Motor de Passo MIC29004-2014-2

Descrição do projeto

O objetivo da primeira versão do projeto é gerar um conjunto básico de mensagens para controlar um motor de passo através de um kit didático da família de microcontroladores 8051 da ATMEL. Os comandos de acionamento do motor de passo são enviados por um computador através da interface RS-232 para o microcontrolador 8051. O kit está programado para decodificar as mensagens e habilitar imediatamente as portas que controlam um motor de passo unipolar. Este documento descreve a definição do modo de codificação e decodificação das mensagens de comando, processo implementação via hardware e software para comunicação serial. Adicionamos descritivos sobre características de circuitos com motores de passo, esquemas elétricos, procedimento de gravação do microcontrolador 8051 no kit para que se possa incrementar novas atualizações ao projeto.

Etapas

Especificação do projeto

Consiste na documentação postada em Wiki descrevendo as características, dispositivos utilizados, implementação e testes do projeto. A codificação das mensagens tende a ser o mais transparente possível entre o PC e o motor de passo. Fazendo com que o código no microcontrolador seja mais simplificado. A desvantagem desta implementação é grande quantidade de números "0" que são transmitidos, fazendo que se houver transmissão continua de um mesmo dado, haverá a possibilidade de perda do sincronismo. A codificação está definida na tabela abaixo. Uma palavra na interface serial é composto por 8 bits entre PC e Kit, respeitando o padrão UART. O objetivo final é decodificar para acionar o motor de passo de 4 fios rotacionando conforme o ângulo definido na tabela abaixo.

Tabela de codificação do motor de passo

Valor	Código UART	Código P2 8051	Movimento
1	00000001	0001	0°
2	00000011	0011	45°
3	00000010	0010	90°
4	00000110	0110	135°
5	00000100	0100	180°
6	00001100	1100	225°
7	00001000	1000	270°
8	00001001	1001	315°

Se a tabela acima fosse implementada na ordem sugerida o motor de passo completaria uma volta.

• Demais especificações:
  • As mensagens serão sentido PC->microcontrolador, ou seja, o microcontrolador apenas decodifica as mensagens e aciona o motor de passo.
  • Não haverá verificação de erro da palavra recebida no SBUFF.
  • Não haverá implementação de reenvio de palavra.
  • Ângulos de movimento pré-fixados em tabela.
  • Sem controle de desvio de rotação.
  • Controle somente de um motor de passo.
  • Rotação do motor é sentindo horário e anti-horário.
  • atraso entre os comandos de 1 segundo.
  • mensagens recebidas são tratadas como um interrupção.
  • Motor ficará em repouso enquanto não houve comando.
  • um bit de parada.
  • nenhum bit de paridade.
  • taxa de comunicação interface serial: 9600bps

Pesquisa

Consiste em avaliar e obter as ferramentas de hardware e aplicativos para desenvolvimento do projeto. Os principais recursos utilizados são: kit diático AT89Sxx,motor de passo 5V, driver ULN2003, computador com uma distribuição Linux, com porta RS232 e paralela. Aplicativos: Proteus, MCU8051IDE, Gtkterm, AEC ISP.

Descritivo dos aplicativos

• MCU8051IDE: simulador completo para circuito da arquitetura C51. Acesso aos registradores especiais e memória interna, externa. O Simulador permite compilar e gerar um código .hex para gravação em um respectivo microcontrolador.
• Gtkterm: aplicativo que lê e escreve dados na porta RS-232.
• AEC_ISP: Gravador dedicado para gravar microcontroladores da família C51 pela porta paralela do computador.
• Proteus: Simulador de circuito eletrônico com grande biblioteca de componentes.

Previsão de conclusão: 01/12/2014

Descritivo dos dispositivos

• Motor de Passo

Motores de passos são dispositivos mecânicos eletro-magnéticos que podem ser controlados digitalmente através de um hardware específico ou através de softwares. Esses motores são usados em aparelhos onde a precisão é um fator importante. Existem vários modelos de motores de passos disponíveis no mercado que podem ser utilizados para propósitos como impressoras, robôs, câmeras de vigilância, máquinas industriais, brinquedos. Como os demais motores, o movimento dos motores de passo é gerado pela interação entre imãs permanentes e eletroímãs. Tipicamente os eletroímãs estão fixos e os imãs permanentes estão na parte móvel do motor. O que diferencia o motor de passo é que o movimento é controlado por pulsos, ativando e desativando os eletroímãs em uma determinada ordem. Dependendo de quais eletroímãs estão ativos, os imãs permanentes serão atraídos, colocando o motor em uma determinada posição. A ordem e a velocidade dos pulsos determina o movimento do motor.

