2 控制系统硬件设计
2.1 步进电机的概述
步进电动机又称又脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理。是一种开环控制的电机，常用于需要精密定位和控制转数的场合。步进电机的转动角度是以脉冲的形式输入的，每输入一个脉冲电机就会顺时针或逆时针转动一定的角度，转动的步进角度大小由电机设计时决定。步进电机不需要编码器或传感器进行闭环控制，因为其内部结构能够实现强制控制电机每次运行的步数。步进电机结构简单，容易控制，所以广泛应用于CNC设备、打印机、电子琴、自动售货机等领域。
2.1.1 步进电机的种类
常见的步进电机有三种：
（1）永磁式步进电机
永磁式步进电机（PM步进电机）主要由转子和定子两部分构成，其中定子通常采用线圈结构，转子则可选用磁铁或永磁铁材料。电机依靠带电线圈产生的磁场与转子上的磁铁相互作用，从而产生转矩，使电机运转。电机的方向则由通电电流方向的不同而决定，因为电流的方向会影响线圈带电后的磁场方向。改变电流方向即可改变永磁式步进电机的转向。其工作原理是依据线圈电流方向和磁铁磁场之间的相互作用，实现电机的转动控制。
永磁式步进电机具有许多优点，包括励磁功率小，效率高，运行平稳等。该电机的励磁电流相对于其他类型的步进电机要小，在持续运行时能够显著节约能源。此外，由于该电机的设计相对简单，使用的材料成本也较低，因此造价比较便宜。此外，永磁式步进电机的运行平稳且噪音较小，可以满足许多应用场合的需要。 尽管永久磁铁间的磁化间距比较难量测，同时也容易受到周围环境等因素的影响，但是通过设定较大的步距角来保证电机稳定性，从而实现电机良好的运行和准确的控制。
（2）反应式步进电机
反应式步进电机是传统步进电机之一，利用定子线圈产生的电磁脉冲场与转子上的软磁材料互动，产生旋转运动。该电机结构简洁，成本很低，步距角控制相对小。主要其设计缺陷导致的动态响应较差、效率低、容易发热且可靠性不高。由于有机械接触和摩擦，其运行时声音也偏大。另外，该类型步进电机在高速工作时精度容易下降，而且电机的控制需要使用专门的驱动器，不易进行自主控制。
（3）混合式步进电机
混合式步进电机将永磁式和反应式步进电机的优点相结合设计而成，该电机与反应式步进电机相比，其转子具有更强的磁性，因此能够产生更大的转矩，其步距角也相对较小。由于其磁力比较强，因此混合式步进电机的定位精度和控制能力均比较强。这种电机由于其设计特点，可以在低速方面发挥比较好的性能，并且精度也比较高，因此通常用于数控机床等方面。总的来说，混合式步进电机拥有许多优点，比如具有高转矩、较高精度、步距角小等特点，因此在自动化控制领域有着广泛的应用前景。
此次设计选择用的是28BYJ-48型步进电机属于永磁式步进电机。
2.1.2 永磁式步进电机的结构
永磁式步进电机分为2相和四相，转矩和体积较小，电机里面有转子和定子，它的内部结构如图2-1，内部接线如图2-2所示。
图 2-1 内部结构图 图 2-2 内部接线图
2.2 硬件设计方案
2.2.1控制系统设计
（1）基于电子电路的控制
步进电机具有接收数字信号的特点，因此广泛应用于数字控制系统中。其中，硬件电路控制方式是相对常见的方式，它由数字逻辑单元组成的电子电路实现。这种方式具有电路结构简单、可靠性高、性能稳定等优点，能够满足基本的控制要求。然而，它也存在明显的局限性，例如功能较为单一，电路的功能无法更改，需要重新设计电路才能改变控制系统的功能，缺乏灵活性。系统组成如图2-3所示：
图 2-1 基于电子电路控制系统
（2）基于单片机的控制
