2020年02月19日 | 详解51单片机控制步进电机

　　接触单片机快两年了，不过只是非常业余的兴趣，实践却不多，到现在还算是个初学者吧。这几天给自己的任务就是搞定步进电机的单片机控制。以前曾看过有关步进电机原理和控制的资料，毕竟自己没有做过，对其具体原理还不是很清楚。今天从淘宝上买了一个EPSON的UMX-1型步进电机，此步进电机为双极性四相（后来才知道，四相和两相步进没什么区别的！！），接线共有六根，外形如下图所示：


拿到步进电机，根据以前看书对四相步进电机的了解，我对它进行了初步的测试，就是将5伏电源的正端接上最边上两根褐色的线，然后用5伏电源的地线分别和另外四根线（红、兰、白、橙）依次接触，发现每接触一下，步进电机便转动一个角度，来回五次，电机刚好转一圈，说明此步进电机的步进角度为360/(4×5)＝18度。地线与四线接触的顺序相反，电机的转向也相反。


如果用单片机来控制此步进电机，则只需分别依次给四线一定时间的脉冲电流，电机便可连续转动起来。通过改变脉冲电流的时间间隔，就可以实现对转速的控制；通过改变给四线脉冲电流的顺序，则可实现对转向的控制。所以，设计了如下电路图：






C51程序代码为：
代码一
#include  
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;             //允许CPU中断 
TMOD = 0x11; //设定时器0和1为16位模式1 
ET0 = 1;              //定时器0中断允许 
TH0 = 0xFC; 
TL0 = 0x18;       //设定时每隔1ms中断一次 
TR0 = 1;            //开始计数
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;
} 
//定时器0中断处理 
void timeint(void) interrupt 1 
{ 
TH0=0xFC; 
TL0=0x18; //设定时每隔1ms中断一次
count++;
}
void delay()
{
endcount=2;
count=0;
do{}while(count}

　　将上面的程序编译，用ISP下载线下载至单片机运行，步进电机便转动起来了，初步告捷！

　　不过，上面的程序还只是实现了步进电机的初步控制，速度和方向的控制还不够灵活，另外，由于没有利用步进电机内线圈之间的“中间状态”，步进电机的步进角度为18度。 二手步进电机的要注意，有些退磁比较严重，这个店还是比较好的，加到12V，步进的力气很大，用手拧不住！呵呵，算是帮这个店做个广告了O(∩_∩)O~所以，我将程序代码改进了一下，如下：

代码二
#include  
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;              //允许CPU中断 
TMOD = 0x11; //设定时器0和1为16位模式1 
ET0 = 1;             //定时器0中断允许 
TH0 = 0xFE; 
TL0 = 0x0C; //设定时每隔0.5ms中断一次 
TR0 = 1;          //开始计数
do{
     gorun(1,60);
}while(1);
} 
//定时器0中断处理 
void timeint(void) interrupt 1 
{ 
TH0=0xFE; 
TL0=0x0C; //设定时每隔0.5ms中断一次
count++;
}
void delay(unsigned int endcount)
{
count=0;
do{}while(count}
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;
}
     
}
　　改进的代码能实现速度和方向的控制，而且，通过step_index静态全局变量能“记住”步进电机的步进位置，下次调用 gorun（）函数时则可直接从上次步进位置继续转动，从而实现精确步进；另外，由于利用了步进电机内线圈之间的“中间状态”，步进角度减小了一半，只为9度，低速运转也相对稳定一些了。

　　但是，在代码二中，步进电机的运转控制是在主函数中，如果程序还需执行其它任务，则有可能使步进电机的运转收到影响，另外还有其它方面的不便，总之不是很完美的控制。所以我又将代码再次改进：

代码三
#include  
static unsigned int count; //计数
static int step_index; //步进索引数，值为0－7
static bit turn; //步进电机转动方向
static bit stop_flag; //步进电机停止标志
static int speedlevel; //步进电机转速参数，数值越大速度越慢，最小值为1，速度最快
static int spcount;    //步进电机转速参数计数
void delay(unsigned int endcount); //延时函数，延时为endcount*0.5毫秒
void gorun();           //步进电机控制步进函数
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;             //允许CPU中断 
TMOD = 0x11; //设定时器0和1为16位模式1 
ET0 = 1;            //定时器0中断允许 
TH0 = 0xFE;
TL0 = 0x0C;    //设定时每隔0.5ms中断一次
TR0 = 1;          //开始计数
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);
} 
//定时器0中断处理 
void timeint(void) interrupt 1 
{ 
TH0=0xFE;
TL0=0x0C; //设定时每隔0.5ms中断一次
count++;
spcount--;
if(spcount<=0)
{
     spcount = speedlevel;
     gorun();
}
}
void delay(unsigned int endcount)
{
count=0;
do{}while(count}
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;
}
     
}
　　在代码三中，我将步进电机的运转控制放在时间中断函数之中，这样主函数就能很方便的加入其它任务的执行，而对步进电机的运转不产生影响。在此代码中，不但实现了步进电机的转速和转向的控制，另外还加了一个停止的功能，呵呵，这肯定是需要的。

　　步进电机从静止到高速转动需要一个加速的过程，否则电机很容易被“卡住”，代码一、二实现加速不是很方便，而在代码三中，加速则很容易了。在此代码中，当转速参数speedlevel 为2时，可以算出，此时步进电机的转速为1500RPM，而当转速参数speedlevel 1时，转速为3000RPM。当步进电机停止，如果直接将speedlevel 设为1，此时步进电机将被“卡住”，而如果先把speedlevel 设为2，让电机以1500RPM的转速转起来，几秒种后，再把speedlevel 设为1，此时电机就能以3000RPM的转速高速转动，这就是“加速”的效果。

　　在此电路中，考虑到电流的缘故，我用的NPN三极管是S8050，它的电流最大可达1500mA，而在实际运转中，我用万用表测了一下，当转速为1500RPM时，步进电机的电流只有90mA左右，电机发热量较小，当转速为60RPM时，步进电机的电流为200mA左右，电机发热量较大，所以NPN三极管也可以选用9013，对于电机发热量大的问题，可加一个10欧到20欧的限流电阻，不过这样步进电机的功率将会变小。