• Funcionamento Motor de passo

• Funcionamento Motor de passo
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As portas de I/O do microntrolador 8051 usam tecnologia CMOS e tensão até 5.5V e 60uA de corrente. Para controlar o motor de passo é necessário um arranjo tipo drive para fornecer maior corrente ao motor. O esquema abaixo demostra a conexão da saída do microntrolador a um transistor de Potência. A base do microcontrolador colocará o transistor de potência saturado fazendo o motor ser alimentado. Se A base do transistor de potência ser 0V o transistor entrará na região de corte e o motor será desligado. Se a base do transistor de potência ser 5V, o transistor entrará na região de saturação, permitindo que o motor seja alimentado.

• Circuito Motor de passo

Para agilizar o desenvolvimento optamos por utilizar o driver comercial ULN2003 e o motor de passo 28BYJ-48. O ULN2003 suporta até 500mA de corrente em cada porta. Este componente possui diodo catodo comum em cada porta para proteção contra picos de corrente provenientes do "start do motor.

Motor de passo 28BYJ-48.

Conforme a derivada abaixo, descreve o pico de corrente gerada quando o motor é acionado. O pico de corrente ocorre devido ao período do pulso tender a zero e gerando uma alta frequência na bobina, no qual surgirá uma reatância indutiva e um tensão aumentando o fluxo de corrente para o driver. Para controlar este efeito é usado diodos em cada porta do driver ULN2003.

$V=L.(di/dt)$

L= indutância.

t= tempo.

V=tensão.

Especificação motor de passo 28BYJ-48

• Diagrama driver ULN2003.

Especificação Driver ULN2003

O esquema elétrico do circuito entre o microcontrolador e o motor de passo :

• RS-232

Os comandos para acionar o motor são enviados pelo computador para o kit através de um cabo RS-232. É uma tecnologia de comunicação ponto a ponto e a mensagem é formada por palavras de 8 bits. Sua facilidade, custo e baixa complexidade de implementação permite seu uso em grande escala em projetos que não exigem alta taxa de transferência. Uma de suas limitações é a distância, não devendo ser superior a 10 metros. O microcontrolador oferece 4 modos de operação. Porém iremos forcar no modo de operação 2, no qual configura a interface para operar em modo full-duplex, sem bit de paridade. A velocidade da interface depende da frequência de oscilação do cristal montado no Kit. As equações para obter a taxa de bauds, são apresentadas na apostila do curso. O pinos obrigatórios para haver comunicação são o 2(TX), 3(RX) e 5(GND). A conexão na outra extremidade deve ter os sinais RX e TX invertidos na própria interface do computador ou senão invertido no conector do cabo.

Disposição dos pinos e sinais no conector DB-9

• Microcontrolador

Para o desenvolvimento deste projeto, utilizamos o Kit didático micro AT89Sxx disponível no almoxarifado do IFCS-SJ. O kit é composto por:

• • Microcontrolador ATMEL AT89S8252
  • 1 Interface UART
  • 6 botões push-button conectados na porta P3.
  • 8 botões push-button conectados na porta P2.
  • 8 Leds conectados na porta P1.
  • 4 conjuntos de barra pinos conectados nas portas P0, P1, P2 e P3.
  • Interface de gravação do microcontrolador.
  • Interface para display 2x16.

as interfaces do kit são apresentados na imagem abaixo:

• Conector para gravaçãoo

A interface de gravação utiliza um cabo RS-232/paralela. A interface RS-232 do cabo é conectado na porta Gravação do kit(conector DB-9 Fêmea) e conector DB-25 do cabo conectado na porta paralela do computador. O esquema do cabo é representado na imagem abaixo:

• Programa gravador

O programa de gravação do microcontrolador para Windows XP está disponível no link abaixo.

