2021年10月20日 | 【自学51单片机】9 -- 步进电机原理、蜂鸣器原理，单片机IO

【自学51单片机】9 -- 步进电机原理、蜂鸣器原理，单片机IO口的结构，上下拉电阻

1、单片机IO口的结构

单片机IO口有四种结构：准双向IO，开漏输出、强推挽输出和高阻态输出。内部结构如下图。

T1和T2为MOS管，靠电压导通的原件。（1）准双向IO口特点：内部输出为1，才能正常读取外部信号。（2）开漏输出特点：必须外加上拉电阻，不然单片机IO电平是个不确定的态。（3）强推挽输出特点：可输出或输入高电流，驱动能力强。（4）强阻态特点：状态取决与外部输入。 标准51单片机P0默认开漏输出。

2、上下拉电阻

上下拉电阻：上拉电阻就是将不确定的信号通过一个电阻拉到高电平，同时此电阻也起限流作用，下拉电阻同理。

上拉电阻的应用：（1）OC门(开漏输出中，三极管的集电极)要输出高电平，外部必须加上拉电阻（2）加大普通IO口的驱动能力（3）起到限流的作用（4）抵抗电磁干扰

电路设计中如何选择上下拉电阻阻值：（1）从降低功耗方面考虑应该足够大，因为电阻越大，电流越小。（2）从确保足够的引脚驱动能力考虑应该足够小，电阻越小，电流才能越大。（3）开漏输出时，过大的上拉电阻会导致信号上升沿变缓，解释：电平变化需要时间，开漏输出时，上拉电阻的大小直接影响电平上升的时间，如下图所示。

3、电机

3.1 电机分类

从用途角度分为： 驱动类电机和控制类电机。直流电机属于驱动类电机，这种电机是将电能转换成机械能，应用在电风扇、洗衣机等。步进电机属于控制类电机，它是将脉冲信号转换成一个转动角度的电机，应用在机器人，空调扇叶转动等。

步进电机分为：反应式、永磁式和混合式三种。(1)反应式：结构简单，成本低，性能差（2）永磁式：动态性能好，力矩较大，转动误差相对大一些。(3)混合式：动态性能好，力矩大，转动精度高。

3.2 28BYJ-48型步进电机

28BYJ-48实物如下图9-3

1、28 — 步进电机的有效最大外经28mm。

2、B — 表示是步进电机。

3、Y — 表示为永磁式。

4、J — 表示是减速型。

5、48 — 表示四相八拍

步进电机结构原理如下图9-4

标注为0~5的齿叫转子，转子是一块永磁体，上带有永久磁性。外圈的齿为定子，图片上有8个，它是固定的。每个定子都绕了线圈绕组，正对的两个定子绕组是串联在一起的，这两定子组成一相。图中一共有A-B-C-D四相。

28BYJ-48电机结构原理如下图

定子上拥有 4 相×8 组=32 个齿。

3.2 28BYJ-48电机转动原理

**原理：**由实物图和原理图可知，红线为公共端，橙，黄，粉，蓝对应A-B-C-D相，P1.0~~P1.3分别控制进步电机的A-B-C-D相，导通D相只需让P1.3输出高电平，使Q5

三极管导通，三极管基极b接地，即能导通A相。导通其他相同理，导通后对应相的定子产生磁性，就会对靠近的转子产生吸引力，使转子转动。

3.3 28BYJ-48电机工作模式

步进电机单四拍模式：单相绕组通电四节拍 。假如一开始电机为28BYJ-48电机结构原理里的状态，完成D-C-B-A依次导通后，即完成4个节拍后，转子会因为吸引力转动转过一组绕组。而每经过 1 个单拍，转子都将转过一个定子齿的角度，转一整圈就需要 4×8=32节拍。一个节拍转子转过11.25度（360/32 ），这个值叫步进角度。

