步進電機的單片機控制

本設計采用凌陽16 位單片機SPCE061A對步進電機進行控制，通過IO口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片L298N驅動步進電機；同時，用4X4的鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管顯示電機的轉速，采用74LS164作為4位單個數(shù)碼管的顯示驅動，從單片機輸入信號；利用凌陽單片機的語音功能播報電機的轉速。

摘要： 本設計采用凌陽16 位單片機SPCE061A對步進電機進行控制，通過IO口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過芯片L298N驅動步進電機；同時，用 4X4的鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管顯示電機的轉速，采用74LS164作為4位單個數(shù)碼管的顯示驅動，從單片機輸入信號；利用凌陽單片機的語音功能播報電機的轉速。

關鍵詞： 步進電機 單片機 數(shù)碼管

一、 方案論證與比較

1、本設計的重點在于對步進電機的控制和驅動，設計中受控電機為四相六線制的步進電機（內(nèi)阻33歐，步進1.8度，額定電壓12V）

方案一：使用多個功率放大器件驅動電機

通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復雜。

方案二：使用L298N芯片驅動電機

L298N芯片可以驅動兩個二相電機（如圖1－1），也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。

圖1－1

通過比較，使用L298N芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅動步進電機，且價格不高，故選用L298N驅動電機。而使用L298N時，可以用L297來提供時序信號，可以節(jié)省單片機IO口的使用；也可以直接用單片機模擬出時序信號，由于控制并不復雜，故選用后者。

2、 數(shù)碼管顯示電路的設計

方案一：串行接法

設計中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅動，其中帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約IO口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。

方案二：并行接法

使用并行接法時要對每個數(shù)碼管用IO口單獨輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。

由于設計中用一塊單片機進行控制，資源有限，選擇了方案一。另外，使用鎖存也起到節(jié)約資源的作用。

二、步進電機控制原理

步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合式步進電機（簡稱HB）。

步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。

步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：

(1)控制換相順序

通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。

(2)控制步進電機的轉向

如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。

(3)控制步進電機的速度

如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。

三、理論設計

綜和以上選取的方案，總的流程如圖3－2所示。

圖3－1

1、步進電機驅動電路

通過L298N構成步進電機的驅動電路,電路圖如圖3－2所示。

通過單片機SPCE061A的IOB8～IOB13對L298N的IN1～IN4口和ENA、ENB口發(fā)送方波脈沖信號，起時序圖如圖3－3所示。

圖3－2

圖3－3

2、數(shù)碼管顯示電路的設計

數(shù)碼管的顯示驅動使用74LS164，通過SPCE061A的IOB0和IOB1口對DATA和CLK發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3－4

3、4x4鍵盤電路

在設計中，使用了標準的4x4鍵盤，其電路圖如圖3－5所示。單片機的A口低8位為鍵盤的接口。盡管設計要求中只需要4個鍵對步進電機的狀態(tài)進行控制，但考慮到對控制功能的擴展，我們使用了4x4的鍵盤。

圖3－5

四、程序設計

在進行程序設計的過程中，主要分為五個部分：雙機通訊、語音報數(shù)、數(shù)字顯示、步進電機驅動、鍵盤；其中雙機通訊的實現(xiàn)和語音報時比較有特點，將其流程簡要介紹如下，其他部分見附的程序。

1、雙機通訊

圖4－1

我們在實現(xiàn)雙機通訊的過程中使用了“三次握手”的方式，這是Intle網(wǎng)中成用的數(shù)據(jù)通訊確認協(xié)議，其流程圖如圖4－1所示。

2、語音報數(shù)

程序設計中語音報數(shù)使用的是SACM－A2000，考慮到程序比較簡單，首先使用了自動報數(shù)方式，但發(fā)現(xiàn)不能進行連續(xù)報數(shù)，于是使用了非自動方式，流程圖如圖4－2所示。

圖4－2

五、結果分析與總結

應該說這次課程設計還是基本達到了設計的要求，但是也存在著未能解決的問題，由于在執(zhí)行語音程序時對資源的消耗比較大，在語音報數(shù)的時候會中斷步進電機驅動信號的輸出，導致電機停轉。為此，我們修改了方案，使用了兩塊單片機，通過雙機通訊來傳遞信號，遺憾的是問題仍然沒有得到解決。

這次步進電機的綜合實驗我們學到了步進電機、數(shù)碼管、4*4鍵盤、語音報數(shù)和雙機通訊的使用，更重要的是學會了程序出問題時調(diào)試的方法，并養(yǎng)成了Debug的習慣，學到了程序出問題后怎樣去解決的基本方法。

參考文獻：

[1]謝自美《電子線路設計、實驗、測試（第二版）》[M]武漢：華中理工大學出版社，2000.

[2]薛鈞義，張彥斌，樊波等《凌陽十六位單片機原理及應用》[M]北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[EB/01] http://www.sunplus.com.