基于AVR单片机的步进电机控制

1、第 19卷 第 2期 沈 阳 化 工 学 院 学 报V ol 19, No 22005. 6JOU RNA L OF SHENYA NG INST I T U T E O F CHEM ICA L T ECHN OLO GY Jun. 2005文章编号 : 1004-4639(2005 02-0126-03基于 AVR 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 110142摘 要 : 对 A VR 单片机 AT 90S8515进行编程 , 实现 对 35BY J46型四相八拍 步进电机 的控制 , 以 达到精确定位 的目的 . 使 AT 90S8515单片 机并行

2、口 C 口高四位 PC7PC4分别 与驱动 接口 芯片 UL N 2803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 口高 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 : T P 368 1 文献标识码 : A 收稿日期 : 2004-09-22, , , 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的 执行

3、 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 1.AT90S8515单 片 机 是 ATM EL 公 司 在 AT89系列单片机基础 上开发出的一种 采用精 简指令集 (RISC 的新型 AVR 单片机 , 它是用一 个时钟周期执行一条指令 , 因此 , 可以每 MHz 实 现 1M IPS 的 处 理 能 力 2. 采 用 冗 余 指 令 集 (CISC 的传统单片机 MC

4、S 51每 12个时钟周期 才能处理一条指令 , 因此 , 在相同的晶振驱动下 AVR 单 片机要 比 MCS 51单 片机快 12倍 , 且 AVR 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 AVR 单 片机的步进电机控制系统在控制精度和抗干扰 方面比 51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3546BYJ46型四相八拍永磁式步进电机 , 其工作 电压为直流 12V, 单片机用 AT90S8515, 并配以 时钟电路、

5、看门狗 复位电路等 . 系统驱动电路 由专用驱动芯片 ULN2803与外部分 立元器件 组合而成 . 由 AVR 单片机 AT 90S8515产生的脉 冲信号按照 35BYJ46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 .图 1 工作原理框图AVR 单片机 AT 90S8515共 有 4个 并行 8位口 , A 口、 B 口、 C 口、 D 口 . 由于 AT90S8515需 要用 +5V 直流电压供电 , 每个并行口引脚输出 最大 电 压 不 超 过 5V

6、, 输 出 电 流 最 大 为 20mA 3, 但 35BYJ46型 四相八拍 电机需要 12V 直流电压供电 , 因此 , 从 AT90S8515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 ULN2803. 步进电机控制系统中 将 AT90S8515C 口的高四位 PC4-PC7与驱动 电路接口芯片 ULN2803的 A 、 B 、 C 、 D 四个引脚 相连 , 经 U LN2803驱动放大后输出到 35BYJ46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 +12V 相连 . 电路连接如图 2所示 .图 2 电

7、路连接图实验所用的步进电机为 35BYJ46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 35BY J46型步进 电机技术数据物理量 技术指标相数 4直流电压 12V 电流 92mA 电阻 130 步钜角 7 5! 空载牵出频率 800脉冲 /S 空载牵入频率500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 . 35BYJ46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

8、流电源 +12V. 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 +12V 高电平 , 而 4号引脚为低电平 0V, 其余引脚都为高电平 , 因此 , 在 1号励磁线圈 表 2 励磁顺序及引脚电压引脚 拍序0拍 1拍 2拍 3拍 4拍 5拍 6拍 7拍 5+4-3-2-1- 35BYJ46型四相八拍

9、步进电机正序运转一 个周期的步序 , 即励磁线圈引脚 4 43 3 32 2 21 1 41依次分别为 0V 时 , 电机正序 运转一个周期 . 由于励磁线圈的 4-1号引脚受 AT90S8515单 片机的并行口 PC7-PC4控 制 , 当 PC7-PC4输出为 1 时 , 相应的步进电机励 磁线圈的引脚为 +12V; 当 PC4-PC7输 出为 0 时 , 相应的步进电机励磁线圈的引脚为 0V. 表 3列举出 AT 90S8515单片机 C 口输出值与步 进电机步序的关系 .表 3 电机步序值步序 PC7PC6PC5PC4对应 C 口输出值0000110H 1001130H 2001020

10、H 3011060H 4010040H 51100C0H 6100080H 71109H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 AT90S8515C 口按 照步序 0#7依次输出 10H 至 09H, 当进行逆序 旋转时 C 口 应按照步序由 7#1依次输出 09H 至 10H.2 步进电机控制程序的设计通过用 AT90S8515单片 机对 35BYJ46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

11、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 , , 127第 2期 安然然 , 等 :基于 A VR 单片 机的步进电机控制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 :; * ; t=1 uncircle turn ; T=1逆时针转 * ; t=0 circle turn ; T=0顺时针转 * ; 96step a turn * ; TStep is time of a step; * ; * ;

12、 turn:brts uncircle ; 判转向inc np ; t=0正转cpi np, 8brne nex tclr npnex t:push zl ; 电机步序指针add zl, nplpmout portc, r0 ; AT90S8515单片机向电机 发送步序pop zlrcall delay ; 调用延时使 AT90S8515单 片机等待步进电机dec stepbrne turnretuncircle: ; t=1反转dec npcpi np, $ffbrne nex tldi np, $07 ; 由第 7步开始运转直到第 1步rjm p nex t. org turntab; 0

13、 1 2 3 4 5 6 7 ; 步进电机旋 转资料表. db 0x10, 0x30, 0x20, 0x60, 0x40, 0xc0, 0x 80, 0x093 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 . AVR 单片机是采用精简指令集的新型单片机 , 基于 AVR 单片机 AT 90S8515的步进电机控制 与早期的采用冗余指令集 M CS 51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 MCS 51单片机由于 运算速度慢、 功耗大等缺点使得产品成本较高 . AVR 单片机在控

14、制领域即仪器仪表领域中正逐 步取代 M CS 51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 VR 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 , 2001. 2.2 丁化成 , 耿德 根 , 李君 凯 . AVR 单 片机 设计 M . 北京 :北京航空航天大学出版社 , 2002. 5.3 李勋 , 耿德根 . A VR 单片机应用技术 M . 北 京 :北 京航空航天大学出版社 , 2002. 6.Control of 35BYJ 46Series Stepping MotorBased on AVR Micr

15、ochip ComputerAN Ran ran, N IE Xin(Shenyang Institute of Chemical Technolog y, Shenyang 110142, ChinaAbstract: The introduction to this text carries on programming w ith AVR m icrochip AT90S8515and it realizes to control 35BYJ46series stepping motor in order to achieve the accurate purpose that makes a reservation. Connect the high four bit of AT90S8515 s port C w ith drive interface chip ULN2803 s four input pins A, B, C, D and the output pins of ULN2803connect w ith the four input pins of the series step ping motor. M aking program to the chip then the data out o