基于AVR单片机的步进电机控制.pdf

第 l 9 卷第2 期 2 0 0 5 6 沈阳化工学院学报 J OURNAL OF SHENYANG I NS TI TUTE OF CHEMI CAL TECHNOL OGY Vo 1 1 9 N 。 2 J u n 2 0 0 5 文章编号 ： 1 0 0 4 4 6 3 9 ( 2 0 0 5 ) 0 2 0 1 2 6 0 3 基于 A V R单片机的步进 电机控制 安然然 ， 聂鑫 ( 沈阳化工学院 ， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 ) 摘要 ： 对 A V R单片机 A T 9 0 S 8 5 1 5 进行编程 ， 实现对 3 5 B Y J 4 6型四相八拍步进 电机 的控 制， 以 达到精确定位 的 目的 使 A T 9 0 S 8 5 1 5单片机并行 口 c口高四位 P C 7 P C 4分别与驱动接 口芯 片 U L N 2 8 0 3的输入 引脚 A、 B 、 C 、 D相连 ， 并使 驱动芯片的 4个输 出引脚分别与步进电机 的 4 、 3 、 2 、 1 四个励磁线 圈的 引脚相连 通过对单 片机进 行编程 ， 使 数据从 C 1 ：2高四位输 出经驱动电路放 大后 控制步进 电机 ， 使其按照单 片机编写的程序进行按步骤的正序旋转或逆序旋转 关键词： 精简指令集 ； 单片机 ； 步进 电机； 看门狗 中图分类号： TP 3 6 8 、 1 文献标识码： A 步进 电机是一种将 电脉 冲转化为角位移 的 执行机构 ， 即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( 即步钜角) 步进电机通过控制脉冲个 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l 1 J m0 S 8 5 1 5单 片 机 是 A T ME L 公 司 在 A T 8 9系列单 片机基础上开发出的一种采用精 简指令集( R I S C ) 的新型 A V R单片机 ， 它是用一 个时钟周期执行一条指令 ， 因此 ， 可以每 MH z 实 现 1 MI P S的 处 理 能 力 2 3 采 用 冗 余 指 令 集 ( C I S C ) 的传统单片机 MC S - 5 1 每 1 2 个时钟周期 才能处理一条指令 ， 因此 ， 在相 同的晶振驱动下 A V R单片机要 比 MC S - 5 1单片机快 1 2倍 ， 且 A V R单片机内部集成了硬件“ 看 门狗” 电路 ， 可 以有效地控制程序的跑飞 所以， 采用 A V R单 片机的步进 电机控制系统在控制精度和抗干扰 方面比 5 1 单片机控制系统有着显著的优势 1 硬件结构 与基本原理 步进电机控制系统 由单片机 、 驱动电路、 步 进 电 机 等 组 成系 统 所 用 的 步 进 电 机 为 3 5 4 6 B Y J 4 6 型四相八拍永磁式步进电机， 其工作 电压为直流 1 2 V， 单片机用 A T 9 0 S 8 5 1 5 ， 并配以 时钟电路 、 “ 看门狗” 复位电路等 系统驱动电路 由专用驱动芯片 UL N 2 8 0 3与外部分立元器件 组合而成 由A V R单片机 A T 9 0 S 8 5 1 5产生的脉 冲信号按照 3 5 B Y J 4 6型四相八拍步进 电机的励 磁顺序进行信号分配 ， 信号经过驱动电路功率放 大后 ， 再与步进电机相应励磁线圈的引脚相连， 即可驱动步进电机、 步进电机控制系统工作原理如图 1 所示 1 壁、冲 笪昱H笪呈 坌 墼H 皇 墼 H 皇 J 图 1 工作原理框图 A V R单 片机 A T 9 0 S 8 5 1 5共有 4个并行 8 位 口， A 口、 B口、 C 口、 D 口 由于 AT 9 0 S 8 5 1 5需 要用 +5 V直流电压供 电， 每个并行 口引脚输出 最大 电压 不 超 过 5 V， 输 出 电 流 最 大 为 2 0 mA 【 ， 但 3 5 B Y J 4 6型 四相八拍 电机需要 1 2 V 直流电压供 电， 因此， 从 A T 9 0 S 8 5 1 5单片机 C口 输 出的信号不足以控制步进 电机 ， 所以必须加上 驱动电路( 即 UL N 2 8 0 3 ) 步进 电机控制系统中 将 A T 9 0 $ 8 5 1 5 C口的高四位 P C 4一P C 7与驱动 电路接口芯片 