80C51单片机驱动步进电动机的系统

天津工业大学天津工业大学 机床电气控制机床电气控制 课程设计课程设计 80C5180C51 单片机驱动步进电动机的系统单片机驱动步进电动机的系统 姓姓 名名 秦凤璐秦凤璐 学学 号号 0940310128 学学 院院 机械工程学院机械工程学院 专业班级专业班级 机电机电 091 2011 年年 11 月月 29 日日 基于单片机系统的步进电机驱动 摘 要 本文介绍了基于 80C51 单片机的步进电机控制系统的设计 分别概括的介绍了单 片机和步进电机以及步进电机的各种驱动方案 对一款四相步进电机以及 80C51 单片 机的功能参数和一种驱动方式的优点特点 以及其选择原因进行了必要的说明 对基 于 80C51 单片机的步进电机控制系统的原理进行了介绍 根据 80C51 单片机和步进电 机的原理以及特点和参数选择了其他元件 并且建立了相应的电路图 进行了必要的 电路分析说明 并将这个电路图制作成型 使其工作 实现正反转 加速减速等功能 关键词关键词 80C51 单片机 步进电机 驱动 控制 目 录 第第 1 1 章章 前前 言言 2 1 1 课题的背景 2 1 2 发展概况 2 1 3 课题主要内容 2 第 2 章 步进电机的基本原理 分类和选择 3 2 1 步进电机的基本参数 3 2 2 步进电机的特点 3 2 3 步进电机分类 4 2 4 四相混合式步进电机的工作原理及工作方式 4 2 5 步进电机具体型号的选择 5 第 3 章 步进电机驱动系统及驱动接口选择 7 3 1 单电压功率驱动接口 7 3 2 双电压功率驱动接口 7 3 3 高低压功率驱动接口 8 3 4 斩波恒流功率驱动接口 9 3 5 集成功率驱动接口及驱动芯片的选择 9 第 4 章 驱动系统硬件组成及具体驱动方案分析 11 4 1 关于 80C51 单片机的介绍 11 4 2 驱动系统总体结构 14 4 3 驱动系统的驱动原理 14 4 3 1步进电机的控制信号 14 4 3 2 控制信号功率的放大 15 4 3 3 单片机控制信号的输出和编程 16 4 4 驱动系统总电路电路及说明 19 第 5 章 驱动系统硬件的焊接与调试 23 5 1 电路的焊接 23 5 2 电路的检查与调试 23 第 6 章 结 论 26 参考文献 27 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 1 第 1 章 前 言 1 1 课题的背景 步进电机是现代数字控制技术中最早出现的执行部件 其特点是可以将数字脉冲 控制信号直接转换为一定数值的机械角位移 并且能够自动产生定位转矩使转轴锁定 如果在机械结构中再配以滚珠丝杠 那步进电机的高精度转角就可以转换为高精度直 线位移 这在以精度为要求的现代机械控制中是极其重要的一点 随着微电子和计算机技术的发展 步进电机的需求量与日俱增 在各个经济领域 都有应用 步进电机作为一种控制用的特种电机 其优点是结构简单 运行可靠 控 制方便 尤其是步距值不受电压 温度的变化的影响 误差不会长期积累的特点 给 实际的应用带来了很大的方便 它广泛用于消费类产品 打印机 照相机 工业控制 数控机床 工业机器人 医疗器械等机电产品中 研究步进电机的控制方法 对提 高控制精度和响应速度 节约能源等都具有重要意义 为此 本文设计了一段步进电 机驱动程序 可以实现对步进电机转动速度 转动方向 1 2 发展概况 虽然步进电机已被广泛地应用 但步进电机并不能象普通的直流电机 交流电机 在常规下使用 它必须由双环形脉冲信号 功率驱动电路等组成控制系统方可使用 因此用好步进电机却非易事 它涉及到机械 电机 电子及计算机等许多专业知识 目前 生产步进电机的厂家的确不少 但具有专业技术人员 能够自行开发 研 制的厂家却非常少 大部分的厂家只一 二十人 连最基本的设备都没有 仅仅处于 一种盲目的仿制阶段 这就给户在产品选型 使用中造成许多麻烦 鉴于上述情况 本文决定以四相混合式步进电机为例叙述其基本工作原理及设计简单的驱动程序 望 能对广大用户在选型 使用 及整机改进时有所帮助 1 3 课题主要内容 本课题将分析步进电机的工作原理 并简单介绍其各种驱动方式 最后使用单片 机以软件方式配合有关芯片和电路元件驱动步进电机 通过 C 语言编程方法 对步进 电机的转速 转动方向等进行控制使其在一定范围下运行 方便灵活地控制步进电机 的运行状态 以简单的对步进电机的工作方式进行个性化制作 