单片机与控制实验——步进电机原理及应用

Posted 2020-08-15 大大维

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一、实验目的和要求

　　了解步进电机的工作原理，学习用单片机的步进电机控制系统的硬件设计方法，掌握定时器和中断系统的应用，熟悉单片机应用系统的设计与调试方法。 

二、实验设备

　　单片机测控实验系统
　　步进电机控制实验模块
　　Keil开发环境
　　STC-ISP程序下载工具

三、实验内容

　　编制MCS-51程序使步进电机按照规定的转速和方向进行旋转，并将已转动的步数显示在数码管上。

　　步进电机的转速分为两档，当按下S1开关时，加速旋转，速度从10转/分加速到60转/分。当松开开关时，减速旋转，速度恢复为10转/分。当按下S2开关时，按照逆时针旋转；当松开时，按照顺时针旋转。

　　本程序要求使用定时器中断来实现，不准使用程序延时的方式。

 

四、实验步骤

 

1、 预习

　　参考辅助材料，学习C51编程语言使用和步进电机原理。

2、 简单程序录入和调试

（1）关于C51的中断

　　本程序需要使用定时器定时，并使用中断来同步。中断程序的典型例子如下：
　　格式：void 函数名()interrupt 中断号 using 工作组
　　{
　　中断服务程序内容
　　}
　　注意：中断不能返回任何值，所以前面是 void 后面是函数名，名字可以自己起，但不要与c语言的关键字相同；中断函数不带任何参数，所以 函数名后面的（）内是 空的，中断号是指单片机的几个中断源的序号。这个序号是单片机识别不同中断的唯一标志。所以一定要写正确。
　　后面的using 工作组 是指这个这个中断使用单片机内存中 4 个工作寄存器的哪一组，c51 编译后会自动分配工作组，因此最后这句话我们通常省略不写。

c51 中断写法实例：
　　void T1-time() interrupt 3
　　{
　　TH1=(65536-50000)/256;
　　TL1=（65536-50000）%256;
　　}
　　上面的意思是定时器 1 的中断服务程序，定时器 1 的中断服务序号是 3 ，因此我们要写成 interrupt 3 ，服务程序的内容是给 两个初值寄存器装入新值。。
　　写中断前的准备：

　　A、TMOD 赋值 确定工作方式。T0 还是T1 的工作方式。
　　B、计算初值 装入 TH0 TL0 或者 TH1 TL1
　　C、中断方式时 ，对 IE 赋值，开放中断。
　　D、使 TR0 和 TR1 置位，启动定时器/计数器 定时/计数。

 

（2）关于定时器中断的赋值

　　使用定时器时，首先应由外部条件得到要定时的时间长度t，如本实验中，就是根据要求的速度计算出的每一步之间的间隔。然后选择适当的定时器工作方式，去计算想要设定的计数器初值s，使用如下方程：

　　（2定时器最大位数 － s）× 定时周期 =t   【定时周期 = 12/CPU晶振频率】

　　得到的s需要分成高8位和低8位，分别放入计数器THx和TLx中（x为0或1）。如果s为负数，说明需要的定时时间太长，即使定时器的最大时间也无法满足要求。这种情况下，需要加入软件循环才能实现。我们可以将需要的定时时间分成n份，利用定时器达到t/n的时间长度，然后在定时器处理程序中，累计某一变量，如果到达n，说明总的时间t已经达到。

　　要想使用定时器中断，除了上面的定时器初值设定外，还需要将其他相关的特殊功能寄存器也都设置好。如果使用方式0和方式1，不要忘记在计数结束后重新恢复计数器初值。

3、 程序调试

　　用单步、断点、连续方式调试程序，观察状态指示灯及电机状态，检查运行结果。如果需要，可以将四个输出信号的状态同时输出到P0口的某些位上，便于观察。

4、 编写程序，完成功能

 

五、实验原理

 

1、 我们使用的单片机系统的频率是12M；步进电机转动一周需要24步。

2、 本步进电机实验板，使用FAN8200作为驱动芯片。CPU通过如下4个引脚与FAN8200相连，即：

FAN8200引脚与CPU接口

CPU	FAN8200
P1.1	CE1
P1.4	CE2
P3.2	IN1
P1.0	IN2

 

 

 

3、 本实验使用简单的双四拍工作模式即可，这也是FAN8200比较方便的工作方式。只要将CE1和CE2分别置为高，然后IN1和IN2按照预定的脉冲输出，即01->11->10->00->01这个循环构成一个方向旋转的输出脉冲，将此序列翻转，就是相反方向的输出脉冲。

