T89C2051单片机驱动步进电机的电路和源码
程序
stepper.c
stepper.hex
/*
* STEPPER.C
* sweeping stepper''s rotor cw and cww 400 steps
* Copyright (c) 1999 by W.Sirichote
*/
#include c:mc518051io.h /* include i/o header file */
#include c:mc518051reg.h
register unsigned char j,flag1,temp;
register unsigned int cw_n,ccw_n;
unsigned char step[8]={0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x90}
#define n 400
/* flag1 mask byte
0x01 run cw()
0x02 run ccw()
*/
main()
{
flag1=0;
serinit(9600);
dISAble(); /* no need timer interrupt */
cw_n = n; /* initial step number for cw */
flag1 |=0x01; /* initial enable cw() */
while(1){
{
tick_wait(); /* wait for 10ms elapsed */
energize(); /* round-robin execution the following tasks every 10ms */
cw();
ccw();
}
}
}
cw(){
if((flag1&0x01)!=0)
{
cw_n--; /* decrement cw step number */
if (cw_n !=0)
j++; /* if not zero increment index j */
else
{flag1&=~0x01; /* dISAble cw() execution */
ccw_n = n; /* reload step number to ccw counter */
flag1 |=0x02; /* enable cww() execution */
}
}
}
ccw(){
if((flag1&0x02)!=0)
{
ccw_n--; /* decremnent ccw step number */
if (ccw_n !=0)
j--; /* if not zero decrement index j */
else
{flag1&=~0x02; /* dISAble ccw() execution */
cw_n = n; /* reload step number to cw counter */
flag1 |=0x01; /* enable cw() execution */
}
}
}
tick_wait(){ /* cputick was replaced by simpler ASM code 10ms wait */
asm" JNB TCON.5,*"; /* wait for TF0 set */
asm" CLR TCON.5"; /* clear TF0 for further set */
asm" ORL TH0,#$DC"; /* reload TH0 with $DC, TL0 = 0 */
}
energize(){
P1 = step[(j&0x07)]; /* only step 0-7 needed */
}
一、步进电机常识
常见的步进电机分三种：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。
二、永磁式步进电机的控制
下面以电子爱好者业余制作中常用的永磁式步进电机为例，来介绍如何用单片机控制步进电机。
图1是35BY型永磁步进电机的外形图，图2是该电机的接线图，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。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。将COM端标识为C，只要AC、 C、BC、 C，轮流加电就能驱动步进电机运转，加电的方式可以有多种，如果将COM端接正电源，那么只要用开关元件（如三极管），将A、 、B、 轮流接地。
下表列出了该电机的一些典型参数：
表135BY48S03型步机电机参数
型号 步距角 相数 电压 电流 电阻 最大静转距 定位转距 转动惯量
35BY48S03 7.5 4 12 0.26 47 180 65 2.5
有了这些参数，不难设计出控制电路，因其工作电压为12V，最大电流为0.26A，因此用一块开路输出达林顿驱动器（ULN2003）来作为驱动，通过 P1.4~P1.7来控制各线圈的接通与切断，电路如图3所示。开机时，P1.4~P1.7均为高电平，依次将P1.4~P1.7切换为低电平即可驱动步进电机运行，注意在切换之前将前一个输出引脚变为高电平。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。
图135BY48S03型步进电机外形图
图235BY48S03型步进电机的接线图
图3单片机控制35BY48S03型步进电机的电路原理图
三、步进电机的驱动实例
要求：控制电路如图3所示，开机后，电机不转，按下启动键，电机旋转，速度为25转/分，按下加1键，速度增加，按下减1键，速度降低，最高速度为100转/分，最低转带为25转/分，按下停止键，电机停转。速度值要求在数码管上显示出来。
1．要求分析
按上面的分析，改变转速，只要改变P1.0~P1.3轮流变低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。下面首先计算一下定时时间。
按要求，最低转速为25转/分，而上述步进电机的步距角为7.5，即每48个脉冲为1周，即在最低转速时，要求为1200脉冲/分，相当于50ms/脉冲。而在最高转速时，要求为100转/分，即48000脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。可以列出下表