以满足不同用户的要 求 中间对可能发生的问题进行论述 并提出解决方法 最后对所完成的电路图进行 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 2 分析 第 2 章 步进电机的基本原理 分类和选择 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 当步进电机接收到一个脉冲 信号 它就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 2 1 步进电机的基本参数 电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号 电机所转动的角度 电机出厂时给出了一个步距角的值 如 86BYG250A 型电机给出的值为 0 9 1 8 表示 半步工作时为 0 9 整步工作时为 1 8 这个步距角可以称之为 电机固有步距角 它不一定是电机实际工作时的真正步距角 真正的步距角和驱动器有关 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数 目前常用的有二相 三相 四相 五相步进电机 电机相数不同 其步距角也不同 一般二相电机的步距角为 0 9 1 8 三相的为 0 75 1 5 五相的为 0 36 0 72 在没有细分驱动器时 用户 主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求 如果使用细分驱动器 则 相数 将变得没有意义 用户只需在驱动器上改变细分数 就可以改变步距角 保持转矩 是指步进电机通电但没有转动时 定子锁住转子的力矩 它是步进电 机最重要的参数之一 通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩 由于步进电机的 输出力矩随速度的增大而不断衰减 输出功率也随速度的增大而变化 所以保持转矩 就成为衡量步进电机最重要的参数之一 比如 当人们说 2N m 的步进电机 在没有特 殊说明的情况下是指保持转矩为 2N m 的步进电机 2 2 步进电机的特点 1 一般步进电机的精度为步进角的 3 5 且不累积 2 步进电机外表允许的最高温度 3 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁 从而导致力矩下降乃至于失 步 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点 一般来讲 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 3 磁性材料的退磁点都在 130 以上 有的甚至高达 200 以上 所以步进电机外表温度 在 80 90 完全正常 4 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 5 当步进电机转动时 电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 频率越高 反向电动势越大 在它的作用下 电机随频率 或速度 的增大而相电流减小 从而 导致力矩下降 6 步进电机低速时可以正常运转 但若高于一定速度就无法启动 并伴有啸叫声 步进电机有一个技术参数 空载启动频率 即步进电机在空载情况下能够正常启 动的脉冲频率 如果脉冲频率高于该值 电机不能正常启动 可能发生丢步或堵转 在有负载的情况下 启动频率应更低 如果要使电机达到高速转动 脉冲频率应该有 加速过程 即启动频率较低 然后按一定加速度升到所希望的高频 电机转速从低速 升到高速 步进电动机以其显著的特点 在数字化制造时代发挥着重大的用途 伴随着不同 的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高 步进电机将会在更多的领域得到 应用 综合各种步进电机的特点以及实际情况 本课题选用某混合式四相步进电机 2 3 步进电机分类 目前常用的有三种步进电动机 1 反应式步进电动机 VR 反应式步进电动机结构简单 生产成本低 步距角小 但动态性能差 2 永磁式步进电动机 PM 永磁式步进电动机出力大 动态性能好 但步距角大 3 混合式步进电动机 HB 混合式步进电动机综合了反应式 永磁式步进电动机 两者的优点 它的步距角小 出力大 动态性能好 