基于單片機的步進電機控制系統硬件設計

摘要：系統通過單片機作為步進電機的控制核心，完成了步進電機的硬件電路設計，實現了步進電機的啟／停控制、正反轉，以及轉速的測量和顯示，適用范圍較廣，且電路簡單，成本較低，控制方便，實用價值高。

關鍵詞：單片機 步進電機 驅動電路 霍爾傳感器

0 引言

基于單片機的步進電機控制系統具有成本低、使用靈活的特點，在數控機床、機器人，定量進給、工業自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等領域有著廣泛的應用。步進電機是將脈沖信號轉換成角位移，電機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，因此步進電機非常適用于單片機控制。步進電機的驅動電路是根據單片機產生的控制信號進行工作。因此，單片機通過向步進電機驅動電路發送控制信號就能實現對步進電機的控制。

1 系統總體方案設計

步進電機控制系統主要由單片機、鍵盤LED、驅動／放大和測速電路等4個模塊組成，該控制系統可實現的功能：①通過鍵盤啟動／暫停步進電機、設置步進電機的轉速和改變步進電機的轉向；②通過LED管顯示步進的轉速和轉向等工作狀態；③實現二相或四相步進電機的控制：④通過霍爾傳感器能夠實現對步進電機的速度測量。系統總體方案設計如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 單片機模塊

單片機的最小系統電路包括時鐘電路和復位電路。本文所設計的系統中，時鐘電路采用外接12M晶振。復位電路作用是使單片機的片內電路初始化，使單片機從一種確定狀態開始運行。本文采用上電復位。

2.2 鍵盤輸入模塊

為實現人機對話，該系統設計擴展了4個按鈕作為輸入鍵盤，可手動直接操作該控制系統。系統上電后，通過鍵盤輸入步進電機的啟停、步數轉速和轉向等。如圖2所示，設計P3口接4按鈕鍵盤，鍵盤電路如圖2所示：其中，S0接P3.7控制加速，S1接P3.6控制減速，S2接P3.5控制正轉，S3接P3.4控制反轉。

2.3 驅動電路模塊

為了實現對步進電機的高精度控制，系統采用步進電機驅動芯片TB6560AHQ，它是東芝公司主推的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅動芯片，具有雙全橋MOSFET驅動，耐壓40V，具有整步、1/2細分、1/８細分、1/16細分運行方式可供選擇，配合簡單的外圍電路即可開發出高性能的驅動電路。

2.4 LED速度顯示模塊

LED數碼顯示器是1種由LED發光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數點。如圖4所示，本設計采用共陽極接法。把發光二極管的陽極連在一起構成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當陰極端輸入低電平時，發光二極管就導通點亮，而輸入高電平時則不點亮。顯示電路設計圖如圖3所示，圖中W1-W4對應Ｐ1.0－Ｐ1.3。

2.5 傳感器測速電路

系統采用霍爾傳感器來測量步進電機的轉速，霍爾傳感器UGN3020可組成轉速計探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測量電路。將具有10個齒的圓盤固定于被測對象的旋轉主軸上。當圓盤齒經過測量磁路的間隙時，霍爾元件輸出高電平，其他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉一周，電路輸出10個脈沖，脈沖經過分頻后，用頻率計即可測出被測對象的實際轉速。測試電路如圖4所示。

3 系統硬件電路

上述步進電機的各個電路模塊設計完成之后，最后選擇24V的開關電源作為步進電機的工作電源，組成步進電機控制系統的硬件電路。

4 結論

該系統通過單片機控制步進電機，設計了鍵盤輸入模塊、LED顯示模塊、電機驅動模塊、霍爾傳感器測速模塊，方便實現了步進電機的啟／停控制、正反轉，以及轉速的測量和顯示，適用范圍較廣，且電路簡單，成本較低，控制方便，實用價值高。

參考文獻：

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