表1步进电机转速与定时器定时常数关系
速度 单步时间(us) TH1 TL1 实际定时（us）
25 50000 76 0 49996.8
26 48077 82 236 48074.18
27 46296 89 86 46292.61
28 44643 95 73 44640.155
… … … … …
100 12500 211 0 12499.2
表中不仅计算出了TH1和TL1，而且还计算出了在这个定时常数下，真实的定时时间，可以根据这个计算值来估算真实速度与理论速度的误差值。
表中TH1和TL1是根据定时时间算出来的定时初值，这里用到的晶振是11.0592M。有了上述表格，程序就不难实现了，使用定时/计数器T1为定时器，定时时间到后切换输出脚即可。
2．程序实现
定义DSB－1A实验板的S1为启动键，S2为停止键，S3为加1键，S4为减1键，程序如下：
StartEnd bit 01H ;起动及停止标志
MinSpd EQU 25 ;起始转动速度
MaxSpd EQU 100 ;最高转动速度
Speed DATA 23H ;流动速度计数
DjCount DATA 24H ;控制电机输出的一个值，初始为11110 111
Hidden EQU 10H ;消隐码
Counter DATA 57H ;显示计数器
DISPBUF DATA 58H ;显示缓冲区
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 000BH
JMP DISP
ORG 001BH
JMP DJZD
ORG 30H
MAIN:
MOV SP,#5FH
MOV P1,#0FFH
MOV A,#Hidden
MOV DispBuf,A
MOV DispBuf+1,A
MOV DispBuf+2,A
MOV DjCount,#11110111B
MOV SPEED,#MinSpd ;起始转动速度送入计数器
CLR StartEnd ;停转状态
MOV TMOD,#00010001B ;
MOV TH0,#HIGH(65536-3000)
MOV TL0,#LOW(65536-3000)
MOV TH1,#0FFH;
MOV TL1,#0FFH
SETB TR0
SETB EA
SETB ET0
SETB ET1
LOOP: ACALL KEY ;键盘程序
JNB F0,m_NEXT1 ;无键继续
ACALL KEYPROC ;否则调用键盘处理程序
m_NEXT1:
MOV A,Speed
MOV B,#10
DIV AB
MOV DispBuf+5,B ;最低位
MOV B,#10
DIV AB
MOV DispBuf+4,B
MOV DispBuf+3,A
JB StartEnd,m_Next2
CLR TR1 ;关闭电机
JMP LOOP
ORL P1,#11110000B
m_Next2:
SETB TR1 ;启动电机
AJMP LOOP ;主程序结束
;---------------------------------------
D10ms:
……
;---------延时程序,键盘处理中调用
KEYPROC:
MOV A,B ;获取键值
JB ACC.2,StartStop ;分析键的代码,某位被按下,则该位为1
JB ACC.3,KeySty
JB ACC.4,UpSpd
JB ACC.5,DowSpd
AJMP KEY_RET
StartStop:
SETB StartEnd ;启动
AJMP KEY_RET
KeySty:
CLR StartEnd; ;停止
AJMP KEY_RET
UpSpd:
INC SPEED;
MOV A,SPEED
CJNE A,#MaxSpd,K1 ;到了最多的次数？
DEC SPEED ;是则减去1，保证下次仍为该值
K1:
AJMP KEY_RET
DowSpd:
DEC SPEED
MOV A,SPEED
CJNE A,#MAXSPD,KEY_RET ;不等（未到最大值），返回
MOV SPEED,#MinSpd;
KEY_RET:
RET
KEY:
……获取键值的程序
RET
DjZd: ;定时器T1用于电机转速控制
PUSH ACC
PUSH PSW
MOV A,Speed
SUBB A,#MinSpd ;减基准数
MOV DPTR,#DjH
MOVC A,@A+DPTR
MOV TH1,A
MOV A,Speed
SUBB A,#MinSpd
MOV DPTR,#DjL
MOVC A,@A+DPTR
MOV TL1,A
MOV A,DjCount
CPL A
ORL P1,A
MOV A,DjCount
JNB ACC.7,d_Next1
JMP d_Next2
d_Next1:
MOV DjCount,#11110111B
d_Next2:
MOV A,DjCount
RL A
MOV DjCount,A ;回存
ANL P1,A
POP PSW
POP ACC
RETI
DjH: DB 76,82,89,95,100,106,110,115,119,123,12……
DjL: DB 0,236,86,73,212,0,214,96,163,165
……
DISP: ;显示程序
POP PSW
POP ACC
……
RETI
BitTab: DB 7Fh,0BFH,0DFH,0EFH,0F7H,0FBH
DISPTAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH
END
3．程序分析
本程序主要由键盘程序、显示器程序、步进电机驱动程序三部份组成，主程序首先初始化各变量，将显示器的高3位消隐，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，然后调用键盘程序，并作判断，如果有键按下，则调用键盘处理程序，否则直接转下一步。下一步是将当前的转速值转换为BCD码，送入显示缓冲区；接着判断 StartEnd这个位变量，是“1”还是“0”，如果是“1”，则开启定时器T1，否则关闭定时器T1，为防止关闭时某一相线圈长期通电，因此，在关闭定时器T1时，将P1.0~P1.3均置高。至此，主程序的工作即结束。这里为简便起见，这里没有做高位“0”消隐的工作，即如果速度为10转/分，则显示值“010”，读者可以自行加入相关的代码来处理这一工作。