是目前性能最高的步进电动机 它有时也称作永磁感应子式步进电动机 综合步进电机的以上参数特点以及各种步进电机的优缺点 本课题将选用四相混 合式 感应子式 步进电机 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 4 2 4 四相混合式步进电机的工作原理及工作方式 如图 2 1 开始时 开关 SB 接通电源 SA SC SD 断开 B 相磁极和转子 0 3 号 齿对齐 同时 转子的 1 4 号齿就和 C D 相绕组磁极产生错齿 2 5 号齿就和 D A 相绕组磁极产生错齿 当开关 SC 接通电源 SB SA SD 断开时 由于 C 相绕组的磁力 线和 1 4 号齿之间磁力线的作用 使转子转动 1 4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐 而 0 3 号齿和 A B 相绕组产生错齿 2 5 号齿就和 A D 相绕组磁极产生错齿 依次类 推 A B C D 四相绕组轮流供电 则转子会沿着 A B C D 方向转动 图 2 1 四相步进电机步工作进示意图 四相步进电机按照通电顺序的不同 可分为单四拍 双四拍 八拍三种工作方式 单四拍与双四拍的步距角相等 但单四拍的转动力矩小 八拍工作方式的步距角是单 四拍与双四拍的一半 因此 八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控 制精度 单四拍 双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2 2a b c 所示 a 单四拍 b 双四拍 c 八拍 图 2 2 步进电机工作时序波形图 2 5 步进电机具体型号的选择 考虑到实验室材料和驱动功率大小等实际条件 以及连线的方便与否 最终选择 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 5 型号为 28YBJ 48 的四相五线减速步进电机 该步进电机的主要参数为 1 额定电压 5VDC 2 直流电阻 60 欧 加减 7 25 摄氏度 3 减速比 1 64 4 步距叫 5 625 度 64 5 驱动方式 四项八拍 6 牵入转矩 大于 350gf cm 工作频率 100PPS 7 打滑扭力 800 1300 gf cm 8 温升 小于 55K 5VDC 工作频率 100PPS 9 噪音 小于 35DB 空载 100PPS 水平距马达 10CM 10 绝对耐压 600V AC 1 秒 11 引线拉力强度 1Kgf 条 图 2 3 28YBJ 48 型步进电机 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 6 第 3 章 步进电机驱动系统及驱动接口选择 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作 而必须使用专用的步进电 动机驱动器 如图 3 1 所示 它由脉冲发生控制单元 功率驱动单元 保护单元等组 成 图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现 驱动单元与步进电动机直 接耦合 也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口 这里对步进电机各种驱动接 口进行简单的介绍 控制控制 命命 令令 脉冲控制发生单元脉冲控制发生单元功率驱动单元功率驱动单元步进电机步进电机 反馈与保护单元反馈与保护单元 步进电机微机控制单元步进电机微机控制单元 图 3 1 步进电动机驱动控制系统 3 1 单电压功率驱动接口 在电机绕组回路中串有电阻 Rs 使电机回路时间常数减小 高频时电机能产生较 大的电磁转矩 还能缓解电机的低频共振现象 但它引起附加的损耗 一般情况下 简单单电压驱动线路中 Rs是不可缺少的 Rs对步进电动机单步响应的改善如图 3 2 图 3 2 单电压功率驱动接口及单步响应曲线 3 2 双电压功率驱动接口 双电压驱动的功率接口如图 3 3 所示 双电压驱动的基本思路是在较低 低频段 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 7 用较低的电压 UL驱动 而在高速 高频段 时用较高的电压 UH驱动 这种功率接口需 要两个控制信号 