【自學(xué)51單片機(jī)】9 -- 步進(jìn)電機(jī)原理、蜂鳴器原理，單片機(jī)IO口的結(jié)構(gòu)，上下拉電阻

1、單片機(jī)IO口的結(jié)構(gòu)

單片機(jī)IO口有四種結(jié)構(gòu)：準(zhǔn)雙向IO，開漏輸出、強(qiáng)推挽輸出和高阻態(tài)輸出。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖。

T1和T2為MOS管，靠電壓導(dǎo)通的原件。（1）準(zhǔn)雙向IO口特點(diǎn)：內(nèi)部輸出為1，才能正常讀取外部信號。（2）開漏輸出特點(diǎn)：必須外加上拉電阻，不然單片機(jī)IO電平是個不確定的態(tài)。（3）強(qiáng)推挽輸出特點(diǎn)：可輸出或輸入高電流，驅(qū)動能力強(qiáng)。（4）強(qiáng)阻態(tài)特點(diǎn)：狀態(tài)取決與外部輸入。 標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)P0默認(rèn)開漏輸出。

2、上下拉電阻

上下拉電阻：上拉電阻就是將不確定的信號通過一個電阻拉到高電平，同時此電阻也起限流作用，下拉電阻同理。

上拉電阻的應(yīng)用：（1）OC門(開漏輸出中，三極管的集電極)要輸出高電平，外部必須加上拉電阻（2）加大普通IO口的驅(qū)動能力（3）起到限流的作用（4）抵抗電磁干擾

電路設(shè)計中如何選擇上下拉電阻阻值：（1）從降低功耗方面考慮應(yīng)該足夠大，因?yàn)殡娮柙酱螅娏髟叫　＃?）從確保足夠的引腳驅(qū)動能力考慮應(yīng)該足夠小，電阻越小，電流才能越大。（3）開漏輸出時，過大的上拉電阻會導(dǎo)致信號上升沿變緩，解釋：電平變化需要時間，開漏輸出時，上拉電阻的大小直接影響電平上升的時間，如下圖所示。

3、電機(jī)

3.1 電機(jī)分類

從用途角度分為： 驅(qū)動類電機(jī)和控制類電機(jī)。直流電機(jī)屬于驅(qū)動類電機(jī)，這種電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，應(yīng)用在電風(fēng)扇、洗衣機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)屬于控制類電機(jī)，它是將脈沖信號轉(zhuǎn)換成一個轉(zhuǎn)動角度的電機(jī)，應(yīng)用在機(jī)器人，空調(diào)扇葉轉(zhuǎn)動等。

步進(jìn)電機(jī)分為：反應(yīng)式、永磁式和混合式三種。(1)反應(yīng)式：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能差（2）永磁式：動態(tài)性能好，力矩較大，轉(zhuǎn)動誤差相對大一些。(3)混合式：動態(tài)性能好，力矩大，轉(zhuǎn)動精度高。

3.2 28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)

28BYJ-48實(shí)物如下圖9-3

1、28 — 步進(jìn)電機(jī)的有效最大外經(jīng)28mm。

2、B — 表示是步進(jìn)電機(jī)。

3、Y — 表示為永磁式。

4、J — 表示是減速型。

5、48 — 表示四相八拍

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如下圖9-4

標(biāo)注為0~5的齒叫轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子是一塊永磁體，上帶有永久磁性。外圈的齒為定子，圖片上有8個，它是固定的。每個定子都繞了線圈繞組，正對的兩個定子繞組是串聯(lián)在一起的，這兩定子組成一相。圖中一共有A-B-C-D四相。

28BYJ-48電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如下圖

定子上擁有 4 相×8 組=32 個齒。

3.2 28BYJ-48電機(jī)轉(zhuǎn)動原理

**原理：**由實(shí)物圖和原理圖可知，紅線為公共端，橙，黃，粉，藍(lán)對應(yīng)A-B-C-D相，P1.0~~P1.3分別控制進(jìn)步電機(jī)的A-B-C-D相，導(dǎo)通D相只需讓P1.3輸出高電平，使Q5

三極管導(dǎo)通，三極管基極b接地，即能導(dǎo)通A相。導(dǎo)通其他相同理，導(dǎo)通后對應(yīng)相的定子產(chǎn)生磁性，就會對靠近的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸引力，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

