基于红外线控制步进直流双电机驱动

1、河南大学物理与学院2015 级单片机课程设计基于红外线步进直流双电机驱动作者：所 在 学院：所学 专业：指导教师完成时间：目录01前言1系统组成与功能11.11.21.3系统组成1系统功能6系统原理72系统图102.12.22.3实物图10电路框图11实物. 12345678程序流程图13程序原理1 错误!未定义书签。元件16制作过程概述16其他实现方案16结论16参考文献17河南大学物理与学院单片机课程设计基于红外线步进直流双电机驱动（河南大学物理与学院，河南 开封，475004）0 前言步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机中取代小型直流电动机后，其的性能提高，促进了

2、步进电动机的发展。另一方面，微型计算机与数字技术的发展，又将是作为数控系统执行部件的直线步进电机应用到其它领域，例如电机床、小功率机械机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。在本学期的单片机在课程设计中，我设计出了一种基于基于红外线电机的驱动模块。而且设计出了实际的成品，经过调试后能实现预期的功能，该模块可以拆卸成两个子模块可分别应用于小车行驶和进行拉动作业，并能用红外器进行较近距离操控。1 系统组成与功能1.1 系统组成主要有 STC89C52 单片机、ULN2803、四位一体七段数码管和直流步进电机以及红外线装置等元件组成。1.1.1 STC89C52STC89C52 具有如下特点：

3、40 个引脚，8kBytes Flash 片内程序器，256 bytes 的随机存取数据器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52 设计和配置了振荡频率可为0Hz 并可通过设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电图 1-1AT89C51 引脚图模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止脚图如图 1-1 所示。1.1.2 共阳极四位一体数码管1.1.2.1 数码管结构其

4、它功能直至外中断激活或硬件复位2。引如图 1，7 段数码管由 7 段条形发光二极管和一个圆点发光二极管组成，ABCDEFG 发光二极管的亮灭，可以显示 0-F 字符以及其他特殊字符，DP 发光二极管1河南大学物理与学院单片机课程设计的亮灭能是否显示小数点。2，为四位一体共阳数码管的内部结构，在使用时 12、9、8、6 分时接高电平，11、如图7、4、3、1、10、5、3 引脚对应于数码的 A-G、DP 发光管，A-G、DP 发光管的高低电平能对应发光管的灭亮。例如对于第一位的共阳数码管，令 12 脚为高电平，11、7、4、2、1、10、3 为低电平，5 为高电平，则第一位数码管显示字符“0”，

5、具体的共阴数码管的编码参加后面章节 4。2河南大学物理与学院单片机课程设计1.1.2.2 数码管动态扫描原理数码管动态扫描的原理是利用人的视觉暂留原理，快速循环显示各个数码管的字符，形成连续的字符串。例如，在数码管显示“1234”字符的流程如下：1、第 1 位数码管显示“1”，第 234 位数码管不显示；2、经过时间t 后，第 2 位数码管显示“2”，第 134 位数码管不显示；3、又经过时间 t 后，第 3 位数码管显示“3”，第 124 位数码管不显示；4、又经过时间 t 后，第 4 位数码管显示“4”，第 123 位数码管不显示；5、又经过时间 t 后，返回第 1 步显示第 1 位数码管

6、，依次循坏。其中扫描显示间隔 t 是很关键的参数，t 太长将会导致数码管闪烁，选择<=5ms。13河南大学物理与学院单片机课程设计1.1.3 直流电机1.1.3.1 直流电机实物图片4河南大学物理与学院单片机课程设计图 1 普通直流电机图 2直流电机图 3 无刷直流电机图 4 伺服直流电机图 5 永磁直流电机1.1.3.2 直流电机电机是使机械能与电能相互转换的机械，直流电机把直流电能变为机械能。作为机电执行元部件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。主磁通在主磁路中，同时与两个电路交联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路，另外一个是用来传递功率，称为功率回路或者电枢回路。现行的直流

7、电动机都是旋转电枢式，也就是说激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极转子。，带换向单元的电枢绕组和电枢铁芯结合直流电动机的直流电机有以下几方面的优点：(1)调速范围广，且易于平滑调节； (2)过载、起动、制动转矩大；(3)易于，可靠性高；(4)调速时的能量损耗较小。所以，在调速要求高的场所，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送抖、造纸、纺织、拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电动机均得到广泛的应用。1.1.3.3 直流电机的基本工作原理图 6 直流电机工作原理图5河南大学物理与学院单片机课程设计图 6 是直流电机工作原理图，当电刷 A、B 接在电压为 U 的直流电源上时，若电

8、刷A 是正电位，B 是负电位，在 N 极范围内的导体 ab 中的电流是从 a 流向 b，在 S 极范围内的导体 cd 中的电流是从 c 流向 d。载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab 和 cd 两导体都要受到电磁力的作用。根据磁场导体中的电流方向，利用电动机左手定则， ab 边受力的方向是，而 cd 边则是向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab 边和 cd 边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半周之后，虽然 ab 与

9、cd 的位置调换了，ab 边转到 S 极范围内，cd 边转到 N 极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到 N 极下的 cd 边中电流方向也变了，是从 d 流向 c，在 S 极下的 ab 边中的电流则是从 b 流向 a。因此，电磁力的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在 N、S 极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性

10、面后），导体中电流的方向也要同时改变。换向器和电刷就是完成这个任务的装置。在直流电动机中，换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。1.1.4 步进电机1.1.4.1 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距