Uh为高压有效控制信号 U 为脉冲调宽驱动控制信号 图中 功率管 TH和二极管 DL构成电源转换电路 当 Uh低电平 TH关断 DL正偏置 低电压 UL对绕组 供电 反之 Uh高电平 TH导通 DL反偏 高电压 UH对绕组供电 这种电路可使电机在 高频段也有较大出力 而静止锁定时功耗减小 图 3 3 双电压功率驱动接口 3 3 高低压功率驱动接口 图 3 4 高低压功率驱动接口 高低压功率驱动接口如图 3 4 所示 高低压驱动的设计思想是 不论电机工作频 率如何 均利用高电压 UH供电来提高导通相绕组的电流前沿 而在前沿过后 用低电 压 UL来维持绕组的电流 这一作用同样改善了驱动器的高频性能 而且不必再串联电 阻 Rs 消除了附加损耗 高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号 Uh和 Ul 它们应 保持同步 且前沿在同一时刻跳变 如图 3 4 所示 图中 高压管 VTH的导通时间 tl 不能太大 也不能太小 太大时 电机电流过载 太小时 动态性能改善不明显 一 般可取 1 3ms 当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 8 3 4 斩波恒流功率驱动接口 恒流驱动的设计思想是 设法使导通相绕组的电流不论在锁定 低频 高频工作 时均保持固定数值 使电机具有恒转矩输出特性 这是目前使用较多 效果较好的一 种功率接口 图 3 5 是斩波恒流功率接口原理图 图中 R 是一个用于电流采样的小阻 值电阻 称为采样电阻 当电流不大时 VT1和 VT2同时受控于走步脉冲 当电流超过 恒流给定的数值 VT2被封锁 电源 U 被切除 由于电机绕组具有较大电感 此时靠二 极管 VD 续流 维持绕组电流 电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力 此时电流将按 指数曲线衰减 同样电流采样值将减小 当电流小于恒流给定的数值 VT2导通 电源 再次接通 如此反复 电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上 形成小小 的锯齿波 如图 3 5 所示 图 3 5 斩波恒流功率驱动接口 斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号 其中 u1是数字脉冲 u2是模拟信 号 这种功率接口的特点是 高频响应大大提高 接近恒转矩输出特性 共振现象消 除 但线路较复杂 目前已有相应的集成功率模块可供采用 3 5 集成功率驱动接口及驱动芯片的选择 目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用 例如集 成 H 桥式驱动器 L298 芯片 集成达林顿管 ULN2003A 极电极开路驱动芯片等 由于 ULN2003A 具有电流增益高 工作电压高 温度范围宽 带负载能力强 而且集成有续 流二极管等特点 以及其对思想单片机的专用性 本课题选择 ULN2003A 驱动芯片 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 9 图 3 6 ULN2003 逻辑图 图 3 7 ULN2003 内部电路图 由图 3 6 图 3 7 可知 ULN2003A 其本质是一个基于三极管的非门电路芯片 在 驱动过程中 ULN2003 起到将控制信号功率放大和信号反相的作用 进而稳定地将步进 电机的控制信号平稳有效地送给步进电机 确保步进电机的正常运转 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 10 第 4 章 驱动系统硬件组成及具体驱动方案分析 4 1 关于 80C51 单片机的介绍 单片机以其体积小 功能齐全 价格低廉 可靠性高等优点 在各个领域都获得 了广泛的应用 在我国 近几年单片机也得到了广泛的应用特别是在工业控制 智能 仪表等方面 而其中 MCS 51 系列单片机更是以抗干扰能力强 对环境要求不高 灵活 性强等别的系统所不具备的优点被广泛使用 即使非电子计算机专业人员 通过学习 一些专业基础知识以后也能依靠自己的技术力量 来开发所希望的单片机应用系统 故在本次设计中采用了其中的低功耗型 80C51 单片机 80C51 是 MCS 51 系列单片机中 CHMOS 工艺的一个典型品种 