 

六、实验代码  

 

  1 #include<reg52.h>
  2 typedef unsigned int uint;
  3 sfr   P4=0xC0;
  4 sfr   P4SW=0xBB;
  5 
  6 sbit  s1=P3^6;
  7 sbit  s2=P3^7;
  8 sbit  CE1=P1^1;
  9 sbit  CE2=P1^4;
 10 sbit  IN1=P3^2;
 11 sbit  IN2=P1^0;
 12 sbit  CLK=P4^4;
 13 sbit  DAT=P4^5;
 14 
 15 uint  count=0;                    //用于计已转动的步数
 16 int   flag=0;                     //用于给IN1、IN2传值
 17 //二极管显示码，存放在code区
 18 uint code tab[] = {0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};    
 19 int main()
 20 {
 21     P4SW=0x70;
 22     TMOD=0x01;    
 23     EA=1;
 24     ET0=1;
 25     TR0=1;
 26     CE1=CE2=1;
 27     
 28     while(1);
 29 }
 30 void rotateShun(int flag)
 31 {
 32     //01 11 10 00
 33     switch(flag)
 34     {
 35         case 0:    IN1=0;
 36                 IN2=1;
 37                 break;
 38         case 1:    IN1=1;
 39                 IN2=1;
 40                 break;
 41         case 2:    IN1=1;
 42                 IN2=0;
 43                 break;
 44         case 3:    IN1=0;
 45                 IN2=0;
 46                 break;        
 47     }
 48 }
 49 /*01 11 10 00
 50 * 反方向输出为
 51 * 00 10 11 01 
 52 * 摁下按键后，需向后走一位，所以为
 53 * 10 11 01 00
 54 */
 55 void rotateNi(int flag)
 56 {
 57     //10 11 01 00
 58     switch(flag)
 59     {
 60         case 0:    IN1=1;
 61                 IN2=0;
 62                 break;
 63         case 1:    IN1=1;
 64                 IN2=1;
 65                 break;
 66         case 2:    IN1=0;
 67                 IN2=1;
 68                 break;
 69         case 3:    IN1=0;
 70                 IN2=0;
 71                 break;        
 72     }
 73 }
 74 
 75 void show(uint cnt){                   //显示一个数字
 76     uint m, c,n;
 77     m = tab[cnt];
 78     for (n = 0; n < 8; n++){
 79         CLK = 0;
 80         //按位逻辑与，和1000 0000与，最高位保留，其他位置0，此处也可以与0x80比较大小来判断
 81         c= m & 0x80;                   //每次取一位，送往DAT
 82         if(c==0)
 83             DAT=0;
 84         else
 85             DAT=1;
 86         CLK = 1;
 87         m<<= 1;
 88     }
 89 }
 90 
 91 void display(uint cnt){                //显示
 92     show(cnt%10);                      //个位
 93     cnt /= 10;
 94     show(cnt%10);                      //十位
 95     show(cnt/10);                      //百位
 96 }    
 97 
 98 void timeInt0() interrupt 1
 99 {
100     if(s1==1)
101     {
102         /*不按s1，10r/min=240pace/min=960次/min，
103         *即每分钟给IN1和IN0送值960次，每次间隔60/960=0.0625s=62.5ms
104         */
105         TH0=(65536-62500)/256;
106         TL0=(65536-62500)%256;
107         if(s2==1)
108         {
109             rotateShun(flag);
110         }
111         if(s2==0)
112         {
113             rotateNi(flag);
114         }
115     }
116     if(s1==0)
117     {
118         /*按下s1，60r/min=1440pace/min=5760次/min，
119         *即每分钟给IN1和IN0送值960次，每次间隔60/5760ms
120         */
121         TH0=(65536-(uint)(60000/5760))/256;
122         TL0=(65536-(uint)(60000/5760))%256;
123         if(s2==1)
124         {
125             rotateShun(flag);
126         }
127         if(s2==0)
128         {
129             rotateNi(flag);
130         }
131     }
132     flag++;
133     if(flag>3) 
134     {
135         flag=0;
136         count++;
137         if(count < 999)
138         {
139             display(count);
140         }
141         else{
142             count = 0;
143             display(count);
144         }
145     }
146 }

 

 

七、一点想法

　　步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动，转动的速度和脉冲的频率成正比。改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。

　　步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

八、附录

 

 实验电路原理图：点击查看