詳解51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)

ID:91350 · 發(fā)表于 2015-10-3 01:11

　　接觸單片機(jī)快兩年了，不過只是非常業(yè)余的興趣，實(shí)踐卻不多，到現(xiàn)在還算是個(gè)初學(xué)者吧。這幾天給自己的任務(wù)就是搞定步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制。以前曾看過有關(guān)步進(jìn)電機(jī)原理和控制的資料，畢竟自己沒有做過，對其具體原理還不是很清楚。今天從淘寶上買了一個(gè)EPSON的UMX-1型步進(jìn)電機(jī)，此步進(jìn)電機(jī)為雙極性四相（后來才知道，四相和兩相步進(jìn)沒什么區(qū)別的！！），接線共有六根，外形如下圖所示：

拿到步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)以前看書對四相步進(jìn)電機(jī)的了解，我對它進(jìn)行了初步的測試，就是將5伏電源的正端接上最邊上兩根褐色的線，然后用5伏電源的地線分別和另外四根線（紅、蘭、白、橙）依次接觸，發(fā)現(xiàn)每接觸一下，步進(jìn)電機(jī)便轉(zhuǎn)動一個(gè)角度，來回五次，電機(jī)剛好轉(zhuǎn)一圈，說明此步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為360/(4×5)＝18度。地線與四線接觸的順序相反，電機(jī)的轉(zhuǎn)向也相反。

如果用單片機(jī)來控制此步進(jìn)電機(jī)，則只需分別依次給四線一定時(shí)間的脈沖電流，電機(jī)便可連續(xù)轉(zhuǎn)動起來。通過改變脈沖電流的時(shí)間間隔，就可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制；通過改變給四線脈沖電流的順序，則可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向的控制。所以，設(shè)計(jì)了如下電路圖：

C51程序代碼為：
代碼一
#include <AT89X51.h>
static unsigned int count;
static unsigned int endcount;
void delay();
void main(void)
{
count = 0;
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
EA = 1;          //允許CPU中斷
TMOD = 0x11; //設(shè)定時(shí)器0和1為16位模式1
ET0 = 1;             //定時(shí)器0中斷允許
TH0 = 0xFC;
TL0 = 0x18;    //設(shè)定時(shí)每隔1ms中斷一次
TR0 = 1;          //開始計(jì)數(shù)
startrun:

P1_3 = 0;
P1_0 = 1;
delay();
P1_0 = 0;
P1_1 = 1;
delay();
P1_1 = 0;
P1_2 = 1;
delay();
P1_2 = 0;
P1_3 = 1;
delay();
goto startrun;
}
//定時(shí)器0中斷處理
void timeint(void) interrupt 1
{
TH0=0xFC;
TL0=0x18; //設(shè)定時(shí)每隔1ms中斷一次
count++;
}
void delay()
{
endcount=2;
count=0;
do{}while(count<endcount);
}

　　將上面的程序編譯，用ISP下載線下載至單片機(jī)運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)便轉(zhuǎn)動起來了，初步告捷！
　　不過，上面的程序還只是實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的初步控制，速度和方向的控制還不夠靈活，另外，由于沒有利用步進(jìn)電機(jī)內(nèi)線圈之間的“中間狀態(tài)”，步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為18度。二手步進(jìn)電機(jī)的要注意，有些退磁比較嚴(yán)重，這個(gè)店還是比較好的，加到12V，步進(jìn)的力氣很大，用手?jǐn)Q不住！呵呵，算是幫這個(gè)店做個(gè)廣告了O(∩_∩)O~所以，我將程序代碼改進(jìn)了一下，如下：
代碼二
#include <AT89X51.h>
static unsigned int count;
static int step_index;
void delay(unsigned int endcount);
void gorun(bit turn, unsigned int speedlevel);
void main(void)
{
count = 0;
step_index = 0;
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;

