步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制

本設(shè)計(jì)采用凌陽16 位單片機(jī)SPCE061A對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過IO口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過芯片L298N驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；同時(shí)，用4X4的鍵盤來對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用數(shù)碼管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用74LS164作為4位單個(gè)數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)，從單片機(jī)輸入信號(hào)；利用凌陽單片機(jī)的語音功能播報(bào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

摘要： 本設(shè)計(jì)采用凌陽16 位單片機(jī)SPCE061A對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過IO口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過芯片L298N驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；同時(shí)，用 4X4的鍵盤來對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用數(shù)碼管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用74LS164作為4位單個(gè)數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)，從單片機(jī)輸入信號(hào)；利用凌陽單片機(jī)的語音功能播報(bào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 數(shù)碼管

一、 方案論證與比較

1、本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)中受控電機(jī)為四相六線制的步進(jìn)電機(jī)（內(nèi)阻33歐，步進(jìn)1.8度，額定電壓12V）

方案一：使用多個(gè)功率放大器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)

通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)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(jìn)電機(jī)，就需要對(duì)四路信號(hào)分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來會(huì)不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。

方案二：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)

L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)（如圖1－1），也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)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(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格不高，故選用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而使用L298N時(shí)，可以用L297來提供時(shí)序信號(hào)，可以節(jié)省單片機(jī)IO口的使用；也可以直接用單片機(jī)模擬出時(shí)序信號(hào)，由于控制并不復(fù)雜，故選用后者。

2、 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)

方案一：串行接法

設(shè)計(jì)中要顯示4位數(shù)字，用74LS164作為顯示驅(qū)動(dòng)，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(shí)容易控制。

方案二：并行接法

使用并行接法時(shí)要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管用IO口單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)，占用資源較多。

由于設(shè)計(jì)中用一塊單片機(jī)進(jìn)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(jìn)電機(jī)控制原理

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（簡(jiǎn)稱HB）。

步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)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(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。

(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向

如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度

如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

三、理論設(shè)計(jì)

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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

通過L298N構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,電路圖如圖3－2所示。

通過單片機(jī)SPCE061A的IOB8～I(xiàn)OB13對(duì)L298N的IN1～I(xiàn)N4口和ENA、ENB口發(fā)送方波脈沖信號(hào)，起時(shí)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(shè)計(jì)

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

圖3－4

3、4x4鍵盤電路

在設(shè)計(jì)中，使用了標(biāo)準(zhǔn)的4x4鍵盤，其電路圖如圖3－5所示。單片機(jī)的A口低8位為鍵盤的接口。盡管設(shè)計(jì)要求中只需要4個(gè)鍵對(duì)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，但考慮到對(duì)控制功能的擴(kuò)展，我們使用了4x4的鍵盤。

圖3－5

四、程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的過程中，主要分為五個(gè)部分：雙機(jī)通訊、語音報(bào)數(shù)、數(shù)字顯示、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、鍵盤；其中雙機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn)和語音報(bào)時(shí)比較有特點(diǎn)，將其流程簡(jiǎn)要介紹如下，其他部分見附的程序。

1、雙機(jī)通訊

圖4－1

我們?cè)趯?shí)現(xiàn)雙機(jī)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(rèn)協(xié)議，其流程圖如圖4－1所示。

2、語音報(bào)數(shù)

程序設(shè)計(jì)中語音報(bào)數(shù)使用的是SACM－A2000，考慮到程序比較簡(jiǎn)單，首先使用了自動(dòng)報(bào)數(shù)方式，但發(fā)現(xiàn)不能進(jìn)行連續(xù)報(bào)數(shù)，于是使用了非自動(dòng)方式，流程圖如圖4－2所示。

圖4－2

五、結(jié)果分析與總結(jié)

應(yīng)該說這次課程設(shè)計(jì)還是基本達(dá)到了設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)資源的消耗比較大，在語音報(bào)數(shù)的時(shí)候會(huì)中斷步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)。為此，我們修改了方案，使用了兩塊單片機(jī)，通過雙機(jī)通訊來傳遞信號(hào)，遺憾的是問題仍然沒有得到解決。

這次步進(jìn)電機(jī)的綜合實(shí)驗(yàn)我們學(xué)到了步進(jìn)電機(jī)、數(shù)碼管、4*4鍵盤、語音報(bào)數(shù)和雙機(jī)通訊的使用，更重要的是學(xué)會(huì)了程序出問題時(shí)調(diào)試的方法，并養(yǎng)成了Debug的習(xí)慣，學(xué)到了程序出問題后怎樣去解決的基本方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝自美《電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試（第二版）》[M]武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000.

[2]薛鈞義，張彥斌，樊波等《凌陽十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用》[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

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