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 الH-Bridge  وكيفية استعماله للتحكم في تشغيل وايقاف محرك تيار مستمر وايضا عكس اتجاه حركته. قد يستخدم في روبوت متتبع الخط او اي روبوت نحتاج للتحكم في اتجاه حركته

المكونات المطلوبة

Arduino Uno

1K Resistor

2n2222 NPN Transistor

DC Motor

DC Power Supply

Breadboard

Wires

الترانزستور Transistor :

هو عبارة عن مفتاح إلكتروني يتم التحكم في فتحه وإغلاقه إلكترونيا. ويتركب الترانزستور من مواد شبه موصلة وله ثلاث أطراف، الطرف الأول يسمة مشع (emitter)  والثاني يسمى القاعدة (base)، والثالث يمسى المجمع (collector) .

فكرة عمله :

عند مرور التيار إلى طرف القاعدة يصبح الترانزستور في حالة توصيل وسيتم مرور التيار بين المشع والمجمع. وعند قطع التيار يصبح في حالة القطع أي لا يتم مرور أي تيار بين المشع والمجمع.

H-Bridge :

هو عبارة عن أربعة ترانزستور موصلين معا بشكل معين لتمكين المحرك من الدوران في إتجاهين مختلفين.

فكرة عمله :

الصورة التالية توضح كيف يتركب الـ H-Bridge:

عند تشغيل كلا الترانزستور 1 و 4 يعمل المحرك نحو الإتجاه الأول وعند تشغيل الترانزستور 2 و 3 يعمل المحرك في الإتجاه المعاكس للإتجاه السابق.

وبذلك، يتم عكس الدوران اتوماتيكيا دون الحاجة إلى تغيير التوصيل يدويا. على عكس محرك التيار المستمر، الذي يتم تعكس اتجاهه عن طريق عكس اطراف المحرك مع مصدر التيار الكهربائي.

في الحالة الأولى، سيدور المحرك مع إتجاه عقارب الساعة. وبعكس توصيل الأطراف (كما هو موضح بالحالة الثانية) سينعكس إتجاه الدوران ليصبح عكس عقارب الساعة.

توصيل الدارة :

لا يمكن توصيل محرك التيار المستمر مباشرة مع الأردوينو. وذلك لأن المحرك يحتاج إلى تيار عالي لا يستطيع الأردوينو إعطاءه له. لذلك، سنقوم بإستخدام الترانزستور كدائرة بين الاردوينو الذي يعمل مع تيار صغيرة وبين المحرك الذي يحتاج إلى تيار عالي.

قم بتوصيل الدارة كما هو موضح بالصورة :

الكود البرمجي

في هذا المشروع، سيدور المحرك في الإتجاه الأول لمدة ثلاث ثوان، ثم يتوقف لمدة ثلاث ثوان. ثم يدور المحرك بالإتجاه المعاكس لمدرة ثلاث ثوان، ثم يتوقف لمدة ثلاث ثوان أخرى. وهكذا حتى يتم فصل التيار الكهربائي.

قم بتحميل الكود التالي إلى الأردوينو :

#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 :

قمنا سابقا بتوصيل طرفى كلا من الترانزستور (IN1,IN2) بمنفذ 12 و 13 للأردوينو . لذلك قمنا بتسمية كلا المنفذين للأردونو تبعا لما تم توصيله بالدارة.

#define MOTOR_IN1 12
#define MOTOR_IN2 13

نقوم بتعرف المتغيرات IN1 و IN2 ( أطراف الـ H-bridge الموصله بالاردوينو) 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 دالة ()loop، نقوم أولا بإستدعاء 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);
}