• especificação do aplicativo
• Gravador do kit Link 1
• Gravador do kit Link 2

• Gravação no Kit didático AT89Sxx

Passos para gravar um arquivo (.HEX) compilado no Kit.

• 1- Conecte o cabo de gravação na porta "CABO PROG" e na porta paralela do computador.
• 2- Com o kit desligado, abra o jumper J1.
• 3- Mude a chave EXEC/PROG para Prog.
• 4- Ligue o kit.
• 5- Abra o programa AEC_ISP.
• 6- Selecione a opção "Load to buffer flash the .hex data.
• 7- Em "input file:" Digite o caminho do arquivo .hex.
• 8- Pressione "ENTER" para confirmar.
• 9- Pressione "ESC" para retornar.
• 10- Selecione a opção "Load display buffer flash". verifique se o arquivo foi carregado.
• 11- Pressione "ESC" para voltar.
• 12- Selecione a opção "program" e observe as mensagens durante de gravação.
• 13- Desligue o kit.
• 14- Mude a Chave EXEC/PROG de "PROG" para "EXEC".
• 15- Feche o jumper J1.
• 16- Retire o cabo prog.
• 17- Ligue o kit. O programa gravado entrará em execução.

Fluxogramas

Fluxograma do laço principal

Fluxograma da sub-rotina interrupção serial

Fluxograma da sub-rotina interrupção timer0

Desenvolvimento

Algorítmo 8051 (Escravo)

O programa no microcontrolador atua como escravo. Recebe as mensagens do PC(Mestre) e decodifica através de sinais na porta P2.

configuração dos registradores e temporizações

O código do microcontrolador é feito em Assembly. Inicia configurando o modo de operação do timer 1, serial e interrupções. É implementado a rotina de acionamento da porta P2, no qual esta conectado o motor de passo no endereço de interrupção 0x0023H. Em um eventual dado recebido pela interface RS 232, o byte em SBUF é enviado para o acumulador. O byte então, é decodificado e enviado o sinal correspondente para a porta P2.

• TMOD, TH1, TH0, TL0

O Timer 1 é definido para operar em 8 bits, sendo utilizado para gerar taxa de TX na RS232 de 9600 bauds. ​​org 0000h MOV TMOD, #21H ;Configuração do Timer 1 em modo 2 (8 bits) e Timer 0 em modo 1 (16 bits). MOV TH1 , #0FDH ;Considerando um clock 11,052MHz e uma taxa de 9600 Baud rate. </syntaxhighlight>

• SCON

MOV SCON, #50H ;configura o modo de operação da interface serial, e habilita o modo de recepção

mov ie, #10010000b ;habilita a interrupção do modo serial. Endereço da interrupção

0x0023H

</syntaxhighlight>

• SBUF

o registrador IR atua como uma flag, sendo setado toda vez que recebe uma janela de bits validos no Registrador SBUF. Loop: JNB RI, Loop </syntaxhighlight>

• Rotina 50 ms

O Timer 0 é utilizado para contabilizar um bloco elementar de 50ms. Demais temporizações são referenciadas a partir deste bloco. DELAY_50ms:

      MOV TH0,#3CH;
      MOV TL0,#0B0H;
      MOV TCON,#10H;

LOOP: JNB TF0, LOOP;

      CLR TF0;
      CLR TR0;
      RET;

</syntaxhighlight>

• Rotina de 1 segundo usa a rotina de delay_50ms como estrutura básica para gerar delay de 1 segundo:

MAIN:LCALL DELAY_1SEG; DELAY_1SEG: MOV B,#19D; AQUI: LCALL DELAY_50MS; DJNZ B, AQUI; RET;

DELAY_50ms:

       MOV TH0,#3CH;
       MOV TL0,#0B0H;
       MOV TCON,#10H;

LOOP: JNB TF0, LOOP;

       CLR TF0;
       CLR TR0;
       RET;

</syntaxhighlight>

Tratamento das interrupções e comandos para o motor de passo

Quando habilitado a interrrupção na porta serial e houver o SBUFF recebido um byte na RS-232, o registrador PC irá assumir o endereço para a posição 0023H e Stack Pointer será incrementado em dois onde será armazenado o endereço de programa da próxima instrução antes do desvio para a posição 0023H.