其它厂商以 8051 为基 核开发出的 CMOS 工艺单片机产品统称为 80C51 系列 当前常用的 80C51 系列单片机主 要产品有 Intel 的 80C31 80C51 87C51 80C32 80C52 87C52 等 ATMEL 的 89C51 89C52 89C2051 等 Philips 华邦 Dallas Siemens Infineon 等公司的许多产品 该系列单片机是采用高性能的静态 80C51 设计 由先进 CMOS 工艺制造 并带有非 易失性 Flash 程序存储器 全部支持 12 时钟和 6 时钟操作 P89C51X2 和 P89C52X2 54X2 58X2 分别包含 128 字节和 256 字节 RAM 32 条 I O 口线 3 个 16 位定时 计数器 6 输入 4 优先级嵌套中断结构 1 个串行 I O 口 可用于多机通信 I O 扩展或全双工 UART 以及片内振荡器和时钟电路 此外 由于器件采用了静态设计 可提供很宽的操作频率范围 频率可降至 0 可实现两个由软件选择的节电模式 空 闲模式和掉电模式 空闲模式冻结 CPU 但 RAM 定时器 串口和中断系统仍然工作掉电 模式保存 RAM 的内容 但是冻结振荡器 导致所有其它的片内功能停止工作 由于设计 是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据 运行可从时钟停止处恢复 其主要结构组成如下 1 中央处理器 CPU 2 内部数据存储器 内部 RAM 3 内部程序存储器 内部 ROM 4 定时器 计数器 5 并行 I O 口 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 11 6 串行口 7 时钟电路 8 中断系统 9 外接晶体引脚 图 4 1 80C51 单片机管脚图 外中断 控制 并行口 外时事件计数 外时钟源 振荡器和时 序 程序存储器 8KB ROM 数据存储器 256B RAM SFR 2 16 位定时器 计数器 TMP87P809N 64KB 总线 扩展控制线 可编程 I O可编程全 双工串行口 串行通信 图 4 2 80C51 单片机工作系统图 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 12 单片机管脚如图 4 1 所示 下面对其各个管脚进行必要的说明 P0 P1 P2 P3 口的电平与 CMOS 和 TTL 电平兼容 P0 口的每一位口线可以驱动 8 个 LSTTL 负载 在作为通用 I O 口时 由于输出驱 动电路是开漏方式 由集电极开路 OC 门 电路或漏极开路电路驱动时需外接上拉电 阻 当作为地址 数据总线使用时 口线输出不是开漏的 无须外接上拉电阻 P1 P2 P3 口的每一位能驱动 4 个 LSTTL 负载 它们的输出驱动电路设有内部上 拉电阻 所以可以方便地由集电极开路 OC 门 电路或漏极开路电路所驱动 而无须 外接上拉电阻 当 CPU 不对 P3 口进行字节或位寻址时 内部硬件自动将口锁存器的 Q 端置 1 这 时 P3 口作为第二功能使用 P3 0 RXD 串行口输入 P3 1 TXD 串行口输出 P3 2 外部中断 0 输入 P3 3 外部中断 1 输入 P3 4 T0 定时器 0 的外部输入 P3 5 T1 定时器 1 的外部输出 P3 6 片外数据存储器 写 选通控制输出 P3 7 片外数据存储器 读 选通控制输出 EA VPP 访问程序存储器控制信号 当其为低电平时 对 ROM 的读操作限定在外 部的程序存储器 当其为高电平时 对 ROM 的读操作是从内部存储器开始的 并可延 至外部程序存储器 ALE PROG 编程脉冲 PSEN 外部程序存储器读选通信号 在读外部 ROM 时 PSEN 是低电平有效 以实 现对 ROM 的读操作 RST VPD 复位信号 当输入信号延续 2 个周期以上的高电平有效 用以完成单 片机复位初始化操作 XTAL 时钟晶振输入端 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 13 4 2 驱动系统总体结构 实时控制 录入程序 方向设定 电源电源 驱动电路及驱动电路及 有关芯片有关芯片 M 供电 供电 供电 计算机计算机 单片机单片机 按钮按钮 驱动 速度设定 图 4 3 驱动系统硬件结构 由图 4 3 可知 