EA = 1;             //允許CPU中斷
TMOD = 0x11; //設(shè)定時(shí)器0和1為16位模式1
ET0 = 1;          //定時(shí)器0中斷允許
TH0 = 0xFE;
TL0 = 0x0C; //設(shè)定時(shí)每隔0.5ms中斷一次
TR0 = 1;       //開始計(jì)數(shù)
do{
   gorun(1,60);
}while(1);
}
//定時(shí)器0中斷處理
void timeint(void) interrupt 1
{
TH0=0xFE;
TL0=0x0C; //設(shè)定時(shí)每隔0.5ms中斷一次
count++;
}
void delay(unsigned int endcount)
{
count=0;
do{}while(count<endcount);
}
void gorun(bit turn,unsigned int speedlevel)
{
switch(step_index)
{
case 0:
   P1_0 = 1;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 0;
   break;
case 1:
   P1_0 = 1;
   P1_1 = 1;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 0;
   break;
case 2:
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 1;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 0;
   break;
case 3:
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 1;
   P1_2 = 1;
   P1_3 = 0;
   break;
case 4:
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 1;
   P1_3 = 0;
   break;
case 5:
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 1;
   P1_3 = 1;
   break;
case 6:
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 1;
   break;
case 7:
   P1_0 = 1;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 1;
}
delay(speedlevel);
if (turn==0)
{
   step_index++;
   if (step_index>7)
   step_index=0;
}
else
{
   step_index--;
   if (step_index<0)
   step_index=7;
}

}
　　改進(jìn)的代碼能實(shí)現(xiàn)速度和方向的控制，而且，通過step_index靜態(tài)全局變量能“記住”步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)位置，下次調(diào)用 gorun（）函數(shù)時(shí)則可直接從上次步進(jìn)位置繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確步進(jìn)；另外，由于利用了步進(jìn)電機(jī)內(nèi)線圈之間的“中間狀態(tài)”，步進(jìn)角度減小了一半，只為9度，低速運(yùn)轉(zhuǎn)也相對穩(wěn)定一些了。
　　但是，在代碼二中，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制是在主函數(shù)中，如果程序還需執(zhí)行其它任務(wù)，則有可能使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)收到影響，另外還有其它方面的不便，總之不是很完美的控制。所以我又將代碼再次改進(jìn)：
代碼三
#include <AT89X51.h>
static unsigned int count; //計(jì)數(shù)
static int step_index; //步進(jìn)索引數(shù)，值為0－7
static bit turn; //步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向
static bit stop_flag; //步進(jìn)電機(jī)停止標(biāo)志
static int speedlevel; //步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，數(shù)值越大速度越慢，最小值為1，速度最快
static int spcount; //步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)計(jì)數(shù)
void delay(unsigned int endcount); //延時(shí)函數(shù)，延時(shí)為endcount*0.5毫秒
void gorun();          //步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)函數(shù)
void main(void)
{
count = 0;
step_index = 0;
spcount = 0;
stop_flag = 0;
P1_0 = 0;
P1_1 = 0;
P1_2 = 0;
P1_3 = 0;
EA = 1;          //允許CPU中斷
TMOD = 0x11; //設(shè)定時(shí)器0和1為16位模式1
ET0 = 1;          //定時(shí)器0中斷允許
TH0 = 0xFE;
TL0 = 0x0C; //設(shè)定時(shí)每隔0.5ms中斷一次
TR0 = 1;       //開始計(jì)數(shù)
turn = 0;
speedlevel = 2;
delay(10000);
speedlevel = 1;
do{
   speedlevel = 2;
   delay(10000);
   speedlevel = 1;
   delay(10000);
   stop_flag=1;
   delay(10000);
   stop_flag=0;
}while(1);
}
//定時(shí)器0中斷處理
void timeint(void) interrupt 1
{
TH0=0xFE;
TL0=0x0C; //設(shè)定時(shí)每隔0.5ms中斷一次
count++;
spcount--;
if(spcount<=0)
{
   spcount = speedlevel;
   gorun();
}
}
void delay(unsigned int endcount)
{
count=0;
do{}while(count<endcount);
}
void gorun()
{
if (stop_flag==1)
{
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 0;
   return;
}

switch(step_index)
{
case 0: //0
   P1_0 = 1;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 0;
   break;
case 1: //0、1
   P1_0 = 1;
   P1_1 = 1;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 0;
   break;
case 2: //1
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 1;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 0;
   break;
case 3: //1、2
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 1;
   P1_2 = 1;
   P1_3 = 0;
   break;
case 4: //2
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 1;
   P1_3 = 0;
   break;
case 5: //2、3
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 1;
   P1_3 = 1;
   break;
case 6: //3
   P1_0 = 0;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 1;
   break;
case 7: //3、0
   P1_0 = 1;
   P1_1 = 0;
   P1_2 = 0;
   P1_3 = 1;
}
if (turn==0)
{
   step_index++;
   if (step_index>7)
   step_index=0;
}
else
{
   step_index--;
   if (step_index<0)
   step_index=7;
}

