51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)之 步進(jìn)電機(jī)控制篇

先看一下我們將要使用的51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)能完成哪些實(shí)驗(yàn)與產(chǎn)品開發(fā)工作：分別有流水燈，數(shù)碼管顯示，液晶顯示，按鍵開關(guān)，蜂鳴器奏樂，繼電器控制，IIC總線，SPI總線，PS/2實(shí)驗(yàn)，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，光耦實(shí)驗(yàn)，串口通信，紅外線遙控，無線遙控，溫度傳感，步進(jìn)電機(jī)控制等等。

上圖是我們將要使用的51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，本期實(shí)驗(yàn)我們用到了綜合系統(tǒng)主機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，綜合系統(tǒng)其它功能模塊原理與使用詳見前幾期《電子制作》雜志及后期連載教程介紹。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

步進(jìn)電機(jī)分類與結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)分為三種：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）。本章節(jié)以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，介紹其基本原理與應(yīng)用方法。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。常用小型步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物如圖1所示。

圖1步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖

圖2 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部圖

步進(jìn)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電路

綜合系統(tǒng)使用的是小型步進(jìn)電機(jī)，對(duì)電壓和電流要求不是很高，為了說明應(yīng)用原理，故采用最簡單的驅(qū)動(dòng)電路，目的在于驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)的使用，在正式工業(yè)控制中還需在此基礎(chǔ)上改進(jìn)。一般的驅(qū)動(dòng)電路可以用圖3的形式。

圖3 一般驅(qū)動(dòng)電路

在實(shí)際應(yīng)用中一般驅(qū)動(dòng)路數(shù)不止一路，用上圖的分立電路體積大，很多場(chǎng)合用現(xiàn)成的集成電路作為多路驅(qū)動(dòng)。常用的小型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以用ULN2003或ULN2803。本書配套實(shí)驗(yàn)板上用的是ULN2003。ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。ULN2003A由7組達(dá)林頓晶體管陣列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)7組負(fù)載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路圖如圖4：

圖4 ULN2003內(nèi)部框圖及等效電路圖

ULN2003A型高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列電路的典型應(yīng)用電路框圖如圖5所示。鉗位二極管用于保護(hù)線圈通斷時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)擊穿集成電路，可以看出，該電路的應(yīng)用非常簡單。

圖5 典型應(yīng)用圖

步進(jìn)電機(jī)的程序設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)功能：開發(fā)板上電時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，按住51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)上的按鍵SW20（P14）時(shí)反轉(zhuǎn)。

圖6 步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)演示圖

電機(jī)正反轉(zhuǎn)的環(huán)形脈沖分配表如下：

表1：正轉(zhuǎn)環(huán)形脈沖分配表

表2：反轉(zhuǎn)環(huán)形脈沖分配表

硬件原理圖

圖7 硬件原理圖

程序流程圖

圖8 軟件流程圖

軟件代碼

#include

sbit key = P1^4;

void delay(void)

{

int k;

for(k=0;k<2000;k++);

}

void main()

{

P0=0x00;//輸出全高

key=1;//按鍵置輸入狀態(tài)

while(1)//主循環(huán)

{

if(key==1)//無鍵按下正轉(zhuǎn)

{

P0=0xFC;//1100

delay();

P0=0xF6;//0110

delay();

P0=0xF3;//0011

delay();

P0=0xF9;//1001

delay();

}

else//有鍵按下反轉(zhuǎn)

{

P0=0xFC;//1100

delay();

P0=0xF9;//1001

delay();

P0=0xF3;//0011

delay();

P0=0xF6;//0110

delay();

}

}

}