UL N 2 8 0 3的 A、 B、 C、 D四个引脚 相连， 经 UL N 2 8 0 3驱动放大后输出到 3 5 B Y J 4 6 收稿日期 ： 2 0 0 4 0 9 2 2 作者简介： 安然然( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 辽宁沈阳人， 助教， 在读硕士研究生 ， 主要从事单片机应用的研究 维普资讯 第 2期 安然然 ， 等 ： 基于 A V R单片机的步进 电机控制 1 2 7 型四相八拍步进 电机励磁线圈 4 1 号引脚上， 而励磁线圈的 5号引脚 与驱动电路输 出 +1 2 V 相连 电路连接如图 2 所示 P C 4 驱动接 + 1 2 V 5 AT9 0S PC5 B A 4 步进 电机 一 口芯 片 B 3一 一 MT2 8 51 5 P C6 C ULN28 0 3 C 2一 PC7 D D 1 图 2电路 连接 图 实验所用的步进电机为 3 5 B Y J 4 6型四相八 拍步进电机 ， 四相即步进电机有 四个励磁线 圈， 八拍即步进电机按照一定规律转动八次后完成 一 周旋转 其技术数据如表 1 所示 ， 励磁线圈结 构如图 3 所示 表 1 3 5 B Y J 4 6型步进电机技术数据 物 理量 技 术指标 相数 直流电压 电流 电阻 步 钜角 空载牵出频率 空载牵入频率 4 1 2 V 9 2 m A 1 3 0 n 7 5 。 8 0 0脉冲 S 5 0 0脉冲 S 图 3 励磁线圈结构 步进电机可以在励磁线圈的驱动下旋转一 定角度 3 5 B Y J 4 6型步进电机共有 5个引脚 ， 1 4号引脚为励磁线圈引出脚 ， 5号引脚为公共供 电引脚 ， 一般接直流电源 +1 2 V 当某个励磁线 圈引脚的电压与 5号引脚的电压形成电位差时， 电机在电磁感应的作用下就会偏转一定角度 表 2 是步进电机按照正序旋转一周所要执行 的拍 序及其相应励磁线圈引脚的电压状况 步进电机进行正序旋转时 ， 必须依次执行第 0 拍至第 7 拍 而逆序进行旋转时必须依次执行 第七拍 至第 0拍 当步进电机执行第 0拍时， 5 号引脚为 +1 2 V高电平 ， 而 4号引脚为低电平 0 V， 其余引脚都为高电平 ， 因此， 在 1 号励磁线圈 产生电磁感应驱动电机旋转一定角度 表 2 励磁顺序及引脚 电压 3 5 B Y J 4 6型四相八拍步进 电机正序运转一 个周期的步序 ， 即励磁线圈引脚 4 4 3 3 3 2 2 2 1 1 4 1 依次分别为 0 V时， 电机正序 运转一个周期 由于励磁线圈的 41 号引脚受 A T 9 0 S 8 5 1 5 单 片机 的并行 口 P C 7一P C A控制 ， 当 P C 一P C 4 输 出为“ 1 ” 时， 相应的步进电机励 磁线圈的引脚为 +1 2 V； 当 P C AP C 7输出为 “ 0 ” 时， 相应的步进电机励磁线圈的引脚为 0 V 表 3 列举出 A T 9 0 S 8 5 1 5单片机 C口输出值与步 进电机步序的关系 表 3 电机步序值 步进电机可按照正序或逆序进行旋转 当进 行正序旋转时， 编程使单片机 A T 9 0 S 8 5 1 5 C口按 照步序 0 7依次输出 1 0 H至 0 9 H， 当进行逆序 旋转时 C口应按照步序 由 7 1 依次输 出 0 9 H 至 1 0 H 2 步进电机控制程序 的设计 通过用 A T 9 0 S 8 5 1 5单 片机对 3 5 B Y J 4 6型 四相八拍步进电机控制， 可以使电机按照正序和 逆序 2种方式进行运转 当电机按照正序运转 时， 步序由表 3的“ 0步” 开始依次到“ 7 步” ， 当电 机按照逆序运转时， 由表 3的“ 7步” 开始依次减 到“ 0步” 因此， 在程序设计时需要设定 2个变 量 ， 当变量为“ 1 ” 时， 电机按逆序进行运转 ， 当变 量为“ 0 ” 时， 电机按正序运转 由于单片机处理速 度很快 ， 电机的运转速度较慢 ， 因此 ， 在单片机驱 维普资讯 1 2 8 沈阳化工学院学报 2 0 0 5焦 动电机每一步运转后都要加上一个延时等待 ， 延 时程序所用的时间可以决定电机运转的速度 部分程序如下： ： - X - - X - * ； t =1 u n c i r c le t u r n； T=1 逆时针转 * ； t =0 c i r c l e t u r n ； T=0顺时针转 * ： 9 6 s t e p