}
　　在代碼三中，我將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制放在時(shí)間中斷函數(shù)之中，這樣主函數(shù)就能很方便的加入其它任務(wù)的執(zhí)行，而對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不產(chǎn)生影響。在此代碼中，不但實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，另外還加了一個(gè)停止的功能，呵呵，這肯定是需要的。
　　步進(jìn)電機(jī)從靜止到高速轉(zhuǎn)動需要一個(gè)加速的過程，否則電機(jī)很容易被“卡住”，代碼一、二實(shí)現(xiàn)加速不是很方便，而在代碼三中，加速則很容易了。在此代碼中，當(dāng)轉(zhuǎn)速參數(shù)speedlevel 為2時(shí)，可以算出，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500RPM，而當(dāng)轉(zhuǎn)速參數(shù)speedlevel 1時(shí)，轉(zhuǎn)速為3000RPM。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)停止，如果直接將speedlevel 設(shè)為1，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)將被“卡住”，而如果先把speedlevel 設(shè)為2，讓電機(jī)以1500RPM的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)起來，幾秒種后，再把speedlevel 設(shè)為1，此時(shí)電機(jī)就能以3000RPM的轉(zhuǎn)速高速轉(zhuǎn)動，這就是“加速”的效果。
　　在此電路中，考慮到電流的緣故，我用的NPN三極管是S8050，它的電流最大可達(dá)1500mA，而在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，我用萬用表測了一下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500RPM時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的電流只有90mA左右，電機(jī)發(fā)熱量較小，當(dāng)轉(zhuǎn)速為60RPM時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的電流為200mA左右，電機(jī)發(fā)熱量較大，所以NPN三極管也可以選用9013，對于電機(jī)發(fā)熱量大的問題，可加一個(gè)10歐到20歐的限流電阻，不過這樣步進(jìn)電機(jī)的功率將會變小。

　　由于在下淺薄，錯(cuò)誤和問題難免，請各位不吝賜教！

ID:100564 · 發(fā)表于 2015-12-26 09:47

樓主會用匯編語言嗎？

ID:99525 · 發(fā)表于 2015-12-27 14:57

步進(jìn)電機(jī)的控制還是需要技巧的，跟直流電機(jī)完全不一樣

ID:107524 · 發(fā)表于 2016-3-6 08:20

樓主可以詳細(xì)解釋電機(jī)實(shí)物圖與線圖嗎

ID:128458 · 發(fā)表于 2016-6-29 15:05

好資料，51黑有你更精彩!!!

ID:127936 · 發(fā)表于 2016-6-30 18:13

圖片有點(diǎn)不清晰哎！

ID:255421 · 發(fā)表于 2017-12-1 11:31

51黑有你更精彩!

ID:253733 · 發(fā)表于 2017-12-1 12:50

很好，受教了，共同學(xué)習(xí)。

ID:268118 · 發(fā)表于 2018-1-11 02:10

感謝樓主的分享。

ID:265553 · 發(fā)表于 2018-1-14 07:50

好資料，51黑有你更精彩

ID:269211 · 發(fā)表于 2018-1-26 23:26

好資料，51黑有你更精彩!!!

ID:74244 · 發(fā)表于 2018-1-28 14:32

不錯(cuò)的！謝謝！

ID:279940 · 發(fā)表于 2018-2-5 15:22

最近剛開始準(zhǔn)備做點(diǎn)小東西，初步計(jì)劃先整合步進(jìn)電機(jī)和超聲測距報(bào)警器，
1）用步進(jìn)電機(jī)控制小車前進(jìn)，
2）距離障礙物一定距離時(shí)（如10cm)停下，
3）然后向反方向運(yùn)動
4）距障礙物10cm再停下，再反方向
。。。。
所以，正在學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)相關(guān)內(nèi)容和程序。本貼對我有很大的幫助，非常感謝。

有個(gè)小問題，怎么有的教材里通過對P1的第四位賦值來實(shí)現(xiàn)角度的轉(zhuǎn)動呢？和該貼有什么不同嗎？
請大家不吝指教。謝謝啦~

ID:304162 · 發(fā)表于 2018-5-16 14:18

受益匪淺

ID:320751 · 發(fā)表于 2018-6-17 19:06

很詳細(xì) 謝謝分享

ID:501595 · 發(fā)表于 2019-3-31 12:23

非常好。試了下

ID:643751 · 發(fā)表于 2020-2-18 22:32

很不錯(cuò) 還沒研究步進(jìn)電機(jī) 不過看完之后有了一些印象方便以后

ID:298008 · 發(fā)表于 2020-2-19 15:42

謝謝樓主分享！！！！

ID:391355 · 發(fā)表于 2020-3-15 16:28

樓主好樣的

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