A partir da posiçã 0023H é zerado a flag de interrupção IR, e testa o byte recebido em SBUF com os ângulos pré-determinados. Em caso de igualdade jogará na saída de P2 (P2.[0-3]) o respectivo sinal de acionamento.

ORG 0023H MOV A,SBUF; CLR RI SJMP TEST_ANG_0

TEST_ANG_0:

  CJNE A,#ANG_0,TEST_ANG_45
  MOV P2,#ANG_0;
  lcall delay_1seg;
  RETI
  

TEST_ANG_45:

  CJNE A,#ANG_45,TEST_ANG_90
  MOV P2,#ANG_45;
  lcall delay_1seg;
  RETI
  

TEST_ANG_90:

  CJNE A,#ANG_90,TEST_ANG_135
  MOV P2,#ang_90;
  lcall delay_1seg;
  RETI

TEST_ANG_135:

  CJNE A,#ANG_135,TEST_ANG_180 
  MOV P2,#ANG_135;
  lcall delay_1seg;
  RETI

TEST_ANG_180:

  CJNE A,#ANG_180,TEST_ANG_225
  MOV P2,#ANG_180;
  RETI      

TEST_ANG_225:

  CJNE A,#ANG_225,TEST_ANG_270
  MOV P2,#ANG_225;
  lcall delay_1seg;
  RETI  

TEST_ANG_270:

  CJNE A,#ANG_270,TEST_ANG_315
  MOV P2,#ANG_270;
  lcall delay_1seg;
  RETI   

TEST_ANG_315:

  CJNE A,#ANG_315,ERRO;
  MOV P2,#ANG_270;
  lcall delay_1seg;
  RETI  

ERRO:

  MOV P2,#15d;
  reti;

</syntaxhighlight>

Código completo Controle motor de passo

codigo motor de passo ATMEL 8051

org 0000; ANG_0 EQU 01H; ANG_45 EQU 03H; ANG_90 EQU 02H; ANG_135 EQU 06H; ANG_180 EQU 04H; ANG_225 EQU 0CH; ANG_270 EQU 08H; ANG_315 EQU 09H; MOV TMOD,#21H MOV TH1,#0FDH MOV SCON, #50H mov ie, #10010000b ljmp main; org 0023H mov a,sbuf; clr ri SJMP TEST_ANG_0 TEST_ANG_0: CJNE A,#ANG_0,TEST_ANG_45 MOV P2,#ANG_0; lcall delay_1seg; RETI TEST_ANG_45: CJNE A,#ANG_45,TEST_ANG_90 MOV P2,#ANG_45; lcall delay_1seg; RETI TEST_ANG_90: CJNE A,#ANG_90,TEST_ANG_135 MOV P2,#ang_90; lcall delay_1seg; RETI TEST_ANG_135: CJNE A,#ANG_135,TEST_ANG_180 MOV P2,#ANG_135; lcall delay_1seg; RETI TEST_ANG_180: CJNE A,#ANG_180,TEST_ANG_225 MOV P2,#ANG_180; RETI TEST_ANG_225: CJNE A,#ANG_225,TEST_ANG_270 MOV P2,#ANG_225; lcall delay_1seg; RETI TEST_ANG_270: CJNE A,#ANG_270,TEST_ANG_315 MOV P2,#ANG_270; lcall delay_1seg; RETI TEST_ANG_315: CJNE A,#ANG_315,ERRO; MOV P2,#ANG_270; lcall delay_1seg; RETI ERRO: MOV P2,#15d; reti; ----------------------------------- DELAY_1SEG: MOV r0,#19h; AQUI: LCALL DELAY_50MS; DJNZ r0, AQUI; RET; DELAY_50ms: MOV TH0,#3CH; MOV TL0,#0B0H; MOV TCON,#10H; LOOP: JNB TF0, LOOP; CLR TF0; CLR TR0; RET; ------------------------------------ main: Loop1: JNB RI, Loop1 jmp loop1; </syntaxhighlight>

Algorítmo computador (Mestre)

O código de envio dos comandos é construído em C e utiliza bibliotecas do código fonte do kernel para controlar o interface RS 232.

