步进电机的控制电路和程序
步进电机的控制电路和程序
先看一下我们将要使用的51单片机综合学习系统能完成哪些实验与产品开发工作：分别有流水灯，数码管显示，液晶显示，按键开关，蜂鸣器奏乐，继电器控制，IIC总线，SPI总线，PS/2实验，AD模数转换，光耦实验，串口通信，红外线遥控，无线遥控，温度传感，步进电机控制等等。
上图是我们将要使用的51单片机综合学习系统硬件平台，本期实验我们用到了综合系统主机、步进电机，综合系统其它功能模块原理与使用详见前几期《电子制作》杂志及后期连载教程介绍。
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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
步进电机分类与结构
现在比较常用的步进电机分为三种：反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）。本章节以反应式步进电机为例，介绍其基本原理与应用方法。反应式步进电机可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。常用小型步进电机的实物如图1所示。
图1步进电机实物图
图2 步进电机内部图
步进电机现场应用驱动电路
综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流要求不是很高，为了说明应用原理，故采用最简单的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电路可以用图3的形式。
图3 一般驱动电路
在实际应用中一般驱动路数不止一路，用上图的分立电路体积大，很多场合用现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用ULN2003或ULN2803。本书配套实验板上用的是ULN2003。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003内部结构及等效电路图如图4：
图4 ULN2003内部框图及等效电路图
ULN2003A型高压大电流达林顿晶体管阵列电路的典型应用电路框图如图5所示。钳位二极管用于保护线圈通断时的反电动势击穿集成电路，可以看出，该电路的应用非常简单。
图5 典型应用图
步进电机的程序设计
实现功能：开发板上电时电机正转，按住51单片机综合学习系统上的按键SW20（P14）时反转。
图6 步进电机实验演示图
电机正反转的环形脉冲分配表如下：
|
步数 |
P00 |
P01 |
P02 |
P03 |
|
A |
B |
/A |
/B | |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
2 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
4 |
1 |
0 |
0 |
1 |
表1：正转环形脉冲分配表
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步数 |
P00 |
P01 |
P02 |
P03 |
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A |
B |
/A |
/B | |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
2 |
1 |
0 |
0 |
1 |
|
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
4 |
0 |
1 |
1 |
0 |
表2：反转环形脉冲分配表
硬件原理图
图7 硬件原理图
程序流程图
图8 软件流程图
软件代码
/****************************************************/
/*杭州晶控电子有限公司*/
/*
/*步进电机演示程序*/
/*目标器件：AT89S51*/
/*晶振:11.0592MHZ*/
/*编译环境：Keil 7.50A*/
/***************************************************/
/*********************************包含头文件********************************/
#include <reg51.h>
/*********************************端口定义**********************************/
sbit key = P1^4;
/*************************************************************
函数功能:延时子程序
入口参数:
出口参数:
************************************************************/
void delay(void)
{
int k;
for(k=0;k<2000;k++);
}
/************************************************************
函数功能:主程序
入口参数:
出口参数:
***********************************************************/
void main()
{
P0=0x00;//输出全高
key=1;//按键置输入状态
while(1)//主循环
{
if(key==1)//无键按下正转
{
P0=0xFC;//1100
delay();
P0=0xF6;//0110
delay();
P0=0xF3;//0011
delay();
P0=0xF9;//1001
delay();
}
else//有键按下反转
{
P0=0xFC;//1100
delay();
P0=0xF9;//1001
delay();
P0=0xF3;//0011
delay();
P0=0xF6;//0110
delay();
}
}
}