步进电机八拍模式：在单四拍模式的每两个节拍之间再插入一个双绕组导通的中间节拍，比如在单独A导通和单独B导通中间加一个同时A和B导通的节拍。这样转子转一圈就需要8 x 8 = 64节拍。一个节拍转子转过5.625度，相比单四拍模式，该模式转动精度更加精准，输出力矩更大。下面看八拍模式绕组控制顺序表。

从上面表中，可以得到把八节拍下P1的低四位IO控制代码

unsigned char code BeatCode[8] = {

0xE, 0xC, 0xD, 0x9, 0xB, 0x3, 0x7, 0x6

};

3.4 步进电机启动频率

控制电机切换一次节拍需要多长时间？

这个时间由步进电机的启动频率决定，在步进电机空载下不高于启动频率就可以正常启动电机。下面见28BYJ-48电机参数表。

表中28BYJ-48电机启动频率为550.单位P.P.S,即每秒脉冲数，通过计算可以知道单个节拍持续时间应该大于1 / 500 =1.8ms即可让电机正常工作。

3.5 实际28BYJ-48电机外部转轮转一圈的情况

先见电机内部齿轮示意图9-7。

上面讲八节拍模式下转动一圈需要64节拍。实际这转动一圈指的是内部最小的齿轮转动一圈需要的节拍数，外部转轮转动一圈需要的节拍数还需要根据电机减速比参数计算。见表9-2中，28BYJ-48电机减速比为1：64。但因为该电机应用在消费领域，所以该参数表也只是给了一个近似整数的减速比1：64，一般转动角度不超过360度。这就不会导致太大误差。随着转动圈数的增多，误差会发生质变。现在通过计算实际减速比约为1：63.684。这就得出八节拍模式下外部转轮转动一圈需要约4076（64 x 63.684）节拍 。

4、综合小程序–按键控制电机转动

//综合小程序-按键控制步进电机的转动

#include

sbit keyin1 = P2^4;

sbit keyin2 = P2^5;

sbit keyin3 = P2^6;

sbit keyin4 = P2^7;

sbit keyout1 = P2^3;

sbit keyout2 = P2^2;

sbit keyout3 = P2^1;

sbit keyout4 = P2^0;

unsigned char keysta[4][4]= { //记录全部矩阵按键当前状态

{1,1,1,1}, {1,1,1,1},{1,1,1,1},{1,1,1,1}

};

unsigned char code KeyCodeMap[4][4] = { //矩阵按键编号到标准键盘键码的映射表

    { 0x31, 0x32, 0x33, 0x26 }, //数字键1、数字键2、数字键3、向上键

    { 0x34, 0x35, 0x36, 0x25 }, //数字键4、数字键5、数字键6、向左键

    { 0x37, 0x38, 0x39, 0x28 }, //数字键7、数字键8、数字键9、向下键

    { 0x30, 0x1B, 0x0D, 0x27 }  //数字键0、ESC键、  回车键、 向右键

};

signed long beats = 0;电机转动节拍总数

void KeyDriver(); //按键驱动函数

void KeyAction(unsigned char keycode);按键动作函数

void StarMotor(signed long angle);//步进电机启动函数

void StopMotor(); //步进电机停止函数

void KeyScan(); //按键扫描函数

void TurnMotor();//电机转动控制函数

void main()

{

EA = 1;//使能总中断

TMOD = 0x01;//为T0配置模式1

TH0 = 0xFC;//为T0赋初值0xFC67，定时1ms

TL0 = 0x67;

TR0 = 1;  //开启T0

ET0 = 1; //使能T0中断

while(1)

{

KeyDriver(); //调用按键驱动函数

}

}

//按键驱动函数，检测按键动作，调用相应动作函数，需要在主循环中调用

void KeyDriver()

{

unsigned char i, j;

static unsigned char backup[4][4]= { //按键值备份，保存前一次的值

{1,1,1,1}, {1,1,1,1}, {1,1,1,1}, {1,1,1,1}

};

for(i = 0; i < 4; i++) //循环检测4*4的矩阵按键

{

for(j = 0; j < 4; j++)