a t u rn ： TS t e p i s t i me o f a s t e p； * ： * ； t u rn： b r t s u n c ir c l e ； 判转向 i n c n p ； t =0 正转 c p i n p， 8 b r n e n e x t c l r n p n e x t ： p u s h z l a d d z l ， n p l p m o u t p o r t e ， 10 发送步序 po P z l r c a l l d e l a y 片机等待步进电机 d e c s t e p b r n e t l 1 r n reI u n c i r c l e： d e c n p c p i n p ， $f f b r ne n e x t l d i n p ， $0 7 ； 电机步序指针 ； 0 S 8 5 1 5单片机向电机 ； 调用延时使 A T 9 0 S 8 5 1 5单 ； t =1反转 ； 由第“ 7 ” 步开始运转直到第 “ 1 ” 步 r j mp n e x t o r g t u r n t a b ；0 1 2 3 4 5 6 7； 步进电机旋 转资料表 d b O x l O， O x 3 0， O x 2 0， O x 6 0， 0 x 4 0， O x c O， 0 x 8 0， 0x 09 3 结束语 随着单片机在计算机控制领域和智能仪器 中的广泛应 用， 对单片机 的要求也越 来越 高 A V R单片机是采用精简指令集 的新型单片机 ， 基于 A V R单片机 0 S 8 5 1 5的步进 电机控制 与早期的采用冗余指令集 MC S - 5 1单片机所组 成的控制系统相 比， 具有较高的速度 、 功耗低 、 抗 干扰能力强等优点 早期的 MC S - 5 1单片机 由于 运算速度慢 、 功耗大等缺点使得产品成本较高 A V R单片机在控制领域即仪器仪表领域中正逐 步取代 MC S - 5 1 单片机， 成为一种主流单片机 参考文献 ： 1 耿德根 ， 宋建国， 马潮， 等 A V R高速嵌入式单片机 原理与应用 M 北京 ： 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 01 2 2 丁化成 ， 耿德根 ， 李君 凯 A V R单片机设计 M 北京 ： 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 2 5 3 李勋 ， 耿德根 A V R单片机应用技术 M 北京 ： 北 京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 2 6 Co n t r o l o f 3 5 BYJ 4 6 Se r i e s S t e p pi n g Mo t or Ba s e d o n AVR Mi c r o ch i p Comp u t er AN Ra n r a n NI E Xi n ( S h e n y a n g I n s t i t u t e o f C h e mi c a l Te c h n o l o g y ，S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e i n t r o d u c t i o n t o t h i s t e x t c a r r i e s o n p r o g r a mm i n g wi t h AVR mi c r o d h i p AT9 0 S 8 51 5 a n d i t r e a l i z e s t o c o n t r o l 3 5 B YJ 4 6 s e r i e s s t e p p i n g mo t o r i n o r d e r t o a c h i e v e t h e a c c u r a t e p u r p o s e t h a t ma k e s a r e s e r v a t i o n Co n n e c t t h e h i g h f o u r b i t o f AT9 0 $ 8 5 1 5 S po r t C wi t h d r i v e i n t e r f a c e c h i p U L N2 8 0 3 S f o u r i n p u t p i n