步进电机的驱动工作是在定时器T1的中断服务程序中实现的，由前述分析，每次的定时时间到达以后，需要将P1.0~P1.3依次接通，程度中用了一个变量DjCntr来实现这一功能，在主程序初始化时，该变量被赋予初值 11110111B，进入到定时中断以后，将该变量取出送ACC累加器，并在累加器中进行左移，这样，该数值就变为1110 1111，然后将该数与P1 相“与”，此时，P1.4即输出低电平，第二次进入中断时，先将该数取反，成为 00010000，然后将该数与P1相“或”，这样，P1.4即输出高电平，关断了相应的线圈，然后将该数重新取出，并作左移，即1110，1111右移成为11011111，将该数与P1相“与”，这样P1.5即输出低电平，依次类推，P1.7~P1.4即循环输出低电平。当这一数据变为0111 1111后，需要作适当的改动，将数据重新变回11110111，进行第二次循环，相关代码，请读者自行分析。
定时时间又是如何确定的呢？这里用的是查表的方法，首先用Excel计算得出在每一种转速下的TH值和TL值，然后，分别放入DjH和DjL表中，在进入T1中断程序之后，将速度值变量Speed送入累加器ACC，然后减去基数25，使其基数从 0开始计数，然后分别查表，送入TH1和TL1，实现重置定时初值的目的。
看完这一部份内容以后，请读者自行完成以下工作：
1． 更改程序，将S1定义为“启动/停止”，而S2定义为“方向”，按下S2，切换电机旋转方向。
2． 更改程序，要求转速从1到100。
3． 更改程序，实现首位无效零消隐
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步进电机的单片机控制
作者：李通 刘志垠
摘要：本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N驱动步进电机；同时，用 4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。
关键词： 步进电机 单片机 数码管
一、 方案论证与比较
1、 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为四相六线制的步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）
方案一：使用多个功率放大器件驱动电机
通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。
方案二：使用L298N芯片驱动电机
L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图1－1），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
图1－1
通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。而使用L298N时，可以用L297来提供时序信号，可以节省单片机IO口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，故选用后者。
2、 数码管显示电路的设计
方案一：串行接法
设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，但要使用SIO，发送数据时容易控制。
方案二：并行接法
使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。
由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，选择了方案一。另外，使用锁存也起到节约资源的作用。
二、步进电机控制原理
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：
(1)控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。
(2)控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
三、理论设计
综和以上选取的方案，总的流程如图3－2所示。
图3－1
1、步进电机驱动电路
通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图3－2所示。
通过单片机SPCE061A的IOB8～IOB13对L298N的IN1～IN4口和ENA、ENB口发送方波脉冲信号，起时序图如图3－3所示。
图3－2
图3－3
2、数码管显示电路的设计
数码管的显示驱动使用74LS164，通过SPCE061A的IOB0和IOB1口对DATA和CLK发送数据。
图3－4
3、4x4键盘电路
在设计中，使用了标准的4x4键盘，其电路图如图3－5所示。单片机的A口低8位为键盘的接口。尽管设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，我们使用了4x4的键盘。
图3－5
四、程序设计
在进行程序设计的过程中，主要分为五个部分：双机通讯、语音报数、数字显示、步进电机驱动、键盘；其中双机通讯的实现和语音报时比较有特点，将其流程简要介绍如下，其他部分见附的程序。
1、双机通讯
图4－1
我们在实现双机通讯的过程中使用了“三次握手”的方式，这是Intle网中成用的数据通讯确认协议，其流程图如图4－1所示。
2、语音报数
程序设计中语音报数使用的是SACM－A2000，考虑到程序比较简单，首先使用了自动报数方式，但发现不能进行连续报数，于是使用了非自动方式，流程图如图4－2所示。
图4－2
五、结果分析与总结
应该说这次课程设计还是基本达到了设计的要求，但是也存在着未能解决的问题，由于在执行语音程序时对资源的消耗比较大，在语音报数的时候会中断步进电机驱动信号的输出，导致电机停转。为此，我们修改了方案，使用了两块单片机，通过双机通讯来传递信号，遗憾的是问题仍然没有得到解决。
这次步进电机的综合实验我们学到了步进电机、数码管、4*4键盘、语音报数和双机通讯的使用，更重要的是学会了程序出问题时调试的方法，并养成了Debug的习惯，学到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。