{

if(backup[i][j] != keysta[i][j])//检测按键动作

{

if(backup[i][j] == 0)  //按键前次值为0执行动作

{

KeyAction(KeyCodeMap[i][j]);//调用按键动作函数

}

backup[i][j] = keysta[i][j];//刷新前一次的备份值

}

}

}

}

//按键动作函数，根据键码执行相应的操作，keycode为按键键码

void KeyAction(unsigned char keycode)

{

static unsigned char dirMotor = 0; //电机转动方向

if((keycode >= 0x30) && (keycode <= 0x39))//控制电机转动1~9圈

{

if(dirMotor == 0)

{

StarMotor(360*(keycode - 0x30));

}

else

{

StarMotor(-360*(keycode - 0x30));

}

}

else if(keycode == 0x26) //向上键，控制转动方向为正转

{

dirMotor = 0;

}

else if(keycode == 0x28)//向下键，控制转动方向为反转

{

dirMotor = 1;

}

else if(keycode == 0X25)  //向左键，固定正转90度

{

StarMotor(90);

}

else if(keycode == 0x27) //向右键，固定反转90度

{

StarMotor(-90);

}

else if(keycode == 0x1B) //esc键，停止转动

{

StopMotor();

}

}

//步进电机启动函数，angle为需要转动的角度

void StarMotor(signed long angle)

{

EA = 0;

beats = (angle*4076)/360;  //实测为4076拍转动一圈

EA = 1;

}

//步进电机停止函数

void StopMotor()

{

EA = 0;

beats = 0;

EA = 1;

}

//T0中断服务函数，用于按键扫描与电机转动控制

void InterruptTimer0() interrupt 1

{

static bit div = 1;

TH0 = 0xFC; //重新加载初值

TL0 = 0x67;

KeyScan(); //执行按键扫描

//用一个静态bit变量实现二分频，即定时2ms，用于控制电机

div = ~div;

if(div == 1)

{

TurnMotor();

}

}

void KeyScan()

{

unsigned char i;

static unsigned char keyout = 0;//矩阵按键扫描输出索引

static unsigned keybuf[4][4] = { //矩阵按键扫描缓冲区

{0xFF,0xFF,0xFF,0xFF},{0xFF,0xFF,0xFF,0xFF},

{0xFF,0xFF,0xFF,0xFF},{0xFF,0xFF,0xFF,0xFF}

};

//将一行的4个按键值移入缓冲区

keybuf[keyout][0] = (keybuf[keyout][0] << 1) | keyin1;

keybuf[keyout][1] = (keybuf[keyout][1] << 1) | keyin2;

keybuf[keyout][2] = (keybuf[keyout][2] << 1) | keyin3;

keybuf[keyout][3] = (keybuf[keyout][3] << 1) | keyin4;

//消抖后更新按键状态

for (i = 0; i < 4; i++)//每行四个按键，所以循环4次

{

if( (keybuf[keyout][i] & 0x0F) == 0x00 )

{ //连续4次扫描值为零，即4*4ms内都是按下状态，可认为按键已稳定地按下

keysta[keyout][i] = 0;

}

if( (keybuf[keyout][i] & 0x0F) == 0x0F )

{ //连续4次扫描值为1，即4*4ms内都是弹起状态，可认为按键已稳定地弹起

keysta[keyout][i] = 1;

}

}

keyout++; //输出索引递增

keyout = keyout & 0x03; //索引值加到4后归零

switch(keyout)   //根据索引，释放当前输出引脚，拉低下次的输出引脚

{

case 0:keyout4 = 1; keyout1 = 0;break;

case 1:keyout1 = 1; keyout2 = 0;break;

case 2:keyout2 = 1; keyout3 = 0;break;

case 3:keyout3 = 1; keyout4 = 0;break;

default: break;

}

}

//电机控制函数

void TurnMotor()