3.3 28BYJ-48電機(jī)工作模式

步進(jìn)電機(jī)單四拍模式：單相繞組通電四節(jié)拍 。假如一開始電機(jī)為28BYJ-48電機(jī)結(jié)構(gòu)原理里的狀態(tài)，完成D-C-B-A依次導(dǎo)通后，即完成4個節(jié)拍后，轉(zhuǎn)子會因?yàn)槲D(zhuǎn)動轉(zhuǎn)過一組繞組。而每經(jīng)過 1 個單拍，轉(zhuǎn)子都將轉(zhuǎn)過一個定子齒的角度，轉(zhuǎn)一整圈就需要 4×8=32節(jié)拍。一個節(jié)拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過11.25度（360/32 ），這個值叫步進(jìn)角度。

步進(jìn)電機(jī)八拍模式：在單四拍模式的每兩個節(jié)拍之間再插入一個雙繞組導(dǎo)通的中間節(jié)拍，比如在單獨(dú)A導(dǎo)通和單獨(dú)B導(dǎo)通中間加一個同時A和B導(dǎo)通的節(jié)拍。這樣轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈就需要8 x 8 = 64節(jié)拍。一個節(jié)拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過5.625度，相比單四拍模式，該模式轉(zhuǎn)動精度更加精準(zhǔn)，輸出力矩更大。下面看八拍模式繞組控制順序表。

從上面表中，可以得到把八節(jié)拍下P1的低四位IO控制代碼

unsigned char code BeatCode[8] = {

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

};

3.4 步進(jìn)電機(jī)啟動頻率

控制電機(jī)切換一次節(jié)拍需要多長時間？

這個時間由步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率決定，在步進(jìn)電機(jī)空載下不高于啟動頻率就可以正常啟動電機(jī)。下面見28BYJ-48電機(jī)參數(shù)表。

表中28BYJ-48電機(jī)啟動頻率為550.單位P.P.S,即每秒脈沖數(shù)，通過計算可以知道單個節(jié)拍持續(xù)時間應(yīng)該大于1 / 500 =1.8ms即可讓電機(jī)正常工作。

3.5 實(shí)際28BYJ-48電機(jī)外部轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)一圈的情況

先見電機(jī)內(nèi)部齒輪示意圖9-7。

上面講八節(jié)拍模式下轉(zhuǎn)動一圈需要64節(jié)拍。實(shí)際這轉(zhuǎn)動一圈指的是內(nèi)部最小的齒輪轉(zhuǎn)動一圈需要的節(jié)拍數(shù)，外部轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動一圈需要的節(jié)拍數(shù)還需要根據(jù)電機(jī)減速比參數(shù)計算。見表9-2中，28BYJ-48電機(jī)減速比為1：64。但因?yàn)樵撾姍C(jī)應(yīng)用在消費(fèi)領(lǐng)域，所以該參數(shù)表也只是給了一個近似整數(shù)的減速比1：64，一般轉(zhuǎn)動角度不超過360度。這就不會導(dǎo)致太大誤差。隨著轉(zhuǎn)動圈數(shù)的增多，誤差會發(fā)生質(zhì)變。現(xiàn)在通過計算實(shí)際減速比約為1：63.684。這就得出八節(jié)拍模式下外部轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動一圈需要約4076（64 x 63.684）節(jié)拍 。

4、綜合小程序–按鍵控制電機(jī)轉(zhuǎn)動

//綜合小程序-按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動

#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]= { //記錄全部矩陣按鍵當(dāng)前狀態(tài)

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

};

unsigned char code KeyCodeMap[4][4] = { //矩陣按鍵編號到標(biāo)準(zhǔn)鍵盤鍵碼的映射表

    { 0x31, 0x32, 0x33, 0x26 }, //數(shù)字鍵1、數(shù)字鍵2、數(shù)字鍵3、向上鍵

    { 0x34, 0x35, 0x36, 0x25 }, //數(shù)字鍵4、數(shù)字鍵5、數(shù)字鍵6、向左鍵

    { 0x37, 0x38, 0x39, 0x28 }, //數(shù)字鍵7、數(shù)字鍵8、數(shù)字鍵9、向下鍵

    { 0x30, 0x1B, 0x0D, 0x27 }  //數(shù)字鍵0、ESC鍵、  回車鍵、 向右鍵

};

signed long beats = 0;電機(jī)轉(zhuǎn)動節(jié)拍總數(shù)

void KeyDriver(); //按鍵驅(qū)動函數(shù)

void KeyAction(unsigned char keycode);按鍵動作函數(shù)

void StarMotor(signed long angle);//步進(jìn)電機(jī)啟動函數(shù)

void StopMotor(); //步進(jìn)電機(jī)停止函數(shù)

void KeyScan(); //按鍵掃描函數(shù)

void TurnMotor();//電機(jī)轉(zhuǎn)動控制函數(shù)

void main()