本系统通过计算机设定步进电机的运行方向和速度 以及变速变 向的控制 并且将这些参数和控制程序通过数据串口烧录到单片机中 按钮和单片机 的控制信号通过驱动电路 输入至步进电机 控制步进电机的速度和方向 电源和变 压整流电路为单片机和驱动芯片的正常工作提供安全稳定的直流高电平 4 3 驱动系统的驱动原理 为了方便阐述 本节按照步进电机输入信号要求 控制信号功率的放大 单片机 控制信号的输出和编程的顺序分析其工作过程 4 3 1 步进电机的控制信号 橙 4 黄 3 粉 2蓝 1 红 5 M 图 4 4 28YBJ 48 型步进电机接线指示图 表 4 1 步进电机输入信号分布表 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 14 分配顺序 连线序号导线颜色 1234 5 红 4 橙 3 黄 2 粉 1 蓝 如图 4 4 所示 28YBJ 48 型步进电机接内部共有四相线圈 其中 Vcc 端共接在一 起 为红线 四相线圈的控制信号输入端按顺序依次为蓝 粉 黄 橙 为方便编程 与描述 本文采用单片机的双四拍运行时序 则其通电线圈按照时序依次为 蓝粉 粉黄 黄橙 橙蓝 其输入信号分布如表 4 1 所示 以此时序 按照一定的频率 步 进电机就可稳定地转动 4 3 2 控制信号功率的放大 单片机不能直接驱动步进电机 这是由于单片机 I O 接口输出功率很小 输出信 号不稳定 因此就必须在单片机 I O 接口下方接功率驱动单元 按照前文所述 本文 选择具有信号放大 信号反相功能的 ULN2003A 驱动芯片 图 4 5 ULN2003 电路图 含负载 由图 4 5 所示 ULN2003A 本质为达林顿管 其中 Q1 Q2 R2 R3 本质为以放大倍 数被加大的三极管 因此 当输入信号为高电平时 三极管导通 这时负载左端 即 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 15 芯片的信号输出端为低电平 因此 ULN2003A 为反相输出 此时负载中有电流产生 在本文中 负载即为步进电机的某一相线圈 所以当输 入信号为高电平时 与之相连的步进电机线圈中有电流产生 当输入信号为低平时 负载左端即信号输出端为高电平 负载中无电流产生 即与之相连的步进电机线圈不 工作 又因为达林顿管放大倍数为两个三极管放大倍数之积 达到比较可观的功率放大 作用 综上 将单片机四个 I O 接口连接至 ULN2003A 输入接口 就将控制步进电机的 信号放大反相 使得步进电机正常工作 4 3 3 单片机控制信号的输出和编程 考虑到步进电机正常工作所需要的时序分布以及 ULN2003A 的反相所用 单片机的 输出信号以及相应的输出端口如表 4 2 所示 为了实际电路中连线方便 信号输出端 口为 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 口 表 4 2 单片机输出信号分布表 分配顺序 输出接口 对应导线 颜色一二三四 P2 3橙0011 P2 2黄0110 P2 1粉1100 P2 0蓝1001 对应 16 进制数0 xF30 xF60 xFc0 xF9 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 16 根据以上输出信号的描述 指定其系统流程图为 上电 断电 反向 减速 电机转动 FR 按键是否按下 开始 slow 按键是否按下 fast 按键是否按下 结束 加速 图 4 6 驱动程序流程图 根据以上输出信号的描述以及过程流程图 4 6 相应的单片机 C 语言编写为 include sbit FR P1 0 定义端口 P1 0 对应着步进电机正反转控制按钮 sbit slow P1 1 定义端口 P1 1 对应步进电机减速控制按钮 sbit fast P1 2 定义端口 P1 2 对应步进电机加速控制按钮 int p 定义 p 为延时常数 void delay int t 定义延时函数 delay int k int i for i 0 i t i for k 0 k 10 k void main 主函数 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 17 P0 0 x00 初始化 P0 FR 1 初始化转向为正向 p 50 初始化延时常数 P while 1 进入旋转信号输出循环 