o arquivo 8051.h provê especifica alguns apelidos para as palavras em binário dos comandos do motor, importa as bibliotecas do linux e define as funções utilizadas:

1. include <stdio.h> // standard input / output functions
2. include <string.h> // string function definitions
3. include <unistd.h> // UNIX standard function definitions
4. include <fcntl.h> // File control definitions
5. include <errno.h> // Error number definitions
6. include <termios.h> // POSIX terminal control definitionss
7. include <time.h> // time calls
8. include <sys/time.h>

enum commands {

   CM_START_MOTOR = 0x0,
   CM_STOP_MOTOR  = 0x1,
   CM_STATE_MOTOR = 0X2

};

enum events {

   EV_MOTOR_IS_STOPED  = 0x0,
   EV_MOTOR_IS_RUNNING = 0x1,
   EV_START_MOTOR_FAIL = 0x2

};

//apelidos para os comandos de movimento para o motor conforme o respectivo ângulo enum angles {

   angle_0   = 0x1, // 0001
   angle_45  = 0x3, // 0011
   angle_90  = 0x2, // 0010
   angle_135 = 0x6, // 0110
   angle_180 = 0x4, // 0100
   angle_225 = 0xC, // 1100
   angle_270 = 0x8, // 1000
   angle_315 = 0x9  // 1001

};

// definição das funções int open_serial_port(char * serial_port); // le o dispositivo /dev/ttyS0 no qual esta a porta RS-232 do computador int configure_port(int fd); // função para definir o modo de operação porta RS-232. definimos a /dev/ttyS0 para operar com taxa de 9600bps, 8 bits por palavra, Sem bit de paridade e com 1 bit de parada.

</syntaxhighlight>

O arquivo 8051.c é o arquivo principal do programa. É por ele que a configuração da porta e envio dos comandos pela RS-232.

int open_serial_port(char * serial_port) {

   int fd; // Arquivo de descrição da porta serial
   //O_RDWR - define a porta como escrita e leitura.
   //O_NOCTTY -
   //O_NDELAY - Irá atender a qualquer dado recebido na RS-232.
   fd = open(serial_port, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);

   perror("retorna");            // Se não conseguir abrir a porta, retorna e apresenta mensagem de erro. 

   if (fd  > -1) 
   {
       fcntl(fd, F_SETFL, 0);
   }

   return(fd);

} </syntaxhighlight>

Função de configuração da porta.

int configure_port(int fd) {

   struct termios port_settings;      // structure to store the port settings in

   cfsetispeed(&port_settings, B9600);    // set baud rates
   cfsetospeed(&port_settings, B9600);

   port_settings.c_cflag &= ~PARENB;    // set no parity, stop bits, data bits
   port_settings.c_cflag &= ~CSTOPB;
   port_settings.c_cflag &= ~CSIZE;
   port_settings.c_cflag |= CS8;

   tcsetattr(fd, TCSANOW, &port_settings);    // apply the settings to the port
   return(fd);

} </syntaxhighlight>

função para testes de envio de comando pela RS232 send_command(int fd, unsigned char command) {

   printf("write: %d\n", write(fd, &command, 1)); //Send data

} </syntaxhighlight> Inicialização do algoritmo 8051.c. int main() {

   int fd = open_serial_port("/dev/ttyS0");

   unsigned char i = 0;

   while (1)
   {
       if (i == 255)
          i = 0;

       send_command(fd, i);

       printf("i: %d\n", i);
       i = i + 1;

       usleep(100000);
   }

} </syntaxhighlight>

Testes

Conclusão

Objetivo desta primeira versão do projeto é decodificar as mensagens do motor de passo, e ter um controle básico enviando sinais para movimentar o motor em pré-determinados ângulos. Fica como sugestão em próximas versões o controle de rotação tal como intensidade e menores ângulos de abertura ou proteção contra desvio de rotação. Para tal é necessário um motor depasso mais complexo com saída para sensor de corrente, um driver com esta opção. demais propostas é criar maior robustez na comunicação entre PC e kit, contra erros de Tx, para isto é necessário implementar mensagens de tx no kit e padronizar tais mensagens de erro. É interessante também codificar as mensagens de modo manter o sincronismo durante a transmissão.