制作步进电机控制模块

知识点：电机控制模块

前一期发表了《步进电机使用介绍》，介绍步进电机的组成结构、工作原理和驱动电路。通过那篇文章，我们知道要控制步进电机旋转就需要时刻给步进电机发送脉冲。这带来了些问题，比如需要步进电机一直旋转，单片机就只能一直给它发送脉冲了，就很难去做其他事情了。还有步进电机相位越多需要控制引脚也就越多，如果步进电机数量多了单片机引脚根本不够用，那么有没有解决方法呢？

为了解决步进电机脉冲控制和引脚使用问题，我设计了一个简单的步进电机控制模块，使用两个引脚就能控制步进电机转动了。

模块时序图

▼

下图是控制模块的时序图。

通信使用了两根线，时钟SCL、数据SDA。

时序解释：

1、SDA数据只能在SCL低电平时改变，SCL上升沿对SDA采样。

2、当SCL被拉低2ms到5ms时，模块复位开始下一次控制数据接收。

3、数据传播时间不能大于1000ms。

4、传播完数据后SCL要置为高电平，SDA置为低电平。

数据解释：

1、数据总共有24位。

2、第一位到第八位为控制命令，第九位到第二十四位为步进电机脉冲个数。

3、第一位需为1，第八位需为0。

4、D：0-顺时针旋转，1-逆时针旋转。

5、TY1，TY0：0,0-PWM模式，0,1-脉冲模式，1,0-一直旋转模式。

6、TM2，TM1，TM0：脉冲宽度（0~7ms）。

7、TS15，······，TS0：脉冲个数（0~2^16-1）。

步进电机工作模式：PWM模式、脉冲模式、一直旋转模式。

1、PWM模式：控制位TY1，TY0设置为0，0。步进电机旋转时间和速度由SDA上的PWM信号控制。在该模式下，TM2，TM1，TM0以及TS15，······，TS0位无效。

2、脉冲模式：控制位TY1，TY0设置为0，1。步进电机旋转时间由TS15，······，TS0位的脉冲个数控制，旋转速度由脉冲宽度TM2，TM1，TM0位控制。如果TS15，······，TS0都被设置为0，则步进电机会切换到一直旋转模式下工作。

3、一直旋转模式：控制位TY1，TY0设置为1，0。步进电机会一直旋转下去，直到重新接收到控制命令，旋转速度由脉冲宽度TM2，TM1，TM0位控制。在该模式下TS15，······，TS0位无效。

为什么要选择这种双线控制方法呢？大家有没有觉得它有点像IIC通信，一开始我本来打算用UART通信方式控制，可后来发现单片机的UART接口一般只有一个，也就是说只能控制一个步进电机了。后来想过IIC、SPI协议，最后根据步进电机的控制特征，就在IIC协议上做了些改进，去除了IIC麻烦的起始、回馈、停止位。

本文设计的模块没有设置从机地址匹配位，所以每添加一个步进电机就需要添加单片机的两个引脚控制，有兴趣的可以参考IIC协议添加地址匹配位。

模块电路设计

▼

协议时序设计好了，接下来就来设计模块的电路部分了。

电路中使用了STC15F104E单片机，它有六个IO口，刚好够用，四个负责四相步进电机驱动，两个负责接收控制数据。电路驱动使用了4个9013三极管，大家也可以使用ULN2003芯片来驱动，具体设计方法可参考《步进电机使用介绍》。

准备电子元器件按照电路图焊接电路板。

电路部分还是比较简单的，重点还是在通信协议时序设计部分。

由于步进电机工作时需要的电流比较大，可能会拉低电源电压导致单片机不能正常工作，那么步进电机就不能按照控制信号正常工作了，为了避免这种情况发生，可以给单片机单独供电或者在单片机电源端加大电容，比如100uF的电解电容。

模块上的SCL、SDA引脚也是单片机串口的Rx、Tx引脚，所以非常方便模块程序升级。

程序实现

▼

上文接收的控制协议时序是主机发送的，模块是个从机，它的任务就是解析主机发过来的数据。模块一直在监听SCL的电平变化，当SCL低电平持续时间超过2ms，模块重新复位，当SCL由低电平变为高电平模块采集SDA的电平。模块总共会接收由SDA发出的24个电平数据，前8个为控制命令，后16个为脉冲个数数据。

SCL引脚上的复位低电平监听是通过定时器0实现的，定时器0会每隔1ms检测一次SCL的电平，如果连续两次检测到SCL都为低电平，则单片机复位。定时器0是在接收到24位数据后启动的，也就是它是用来监听下一次控制数据。

当模块开始接收数据时看门狗就会开启，看门狗的复位时间大约为1s，如果模块在1s内没有接收到24位数据，则模块复位。这样做的目的是防止外部主机发生异常不能发送完24位数据，从而导致模块一直处于死循环状态。有了看门狗，如果外部主机发生异常，模块也能及时复位，进入下一次控制数据接收状态。

为了能使模块能更快速准确的采集SDA数据，模块上的单片机工作时钟要尽量高些，可选用30MHz。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范