if FR 1 正向旋转 P2 0 xF3 delay p P2 0 xF6 delay p P2 0 xFc delay p P2 0 xF9 delay p if slow 0 按下按钮 slow 电机减速 delay 1000 减速按键防抖 if slow 0 p p 5 if fast 0 按下按钮 fast 电机加速 delay 1000 减速按键防抖 if fast 0 p p 5 if p 0 限制 p 为正整数 p 5 else 当长按下按钮 FR 时步进电机反向转动 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 18 P2 0 xF3 delay p P2 0 xF9 delay p P2 0 xFc delay p P2 0 xF6 delay p 程序说明 当系统上电以后 单片机开始工作 输出控制信号 步进电机则按照 预定的转速转向旋转 当长按下按键 FR 后电机反相转动 当按下按键 slow 后步进电 机减速转动 按下按键 fast 后步进电机加速转动 4 4 驱动系统总电路电路及说明 按照以上思路 驱动系统最终的驱动过程如下 电路上电后 单片机开始运行 运行已经烧录至单片机内的程序 由于程序中已经安排好控制信号的输出方式 单片 机就按照此方式将控制信号输出至 ULN2003A 控制信号经过 ULN2003A 芯片的信号反相 功率放大后 自 ULN2003A 芯片的输出 接口输出至步进电机 步进电机收到控制信号后开始工作 过程中 按键开关开关实时对步进电机的转向 控制进行控制 长按 FR 开关后 步进电机反方向转动 松开 FR 开关后 步进电机正转 按下 slow 开关 步进电机减 速 按下 fast 开关 步进电机减速 以下图 4 7 为实现以上功能所需要的电路原理图 及电路原理图各个元件在电路 中的具体功能作用 如表 4 3 并且按照电路图连接出了实际电路 如图 4 8 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 19 图 4 7 驱动系统电路原理图 表 4 3 驱动系统电路原理图电路元件作用说明 名称参数作用 电阻 R1 10K 提供复位电平 电阻 R2 R3 R4 10K 限流 极性电容 10uF 提供复位电流 按键开关 FR控制电机正反转 按键开关 slow控制电机减速 按键开关 fast控制电机加速 电容 C1 C2 30pF 提高晶振的稳定性能和抗干扰能力 电容 C1 C2 30pF 提高晶振的稳定性能和抗干扰能力 晶振 12MHz 为单片机提供工作频率 电阻 R5 R6 R7 R8 10K 上拉电阻 单片机 80C51输出控制信号 接收控制信号 电阻 R9 R10 R11 R12 5 1K 分压保护步进电机 芯片 ULN2003A为步进电机提供稳定的驱动信号 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 20 图 4 8 驱动系统实际电路 1 单片机最小系统 如图 4 9 所示 单片机最小系统位单片机可以正常工作的最少元 件组成的系统 Reset 管脚接复位电路 高电平复位 工作过程是 当系统上电时 极性电容充电 Reset 管脚为高电平 过后 电容充电完毕 Reset 管脚恢复低电 平 停止复位 XTAL1 与 XTAL2 管脚接晶振 EA 管脚加高电平 表示单片机寻址地 址为内置储存器 图 4 9 单片机最小系统 接 Vcc 接 Gnd 80C51 步进电机 ULN2003A 12MHz 晶振 复位电路 复位开关 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 21 2 按键开关部分 如图 4 7 及图 4 10 所示 三条开关线路分别与单片机 P1 0 P1 1 P1 2 管脚相连 使得三个管脚常态为高电平 当按键开关按下时 单 片机检测到这三个管脚电平为低电平 根据程序 对输出信号进行控制 图 4 10 按键开关部分 3 驱动芯片部分 如图 4 11 及图 4 7 所示 输入端分别连接 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 管脚 输出分别连接步进电机蓝 粉 黄 橙导线 由于 负载过大 此处必须加上 5 个阻值为 10K 的上拉电阻 图 4 11 驱动芯片部分 