产生中断。两种方式中当发送或接受数据后都要注意清 TI 或RI。本文所设计系统中，下位机采用查询及中断两种接收方式，接收上位机的控制指 令；发送采用查询方式，将当前电机运行状态信息发给上位机实时显示。

　　5 功能验证

　　利用示波器测量P2.7-P2.4口产生的波形，以测试电机的激励脉冲是否与理论相符，所测 波形如图8、9所示。图8是在单-双相八拍励磁方式，转速为10转/分的情况下，测量出的P2.7 和P2.5波形，即A，/A的激励波形。图9是在单相四拍励磁方式，转速为30转/分的情况下， 测量出的P2.7和P2.6波形，即A，/B的激励波形。

　　上位机控制操作和键盘控制操作可以单独发出指令，也可以交互发出指令，该系统应用 环境较广。经测试，所设计系统可以很好的达到设计要求，可以实现对步进电机的基本控制 及状态实时显示。

　　6 结论

　　本文设计出的步进电机控制系统，可以实现对步进电机的基本控制及运行状态的实时显 示。该系统实用性强，操作方便，经测试取得了良好效果。经过一定的技术改进后，可以应 用于包装机械的物料计量、包装膜供送、横封等过程中，控制执行机构的运行速度和运 行位置。利用步进电机替代传统的机械或其它方式，不仅能使包装机械结构变得简单、调节 方便、可靠性增加，而且会得到很大提高。

  

参考文献:

[1]. AT89S52  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89S52+_970343.html.
[2]. MAX232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX232_1074207.html.