مقدمة

محرك Stepper motor ويدعى بالعربية المحرك الخطوي (محرك خطوة بخطوة) وهو محرك كهربائي يستخدم في الآلات الصغيرة التي تحتاج لدقة في التحكم مثل الطابعة وقاطع الليزر .. الخ

من أهم مميزات هذا المحرك الخطوي هو انه يمكنه التحكم في عدد وسرعة جوراته وزاوية التوقف بدقة.

في هذا الدرس ستتعلم كيفية التحكم بالمحرك الخطوي stepper motor عبر الأردوينو ورقاقة التحكم L293D والتي استخدمناها بالدرس السادس عشر.

المواد والأدوات

1× المحرك الخطوي (5V Stepper Motor)

1× دائرة متكاملة للتحكم بالمحرك(Dual H-Bridge  L293D)

1× لوحة التجارب (Half-size Breadboard)

 1× اردوينو اونو

حزمة أسلاك توصيل (ذكر-ذكر)

1× سلك اردوينو

توصيل الدائرة

محرك stepper motor لديه 5 اسلاك ، كما سنقوم باستخدام رقاقة L293D كاملة هذه المرة .

لاستخدام المحرك الخطوي بالمشروع يمكن استخدام اسلاك jumper wires وربطها بالمحرك عبر المقبس الموجود بنهاية اسلاكه الخمسة حتى تتمكن مر توصيله بلوح التجارب.

لاحظ أن السلك الأحمر للمحرك لايتم ربطه بأي شيء.

الكود البرمجي

الكود التالي يستخدم شاشة الاتصال التسلسلي serial monitor ، لذلك بعد رفع الكود على الاردوينو وتشغيله ، قم بفتح شاشة الاتصال التسلسلي Serial Monitor وقم بإدخال رقم الخطوات ‘steps’.
جرب ادخال القيمة 500 ، هذا سيجعل المحرك يدور حتى درجة 360 درجة. قم بإدخال القيمة -500 وسيقوم المحرك بالدوران بشكل عكسي.

#include <Stepper.h>
 
int in1Pin = 12;
int in2Pin = 11;
int in3Pin = 10;
int in4Pin = 9;
 
Stepper motor(512, in1Pin, in2Pin, in3Pin, in4Pin);  
 
void setup()
{
  pinMode(in1Pin, OUTPUT);
  pinMode(in2Pin, OUTPUT);
  pinMode(in3Pin, OUTPUT);
  pinMode(in4Pin, OUTPUT);

  while (!Serial);
 
  Serial.begin(9600);
  motor.setSpeed(20);
}
 
void loop()
{
  if (Serial.available())
  {
    int steps = Serial.parseInt();
    motor.step(steps);
  }
}

كما تلاحظ يوجد مكتبة برمجية خاصة لدعم محرك stepper motor مما يجعل استخدام المحرك سهل جداً.

بعد اضافة مكتبة ‘stepper’ البرمجية ، يتم تعريف المنافذ  ‘in1’ – ‘in4’.

Stepper motor(768, in1Pin, in2Pin, in3Pin, in4Pin);

العامل المدخل الأول هو عبار عن عدد الخطوات ‘steps’ التي سينفذها المحرك.

بعد ذلك يقوم متحكم الأردوينو بإنتظار الأرقام المقترحة للادخال من خلال الاتصال التسلسلي Serial Monitor.

أخيراً ، الأمر التالي يقوم بتحديد السرعة للمحرك.

motor.setSpeed(10);

دالة loop واضحة ، حيث ينتظر الرقم المدخل (كنص) من خلال الاتصال التسلسلي Serial Monitor  ويتم تحويل النص لرقم عبر استخدام ‘parseint’. بعد ذلك يتم توجيه المحرك الخطوي بعدد خطوات الحركة.

المحرك الخطوي  Stepper Motor

المحرك الخطوي  Stepper motor يستخدم تروس والمغناطيس الكهربائي لدفع التروس خطوه بخطوه.

أنشطة أخرى

حاول تغيير الأمر الذي يقوم بتحديد سرعة المحرك الخطوي.

 motor.setSpeed(20);

=قم بالتلاعب بالقيم والأسلاك لتتعرف على تأثير التغيرات التي قمت بها بالتجربة.

 

في هذا المشروع سنتعلم فكرة عمل المرحل وكيفية استعماله للتحكم في تشغيل و ايقاف محرك التيار المستمر والتحكم أيضا في عكس اتجاه حركته. يمكن استخدامه للتحكم في اتجاه الروبوت، مثل روبوت متتبع المسار .

المكونات المطلوبة

Arduino Uno

Relay Module 5v

DC Motor

DC Power Supply

Breadboard

Wires

المرحل Relay

المرحل هو عبارة عن مفتاح كهروميكانيكي، بمعنى انه مفتاح كأي مفتاح ميكانيكى يتكون من نقاط تلامس، إلا أنه يحتوي على ملف كهربي. فائدة هذا الملف هو التحكم في توصيل وفصل نقاط التلامس للتحكم في فصل وتشغيل المرحل.

مكونات المرحل

1. ملف كهربي
2.   نقاط توصيل مغلقة و مفتوحة

لماذا يتم استخدام المرحل؟

لا يمكننا توصيل محرك تيار مستمر بشكل مباشرة مع الاردوينو، لأن المحرك يحتاج الى تيار عالي لا يستطيع الاردوينو اعطاءه  له. لذلك نستخدم المرحل كواجهة  بين الاردوينو الذي يعمل بتيارات صغيرة وبين المحرك الذي يحتاج الى تيارات عالية .