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 22 驱动系统硬件的焊接与调试 由于实际电路的制作是一个复杂动手的过程 对于本人专业来讲相对较为陌生 按照理论电路图焊接出来的电路也许会在很不起眼的地方出现各种小错误而导致整个 电路不能正常工作 在电路的焊接过程中要注意的地方有很多 必须严格按照焊接的 程序 以防止最后返工时错误过多而浪费时间和精力 但是 无论多么小心的焊接电路 一次成功几乎是不可能的 在连接好电路为了 防止元件烧坏 以及排除其他可以排除的错误 不得不对电路进行测试 以判断错误 的位置 5 1 电路的焊接 本电路的焊接采用锡焊 采用锡铅焊料进行焊接的称为锡铅焊 简称锡焊 其机 理是 在锡焊的过程中将焊料 焊件与铜箔在焊接热的作用下 焊件与铜箔不熔化 焊料熔化并湿润焊接面 依靠焊件 铜箔两者问原子分子的移动 从而引起金属之间 的扩散形成在铜箔与焊件之间的金属合金层 并使铜箔与焊件连接在一起 就得到牢 固可靠的焊接点 焊接时 要保证每个焊点焊接牢固 接触良好 要保证焊接质量 好的焊点应是锡点光亮 圆滑而无毛刺 锡量适中 锡和被焊物融合牢固 不应有虚 焊和假焊 虚焊是焊点处只有少量锡焊住 造成接触不良 时通时断 假焊是指表面 上好像焊住了 但实际上并没有焊上 有时用手一拨 元件就从焊点中拔出 这两种 情况将给电子制作的调试和检修带来极大的困难 焊接电路板时 一定要控制好时间 太长 电路板将被烧焦 或造成铜箔脱落 从电路板上拆卸元件是 可将电烙铁头贴在焊点上 待焊点上的锡熔化后 将元件拔 出 对焊点的基本要求 1 焊点要有足够的机械强度 保证被焊件在受振动或冲击时不致脱落 松动 不 能用过多焊料堆积 这样容易造成虚焊 焊点与焊点的短路 2 焊接可靠 具有良好导电性 必须防止虚焊 虚焊是指焊料与被焊件表面没有 形成合金结构 只是简单地依附在被焊金属表面上 3 焊点表面要光滑 清洁 焊点表面应有良好光泽 不应有毛刺 空隙 无污垢 尤其是焊剂的有害残留物质 要选择合适的焊料与焊剂 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 23 5 2 电路的检查与调试 由于初学单片机等相关内容 而且在平时学习中有关电路连接的练习与实习较少 在实际操作中会有各种错误和失误出现 导致系统不能正常工作 因此 在系统上电 前和系统不能正常工作的时候 必须对系统进行相应的调试 调试步骤如下 上电前使用万用表检查 1 按照原理图检查线路是否存在短路 短路 2 按照原理图检查极性电容等记性元件的正负极是否反接 3 按照原理图检查按键开关是否有错误 如果上电前排除错误 上电后系统仍然不能正常工作 则测试单片机和 ULN2003A 是否能正常工作 将如下程序写入单片机 include sbit a3 P1 3 sbit a4 P1 4 sbit a5 P1 5 sbit a6 P1 6 sbit a7 P1 7 sbit b0 P2 0 sbit b1 P2 1 sbit b2 P2 2 sbit b3 P2 3 sbit b4 P2 4 sbit b5 P2 5 sbit b6 P2 6 sbit b7 P2 7 sbit c1 P3 1 sbit c2 P3 2 sbit c3 P3 3 sbit c4 P3 5 sbit c5 P3 5 sbit c6 P3 6 sbit c7 P3 7 void main P0 0 x00 a3 0 a4 1 a5 0 a6 1 a7 0 b0 1 b1 0 b2 1 b3 0 b4 1 b5 0 b6 1 b7 0 b0 1 c1 0 c2 1 c3 0 80C51 单片机驱动步进电动机的系统 24 c4 1 c5 0 c6 1 c7 0 以上程序定义了单片机 I O 接口 P1 P2 P3 各个接口的输出电平的高低 O 为低电平 1 为高电平 将单片机嵌入工作电路 上电后使用万用表测量单片机检 测各个 I O 接口的高低电平是否和定义相符 相符则证明单片机工作正常 将单片机调试正常后 在工作电路上电的情况下检测 ULN2003A 与单片机相连的四 个管脚电平以及相应的输出管脚的电平 若输入输出电平都与测试程序相符 则 ULN2003A 芯片工作正常 若单片机工作正常 但与 ULN2003 相连的单片机管脚电压过低 原因是 ULN2003 芯片负载过大 则考虑加上拉电阻 增加芯片的驱动能力 第 6