{

unsigned char tmp;//临时变量

static unsigned char index = 0; //节拍输出索引

unsigned char code BeatCode[8] = {//步进电机节拍对应的IO控制代码

0x0E, 0x0C, 0x0D, 0x09, 0x0B, 0x03, 0x07, 0x06

};

if(beats != 0)//节拍数不为0则产生一个驱动节拍

{

if(beats > 0)//节拍数大于0时正转

{

index++; //正转时节拍输出索引递增

index = index & 0x07;//用&操作实现到8归零

beats--;//正转时节拍数递减

}

else //节拍数小于零时反转

{

index--;//正转时节拍输出索引递减

index = index & 0x07; //用&操作实现到-1时归7

beats++;//正转时节拍数递减

}

tmp = P1;//用tmp把P1口当前值暂存

tmp = tmp & 0xF0;//用&操作清空低四位

P1 = tmp | BeatCode[index];//用|操作把节拍代码写到低四位并送到P1

}

else  //节拍数为零则关闭步进电机所有相

{

P1 = 0xFF;

}

}

因为STC89C52是8位单片机，单片机操作数据时都是按8位即一个字节进行的，操作多个字节数据，无论读还是写就必须分次进行了，所以程序中计算unsigned long型变量beats时，为了防止beats变量在一个一个字节赋值时，突然进入中断，造成beats数值错误，就在进行beats变量赋值前，关闭中断，在赋值后重新打开中断，这就避免了中断的发生。

5、蜂鸣器

蜂鸣器按驱动方式分为：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，

有源蜂鸣器：内部带了振荡源，给了BUZZ引脚一个低电平，就会响

无源蜂鸣器：内部带无振荡源，要让它响要给予500Hz ~ 4.5KHzz之间的脉冲频率信号来驱动它。

下面见kst-51开发板中的蜂鸣器电路图

说明：蜂鸣器驱动电流相对较大，因此需要三极管驱动。因为蜂鸣器是感性器件，导通时蜂鸣器电流逐渐变大，关闭后需要续流二极管D4来避免蜂鸣器的电感电流造成的反向冲击。根据电路分析Buzz引脚位于P1.6，那么发声程序就很好编写了。

6、蜂鸣器发声程序

#include

sbit Buzz = P1^6;//蜂鸣器控制引脚

unsigned char  TORH;  //T0重载值的高字节

unsigned char  TORL;  //T0重载值的低字节

void OpenBuzz(unsigned int frequ);

void StopBuzz();

void main()

{

unsigned int i;

EA = 1; //使能总中断

TMOD = 0x01; //配置T0为模式1，但先不启动

while(1)

{

OpenBuzz(4000);//以4k的频率启动蜂鸣器

for(i = 40000; i > 0; i--);//非精准延时蜂鸣器

StopBuzz();//停止蜂鸣器

for(i = 40000; i > 0; i--);

OpenBuzz(1000);//以1kHZ的频率启动蜂鸣器

for(i = 40000; i > 0; i--);

StopBuzz();//停止蜂鸣器

for(i = 40000; i > 0; i--);

}

}  

//蜂鸣器启动函数，frequ-工作频率

void OpenBuzz(unsigned int frequ)

{

unsigned int reload;//计算所需的定时器重载值

reload = 65536 - (11059200 / 12)/(frequ*2); //由给定频率计算定时器重载值

TORH = (unsigned char)(reload >> 8);//16位重载值分解为高低两个字节

TORL = (unsigned char)reload;

TH0 = 0xFF;//设定一个即将溢出的初值，使定时器马上投入工作

TL0 = 0xFE;

ET0 = 1;//使能T0中断

TR0 = 1;//启动T0

}

//蜂鸣器停止函数

void StopBuzz()

{

ET0 = 0;//禁用T0中断

TR0 = 0;//停止T0

}

//T0中断服务函数，用于控制蜂鸣器发声

void InterruptTimer0() interrupt 1

{

TH0 = TORH;//重新加载重载值

TL0 = TORL;

Buzz = ~Buzz;//反转蜂鸣器控制电平

}