基于单片机系统的步进电机驱动stc单片机步进电机驱动器的设计及c语言程序

基于单片机系统的步进电机驱动stc单片机步进电机驱动器的设计及c语言程序内容摘要：

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35 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 35 所示。 图 35 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。 6 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 ULN2020A 极电极开路驱动芯片等。 由于 ULN2020A 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，以及其对单片机的专用性。 本课题选择 ULN2020A 驱动芯片 图 36 ULN2020 逻辑图 图 37 ULN2020 内部电路图 由图 3图 37 可知， ULN2020A 其本质是一个基于三极管的非门电路芯片。 在驱动过程中， ULN2020 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。 第 4 章 驱动系统硬件组成及具体驱动方案分析 关于 80C52 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。 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 80C52 单片机。 该系列单片机是采 用高性能的静态 80C52 设计，由先进 CMOS 工艺制造，并带有非易失 7 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。 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。 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 6．串行口 7．时钟电路 8．中断系统 9．外接晶体引脚 图 41 80C52 单片机管脚图 图 42 80C52 单片机工作系统图 单片机管脚如图 41 所示，下面对其各个管脚进行必要的说明。 8 P0、 P P 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。 P P 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。 ： RXD（串行口输入）； ： TXD（串行口输出）； ：外部中 断 0 输入； ：外部中断 1 输入； ： T0（定时器 0 的外部输入）； ： T1（定时器 1 的外部输出）； ：（片外数据存储器“写”选通控制输出）； ：（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。 驱动系统总体结构 9 图 43 驱动系统硬件结构 由图 43 可知，本系统通过计算机设定步进电机的运行速度，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。 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。 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。 步进电机的控制信号 图 44 28BYJ48 型步进电机接线指示图 表 41 步进电机输入信号分布表 连线序号 导线颜色 分配顺序 1 2 3 4 5 红 + + + + 4 橙 + + — — 3 黄 + — — + 2 粉 — — + + 1 蓝 — + + — 如图 44 所示， 28BYJ48 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 41 所示。 以此时序，按照一定的频率，步进电机就可稳定地转动。 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 ULN2020A 驱动芯片。 10 图 45 ULN2020 电路图（含负载） 由图 45 所示， ULN2020A 本质为达林顿管，其中 Q1， Q2， R2， R3 本质为以放大倍 15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，即芯片的信号输出端为低电平，因此 ULN2020A 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 ULN2020A 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。 单片机控制信号的输出 考虑到步进电机正常工 作所需要的时序分布以及 ULN2020A 的反相所用，单片机的输出信号以及相应的输出端口如表 42 所示。 为了实际电路中连线方便，信号输出端口为 ， ， 口。 表 42 单片。