{

EA = 1;//使能總中斷

TMOD = 0x01;//為T0配置模式1

TH0 = 0xFC;//為T0賦初值0xFC67，定時1ms

TL0 = 0x67;

TR0 = 1;  //開啟T0

ET0 = 1; //使能T0中斷

while(1)

{

KeyDriver(); //調(diào)用按鍵驅(qū)動函數(shù)

}

}

//按鍵驅(qū)動函數(shù)，檢測按鍵動作，調(diào)用相應(yīng)動作函數(shù)，需要在主循環(huán)中調(diào)用

void KeyDriver()

{

unsigned char i, j;

static unsigned char backup[4][4]= { //按鍵值備份，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++) //循環(huán)檢測4*4的矩陣按鍵

{

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

{

if(backup[i][j] != keysta[i][j])//檢測按鍵動作

{

if(backup[i][j] == 0)  //按鍵前次值為0執(zhí)行動作

{

KeyAction(KeyCodeMap[i][j]);//調(diào)用按鍵動作函數(shù)

}

backup[i][j] = keysta[i][j];//刷新前一次的備份值

}

}

}

}

//按鍵動作函數(shù)，根據(jù)鍵碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，keycode為按鍵鍵碼

void KeyAction(unsigned char keycode)

{

static unsigned char dirMotor = 0; //電機(jī)轉(zhuǎn)動方向

if((keycode >= 0x30) && (keycode <= 0x39))//控制電機(jī)轉(zhuǎn)動1~9圈

{

if(dirMotor == 0)

{

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

}

else

{

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

}

}

else if(keycode == 0x26) //向上鍵，控制轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎D(zhuǎn)

{

dirMotor = 0;

}

else if(keycode == 0x28)//向下鍵，控制轉(zhuǎn)動方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)

{

dirMotor = 1;

}

else if(keycode == 0X25)  //向左鍵，固定正轉(zhuǎn)90度

{

StarMotor(90);

}

else if(keycode == 0x27) //向右鍵，固定反轉(zhuǎn)90度

{

StarMotor(-90);

}

else if(keycode == 0x1B) //esc鍵，停止轉(zhuǎn)動

{

StopMotor();

}

}

//步進(jìn)電機(jī)啟動函數(shù)，angle為需要轉(zhuǎn)動的角度

void StarMotor(signed long angle)

{

EA = 0;

beats = (angle*4076)/360;  //實(shí)測為4076拍轉(zhuǎn)動一圈

EA = 1;

}

//步進(jìn)電機(jī)停止函數(shù)

void StopMotor()

{

EA = 0;

beats = 0;

EA = 1;

}

//T0中斷服務(wù)函數(shù)，用于按鍵掃描與電機(jī)轉(zhuǎn)動控制

void InterruptTimer0() interrupt 1

{

static bit div = 1;

TH0 = 0xFC; //重新加載初值

TL0 = 0x67;

KeyScan(); //執(zhí)行按鍵掃描

//用一個靜態(tài)bit變量實(shí)現(xiàn)二分頻，即定時2ms，用于控制電機(jī)

div = ~div;

if(div == 1)

{

TurnMotor();

}

}

void KeyScan()

{

unsigned char i;

static unsigned char keyout = 0;//矩陣按鍵掃描輸出索引

static unsigned keybuf[4][4] = { //矩陣按鍵掃描緩沖區(qū)

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

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

};

//將一行的4個按鍵值移入緩沖區(qū)

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;

//消抖后更新按鍵狀態(tài)

for (i = 0; i < 4; i++)//每行四個按鍵，所以循環(huán)4次

{

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

{ //連續(xù)4次掃描值為零，即4*4ms內(nèi)都是按下狀態(tài)，可認(rèn)為按鍵已穩(wěn)定地按下

keysta[keyout][i] = 0;

}

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

{ //連續(xù)4次掃描值為1，即4*4ms內(nèi)都是彈起狀態(tài)，可認(rèn)為按鍵已穩(wěn)定地彈起

keysta[keyout][i] = 1;

}

}

keyout++; //輸出索引遞增

keyout = keyout & 0x03; //索引值加到4后歸零

switch(keyout)   //根據(jù)索引，釋放當(dāng)前輸出引腳，拉低下次的輸出引腳

{

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;

}

}

//電機(jī)控制函數(shù)

void TurnMotor()

{

unsigned char tmp;//臨時變量

static unsigned char index = 0; //節(jié)拍輸出索引

unsigned char code BeatCode[8] = {//步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍對應(yīng)的IO控制代碼

