51单片机控制步进电机的启动、停止、正转、反转

51单片机控制步进电机的启动、停止、正转和反转

步进电机的启动、停止、正转、反转、速度和状态显示用51单片机控制，使步进电机的控制更加灵活。步进电机驱动芯片采用ULN2803，ULN2803具有大电流、高电压，外电路简单等优点。利用四位数码管增设电机状态显示功能，各项数据更直观。实测结果表明，该控制系统达到了设计的要求。

步进电机的原理

图1是四相可变磁阻步进电机结构示意图。该电机定子上有八个凸齿，每个齿上都有一个线圈。线圈绕组的连接方式是对称齿上的两个线圈，如图所示。八个齿形成四对，因此称为四相步进电机。

它的工作过程是这样的：当一相绕组被激励时，磁通从正相齿，通过软铁芯的转子，以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿没有磁通。为了使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被迫移动，使最近的一对齿与激励的一对对对准。在图1(a)中A相被激励，转子上大箭头指向的牙齿对准正A齿。从这个位置激励B相，如图1所示(b)，转子转向反时针°。如果D相被激励，如图1所示(c)，转子顺时针转15°。下一步是激励C相。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每一步都让转子转动15°。步进电机的主要性能指标之一是的主要性能指标之一，对步长大小有不同的要求。绕组数(相数)或极数(转子齿数)的变化可以改变步长的大小。它们之间的关系可以通过以下公式计算：

Lθ＝360 P×N

式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，电机转一圈需要24步。

步进电机驱动

混合步进电机的工作原理

在实际应用中，混合步进电机是最流行的。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构略有不同。例如，它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这种电机有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2所示a所示。或将两个三端形式连接起来，如图2所示b所示。双极性晶体管驱动，连接极性应正确。

图3所示的电路是四相混合步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了所有步进开关的逻辑顺序。

Q1

Q2

Q3

Q4

1

1

0

1

0

2

1

0

0

1

3

0

1

0

1

4

0

1

1

0

5

1

0

1

0

键盘设计

该系统只使用三个控制按钮，即 正反、换档、启停由于按钮较少，采用独立键电路。这种按键电路的按键结构比行列式按键电路简单易懂。

显示电路设计

如图2.31，采用LED数字管动态显示数据和个别参数，方法简单，控制方便，成本低。

设计如下图

图2.31

驱动电路设计

驱动电路可分为三极管直接驱动(图3).41)和芯片驱动电路。驱动电路的性能直接关系到步进电机行走的准确性和稳定性。该电路采用驱动芯片ULN2803。ULN2803是一种大电流高压装置，外电路简单(图2.42)。

电路设计

设计要点和软硬环境

1.步进电机的设计要点和软硬件环境

步进电机和普通电机的区别在于步进电机接受脉冲信号的控制。也就是说，步进电机是将电脉冲信号转换为机械角位移的执行器。步进电机的控制可以通过硬件或件通过单片机实现。硬件方法是使用脉冲分配器芯片进行通用换相控制；软件方法是控制步进电机的运行状态，简化电路，降低成本。

主要设计点如下：

l 判断旋转方向；

l 控制字按相序确定；

l 按顺序输入控制字；

l 确定每一步的控制步数和延迟时间。

由于单片机的驱动电流一般较小，不能直接驱动电机工作，因此单片机I/O为了控制电机的正常运行，必须连接驱动电路，即功率驱动。控制框图如下图所示：

2.设置相关参数:

四相六线步进电机用于驱动电压12V，步进角为 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 脉冲完成。其相序A-AB-B-BC-C-CD-D-DA。因此，正转控制脉冲为：01h,09h,08h,0ch,04h,06h,02h,03h,00h；反向控制脉冲为：01h,03h,02h,06h,04h,0ch,08h,09h,00h。

单片机晶振为12MHZ；

3、系统电路图：

单片机最小系统的硬件原理接线图：

1、 接电源：VCC(PIN40)、GND(PIN20)。添加退耦电容0.1uF

2、 接晶体：X1(PIN18)、X2(PIN19)注意标记晶体频率(选择12MHz)，还有辅助电容20pF

3、 接复位：RES(PIN9)。连接电复位电路和手动复位电路，分析复位工作原理

4、 接配置：EA(PIN31)。说明原因。

二、单片机内部I/O部件:(学习单片机实际上是编程控制I/O完成指定任务的部件)

1、 四个8位通用I/O端口，对应引脚P0、P1、P2和P3；

2、 两个16位定时计数器；(TMOD，TCON，TL0，TH0，TL1，TH1)

3、 串行通信接口；(SCON，SBUF)

4、 中断控制器；(IE，IP)

硬件原理图根据上述方案的比较和论证确定。原理图如下：

系统软件设计

程序流程图

程序设计

程序可按要求分为以下部分：

(1) 键盘输入程序设计

该系统使用的键盘较少，因此采用了独立的键盘接口设计。独立键盘适用于按键数量少的场合。独立键盘工作原理：通过上拉电阻接收 5V上。没有按钮，处于高电平状态，按键电平低。软件抖动方法可以用来消除抖动的影响第一次检测到按钮时，执行延迟子程序(约5ms)，然后确认电平是否仍处于闭合状态。如果电平保持在闭合状态，确认按下并进行相应的处理，以消除抖动的影响。

(2) 步进电机运行步数控制程序

该方案采用单相和双相交差通电处理。该方法具有运行速度稳定、步数准确等优点。