基于单片机的步进电机控制采用软硬件相结合的方式，具有灵活可靠、功能多样等优点。如使用外围电路可实现步进电机的正反转、加减速、暂停等操作，并可通过显示电路显示状态。但系统硬件设计相对复杂，电路设计工作量也较大。系统组成如图2-4所示
图 2-2 基于单片机控制系统
2.2.6显示电路
本设计所采用的显示电路为共阳极数码管，其工作原理是利用三极管的导通和关断控制数码管的发光。为具体实现四位七段共阳极LED数码管的显示，将数码管内部所有二极管的阳极相连接，并接到电源正极。而将数码管内每个发光二极管的阴极通过电阻分别连接到控制电路中。当三极管导通时，输出高电平，对应的发光二极管导通，显示对应字符。反之，当三极管关断时，输出低电平，对应的发光二极管截止，不显示字符。具体地，本设计使用四位七段共阳极LED数码管，其中第一位用于显示步进电机的正反转状态。当显示为“0”时表示电机正转，“1”则表示电机反转。第三、四位则用于显示电机的速度等级，能够精确显示电机的旋转速度并进行调节。速度等级有十个，即“01”到“10”，“00”表示转速为零。显示电路如图2-9：
图 2-9数码管显示电路图
3 控制系统的软件设计
在本次设计中，主程序采用了查询模式，实现了键盘的实时处理功能。为此，固定周期地扫描键盘端口，并检测是否有按键按下。当有按键按下时，程序会即时响应，根据修改后的参数值完成对键盘输入的实时处理。
同时，定时器T0中断服务程序也是本次设计的重要部分，用于控制步进电机的转速。具体而言，程序会根据当前显示的速度值，手动修改T0定时时间常数，并设置TH0和TL0的值，从而实现对步进电机转速的精准控制。此外，根据转动方向控制位的值，程序还可以控制脉冲信号的循环移动方向，从而实现步进电机转动方向的控制。这样，通过综合运用定时器、控制位和具体参数值的处理等措施，可以实现对步进电机的精密控制。
3.1 程序主流程
本系统确认上电复位之后，必须先要将必要参数确定初始化，然后再菜单查询，等待操作，按键按下后，程序便进入调用相应的子程序运行，主程序流程图如图3-1。
图 3-1主程序流程图
4 系统的组装与调试
系统的组装过程如下：
1）电解电容的注意事项
电解电容有正负极之分，所以焊接前需要判断其正负极，可以通过外观辨别，两种方法。一种是通过二极管的外观来识别，负极一般会有一条斜长的标志，也可以通过引脚的长度进行判断，长的一侧连接正极，短的一侧为负极。如果外观不明显时，就需要通过仪器进行测量了，将电容并在电源的输出端，通过观察电流表，来判断，当显示电流大是则说明该电容的正负极与电源相反。
（2）28BYJ48步进电机的接线
该步进电机一共有5根线，依次为红、橙、黄、粉、蓝5根线。其中红线为电源线，需要与+5V电源相连，其他4根则必须依次接ULN2803A的输出端，不能出错，不然会导致步进电机转动异常，甚至出现无法转动的情况。
（3）芯片供电
在给芯片上电之前必须再次检查一遍是否将供电的接线接反了，如是应及时纠正，如若不是则可以正常上电。
（4）延时参数的设置
当延时参数设置过小或者过大时均不能正常工作，应逐级改变延时参数的数值，测试出其正常工作的参数范围
完成进行调试：
在电路板焊接完成后，需要将事先编写好的程序文件烧入单片机芯片。之后，需要对实际物品进行检查，以确保它能够正确实现设计时所预想的功能。如果实际效果与预想的功能不完全一致，就需要检查系统的软硬件设计方案，并进行修改。这个过程需要不断尝试和调整，直到符合设计的要求为止。这是一个关键的步骤，旨在确保系统能够稳定运行，达到预期的目标。
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