11、角。这一线性的，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等领域用步进电机来变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成系统方可使用。6河南大学物理与学院单片机课程设计1.1.4.2 步进电机工作原理步进电机有三线式、五线式和六线式，但其相同。都要以脉冲信号电流来驱动。假设每旋转一圈需要 200 个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电机前进 1.8°，其旋转角度与脉冲的个数成正比。步进电动机的正、反转由励磁脉冲产生的顺序来。六线式四相步进电动机是比较常见

12、的，它的通过等效电路如图 8 所示。它有 4 条励磁信号引线 A、 A 、B、 B ，这 4 条引线上励磁脉冲产生的时刻，即可步进电机的转动。每出现一个脉冲信号，步进电机只走一步。因此，只要依序不断送出脉冲信号，步进电机就能实现连续转动。图 8 步进电机的1.1.4.3 步进电机的励磁方式等效电路步进电机的励磁方式分为励磁和半步励磁两种。其中励磁又有 1相励磁和 2 相励磁之分；半步励磁又称 1-2 相励磁。假设每旋转一圈需要 200个脉冲信号来励磁，可以计算出每个励磁信号能使步进电动机前进 1.8°。由于本设计中仅使用了一相励磁故只一相励磁。一相励磁：在每一瞬间，步进电机只有一个线

13、圈导通。每送一个励磁信号，步进电机能旋转 1.8°，这是 3 种励磁最简单的一种。其特点是：精确度好、消耗电力小，但输出转矩最小，振动较大。如果以该方式步进电机正转，对应的励磁顺序如表 1 所示。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。表中的 1 和 0 表示送给电机的高电平和低电平。表 1 1 相励磁顺序表7STEPABAB11000201003001040001河南大学物理与学院单片机课程设计励磁顺序说明：1.1.5ULN2803ULN2802 ULN2803 ULN2804A 8 个 NPN合逻辑接口电平数字电路（例如 TTL，CMOS 或晶体管，连接在阵列非常适PMOS 上/ N

14、MOS）和较高的电流/电压，如电灯，电磁阀，继电器，打印锤或其他类似的负载，广泛的使用范围：计算机，工业和消费应用。所有功能由集电极输出和钳位二极管瞬态抑制。该 ULN2803 是专为符合标准 TTL，而ULN2804 适合 6 至 15V 的高级别CMOS 或工作。PMOS上。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通图一 引脚图1-8 引脚：输入端11-18 引脚：输出端9 引脚：地端10 引脚：电源+8河南大学物理与学院单片机课程设计图二 ULN2803 内部电路图 （1/8 单元）路图 （1/8 单元）图二 ULN2804 内部电UM RATINGS (TA = 25 and

15、 rating apply to any one device in thepackage, unless otherwisenoted.)最大额定值。驱动电路图：21.2 系统功能9河南大学物理与学院单片机课程设计本设计的主要功能是用单片机来速度也由单片机，单片机由红外线来电机来工作，而且其具体的工作，用户可以直接通过红外线器来电机转动的转速，同时四位一体七段数码管上显示当前的转动速元件无法精确测数，所以用数字来象征性地代表转速。度，但是由于没有买此外，直流电机的编写参考了小车驱动的程序，稍加改动即可应用于小车驱动。2 系统原理设计的主要原理是用单片机来直流电机，步进电机，共阳极四位一体数码

16、管模块和红外模块的工作。其中用 ULN2803系统的工作状态。电机的转动，用红外线2.1 系统系统模块图图见图一，其中用 J2 插排表示红外线模块接入点。图 110河南大学物理与学院单片机课程设计2.2 电路框图的电路框图见下图 2。图 22.3 实物实物见下图 3。11河南大学物理与学院单片机课程设计图 33 程序流程图定时函数->红外接收函数处理>示数值（不的话电机不懂并显示为 0）是否电机转动>的话电机驱动并显4 元件STC89C52两个，步进电机和直流电机各一个，ULN2803 一个，四位一体共阳极数码管一个，PNP 型三极管 4 个，电解电容一个，电阻两个，轻触开关

17、一个，晶振一个，电容两个，六角开关一个，USB 接线一个，绝缘板一个。5 制作过程简要概述制作过程的大体流程是在查阅相关资料后先制作 pcb 版图和 protues，在此基础上写好程序在图中测试，结果无误后，购买实物元件，焊接，烧录程序测试，问题进行查找，在此讲一下我遇到的问题：12河南大学物理与学院单片机课程设计硬件问题：我遇到了焊接时一些元器件的引脚作用不是很清楚导致了一些电路问题，提议在焊接前最好把引脚作用了解后再焊接电路。作用：有时的编译不符合硬件的要求所以要上资料。6 其他实现方案我用其他驱动方案做个简单的电路来编写，多多查阅网7.1 步进电机可以采用其他励磁方式在此做一个位进制数改

18、动即可。2 相励磁：在每一瞬间，步进电动机有 2 个线圈同时导通。每送一个励磁信号，步进电动机能旋转 1.8°。其特点是:输出转矩大，振动小。因而成为目前使用最多的励磁方式。如果相关改动只用把电机驱动的十六以该方式步进电机正转，对应的励磁顺序见表 2。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。表 2 2 相励磁顺序表励磁顺序说明：1-2 相励磁1 相励磁与 2 相励磁交替导通的方式。每送一个励磁信号，步进电机能旋转 0.9°。其特点是:分辨率高，运转平滑，故应用也很广泛。如果以该方式步进电机正转，对应的励磁顺序见表 3。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。表 3 1-2 相励磁顺序表13STEPABAB110002110030100401105001060011STEPABAB11100201103001141001河南大学物理与学院单片机课程设计