محرك التيار المستمر DC Motor

هو عبارة عن جهاز يقوم بتحويل الطاقة من صورة كهربائية الى صورة ميكانيكية بمعنى اننا نقوم بتوصيل التيار الكهربي اليه لنحصل على عزم دوراني. يمكن استخدامة مع اي جسم ليتم تحريكه. مثلا في الروبوت نحتاج الى محرك تيار مستمر كي يتم تحريك الروبوت او استخدامه في صنع المراوح الكهربية او حتى صنع مضخات المياه.

توصيل الدارة :

قم بتوصيل الدارة كما هو موضح بالصورة أدناه :

التوصيل :

الأردوينو	المرحل
طرفى المحرك	طرفى COM
طرف البطارية الموجب	طرفى NO
طرف البطارية السالب	طرفى NC
Vcc	Vcc
Gnd	GND
منفذ 12	IN1
منفذ 13	IN2

كيفية عمل الدارة

بالنسبة للاردوينو، يتم التحكم عن طريق المخارج الرقمية. بمعنى اننا سنقوم بتوصيل طرفى المرحل على مخارج من النوع الرقمي في الاردوينو. سنقوم بإعطاء قيمة HIGH على المخرج الأول وقيمة LOW على المخرج الثاني، لجعل المحرك يدور مع اتجاه عقارب الساعة. ويقوم بالدوران عكس عقارب الساعة عند عكس هذه العملية. ولجعله يتوقف سيتم إعطاء كلا الطرفين قيمة LOW .

الكود البرمجى :

يدور المحرك في الاتجاه الاول لمدة 3 ثوان ثم يتوقف مدة 3 ثوان و يدور فى الاتجاه المضاد لمده 3 ثوان ثم يتوقف مدة 3 ثوان اخرى وهكذا حتى يتم فصل التيار الكهربائي

#define MOTOR_IN1 12
#define MOTOR_IN2 13  

void motor_forward(void);  // a function that will be called to rotate it clockwise
void motor_reverse(void);  // a function that will be called to totate it counter-clockwise
void motor_stop(void);     // a function that will be called to stop the rotation

void setup() {
  pinMode(MOTOR_IN1, OUTPUT);  // set the first pin of the relay as output
  pinMode(MOTOR_IN2, OUTPUT);  // set the 2nd pin of the relay as output
}

void loop() {
  motor_forward();             // move forward/clockwise
  delay(3000);                 // keep rotating cw for 3 seconds
  motor_stop();                // stop rotating
  delay(3000);                 // stand still for 3 seconds
  motor_reverse();             // reverse the rotation direction/ccw
  delay(3000);                 // keep rotating ccw for 3 seconds
  motor_stop();                // stop rotating
  delay(3000);                 // stand still for 3 seconds
}

void motor_forward(void)       // the function that will cause the motor to rotate cw
{
  digitalWrite(MOTOR_IN1, HIGH);
  digitalWrite(MOTOR_IN2, LOW);
}

void motor_reverse(void)       // the function that will cause the motor to rotate ccw
{
  digitalWrite(MOTOR_IN1, LOW);
  digitalWrite(MOTOR_IN2, HIGH);
}

void motor_stop(void)          // the function that will cause the motor to stop rotating
{
  digitalWrite(MOTOR_IN1, LOW);
  digitalWrite(MOTOR_IN2, LOW);
}

شرح الكود البرمجي

هنا قمنا بضبط المخارج الموصولة على الدارة المتكاملة IN1 & IN2 كمخرج :

void setup() {
  pinMode(MOTOR_IN1, OUTPUT);  // set the first pin of the relay as output
  pinMode(MOTOR_IN2, OUTPUT);  // set the 2nd pin of the relay as output
}

في البداية قمنا باستدعاء الدالة ()motor_forward  . تقوم هذه الدالة بتشغيل المحرك مع اتجاه عقارب الساعة لمدة 3 ثوان (delay(3000) ) . ثم نقوم باستخدام الدالة ()motor_stop ، لإيقاف المحرك عن العمل لمدة 3 ثوان. ثم يتم عكس اتجاه حركة المحرك باستخدام الدالة ()motor_reverse لمدة 3 ثوان. ومن ثم يعود ليكرر نفس هذه المهمة من البداية مرة أخرى.

void loop() {
  motor_forward();             // move forward/clockwise
  delay(3000);                 // keep rotating cw for 3 seconds
  motor_stop();                // stop rotating
  delay(3000);                 // stand still for 3 seconds
  motor_reverse();             // reverse the rotation direction/ccw
  delay(3000);                 // keep rotating ccw for 3 seconds
  motor_stop();                // stop rotating
  delay(3000);                 // stand still for 3 seconds
}

الدلة ()motor_forward، تقوم بتحريك المحرك بإتجاه عقارب الساعة. تتم هذه العملية عن طريق جعل قيمة IN1  للمرحل HIGH والطرف الآخر LOW .

void motor_forward(void)       // the function that will cause the motor to rotate cw
{
  digitalWrite(MOTOR_IN1, HIGH);
  digitalWrite(MOTOR_IN2, LOW);
}

تعمل هذه الدالة ()motor_reverse بشكل مشابه للدالة السابقة، إلا أنها تعكس اتجاه دوران المحرك. تتم هذه العملية عن طريق جعل قيمة IN2 للمرحل HIGH، وIN1 قيمة LOW .

void motor_reverse(void)       // the function that will cause the motor to rotate ccw
{
  digitalWrite(MOTOR_IN1, LOW);
  digitalWrite(MOTOR_IN2, HIGH);
}

دالة ()motor_stop، تقوم بإيقاف المحرك تماما عن الحركة، عن طريق جعل قيمة كلا الطرفين LOW فلا يصل التيار للمحرك فيتوقف.

void motor_stop(void)          // the function that will cause the motor to stop rotating
{
  digitalWrite(MOTOR_IN1, LOW);
  digitalWrite(MOTOR_IN2, LOW);
}