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

};

if(beats != 0)//節(jié)拍數(shù)不為0則產(chǎn)生一個驅(qū)動節(jié)拍

{

if(beats > 0)//節(jié)拍數(shù)大于0時正轉(zhuǎn)

{

index++; //正轉(zhuǎn)時節(jié)拍輸出索引遞增

index = index & 0x07;//用&操作實(shí)現(xiàn)到8歸零

beats--;//正轉(zhuǎn)時節(jié)拍數(shù)遞減

}

else //節(jié)拍數(shù)小于零時反轉(zhuǎn)

{

index--;//正轉(zhuǎn)時節(jié)拍輸出索引遞減

index = index & 0x07; //用&操作實(shí)現(xiàn)到-1時歸7

beats++;//正轉(zhuǎn)時節(jié)拍數(shù)遞減

}

tmp = P1;//用tmp把P1口當(dāng)前值暫存

tmp = tmp & 0xF0;//用&操作清空低四位

P1 = tmp | BeatCode[index];//用|操作把節(jié)拍代碼寫到低四位并送到P1

}

else  //節(jié)拍數(shù)為零則關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)所有相

{

P1 = 0xFF;

}

}

因?yàn)镾TC89C52是8位單片機(jī)，單片機(jī)操作數(shù)據(jù)時都是按8位即一個字節(jié)進(jìn)行的，操作多個字節(jié)數(shù)據(jù)，無論讀還是寫就必須分次進(jìn)行了，所以程序中計算unsigned long型變量beats時，為了防止beats變量在一個一個字節(jié)賦值時，突然進(jìn)入中斷，造成beats數(shù)值錯誤，就在進(jìn)行beats變量賦值前，關(guān)閉中斷，在賦值后重新打開中斷，這就避免了中斷的發(fā)生。

5、蜂鳴器

蜂鳴器按驅(qū)動方式分為：有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，

有源蜂鳴器：內(nèi)部帶了振蕩源，給了BUZZ引腳一個低電平，就會響

無源蜂鳴器：內(nèi)部帶無振蕩源，要讓它響要給予500Hz ~ 4.5KHzz之間的脈沖頻率信號來驅(qū)動它。

下面見kst-51開發(fā)板中的蜂鳴器電路圖

說明：蜂鳴器驅(qū)動電流相對較大，因此需要三極管驅(qū)動。因?yàn)榉澍Q器是感性器件，導(dǎo)通時蜂鳴器電流逐漸變大，關(guān)閉后需要續(xù)流二極管D4來避免蜂鳴器的電感電流造成的反向沖擊。根據(jù)電路分析Buzz引腳位于P1.6，那么發(fā)聲程序就很好編寫了。

6、蜂鳴器發(fā)聲程序

#include

sbit Buzz = P1^6;//蜂鳴器控制引腳

unsigned char  TORH;  //T0重載值的高字節(jié)

unsigned char  TORL;  //T0重載值的低字節(jié)

void OpenBuzz(unsigned int frequ);

void StopBuzz();

void main()

{

unsigned int i;

EA = 1; //使能總中斷

TMOD = 0x01; //配置T0為模式1，但先不啟動

while(1)

{

OpenBuzz(4000);//以4k的頻率啟動蜂鳴器

for(i = 40000; i > 0; i--);//非精準(zhǔn)延時蜂鳴器

StopBuzz();//停止蜂鳴器

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

OpenBuzz(1000);//以1kHZ的頻率啟動蜂鳴器

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

StopBuzz();//停止蜂鳴器

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

}

}  

//蜂鳴器啟動函數(shù)，frequ-工作頻率

void OpenBuzz(unsigned int frequ)

{

unsigned int reload;//計算所需的定時器重載值

reload = 65536 - (11059200 / 12)/(frequ*2); //由給定頻率計算定時器重載值

TORH = (unsigned char)(reload >> 8);//16位重載值分解為高低兩個字節(jié)

TORL = (unsigned char)reload;

TH0 = 0xFF;//設(shè)定一個即將溢出的初值，使定時器馬上投入工作

TL0 = 0xFE;

ET0 = 1;//使能T0中斷

TR0 = 1;//啟動T0

}

//蜂鳴器停止函數(shù)

void StopBuzz()

{

ET0 = 0;//禁用T0中斷

TR0 = 0;//停止T0

}

//T0中斷服務(wù)函數(shù)，用于控制蜂鳴器發(fā)聲

void InterruptTimer0() interrupt 1

{

TH0 = TORH;//重新加載重載值

TL0 = TORL;

Buzz = ~Buzz;//反轉(zhuǎn)蜂鳴器控制電平

}