步进电机的单片机控制

一、 方案论证与比较
1、 本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为四相六线制的步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）
方案一：使用多个功率放大器件驱动电机
通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。
方案二：使用L298N芯片驱动电机
L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图1－1），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。


图1－1
通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。而使用L298N时，可以用L297来提供时序信号，可以节省单片机IO口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，故选用后者。
2、 数码管显示电路的设计
方案一：串行接法
设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，但要使用SIO，发送数据时容易控制。
方案二：并行接法
使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。
由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，选择了方案一。另外，使用锁存也起到节约资源的作用。
二、步进电机控制原理
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：
(1)控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。
(2)控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
三、理论设计
综和以上选取的方案，总的流程如图3－2所示。


图3－1
1、步进电机驱动电路
通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图3－2所示。
通过单片机SPCE061A的IOB8～IOB13对L298N的IN1～IN4口和ENA、ENB口发送方波脉冲信号，起时序图如图3－3所示。


图3－2


图3－3
2、数码管显示电路的设计
数码管的显示驱动使用74LS164，通过SPCE061A的IOB0和IOB1口对DATA和CLK发送数据。

图3－4
3、4x4键盘电路
在设计中，使用了标准的4x4键盘，其电路图如图3－5所示。单片机的A口低8位为键盘的接口。尽管设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，我们使用了4x4的键盘。


图3－5
四、程序设计
在进行程序设计的过程中，主要分为五个部分：双机通讯、语音报数、数字显示、步进电机驱动、键盘；其中双机通讯的实现和语音报时比较有特点，将其流程简要介绍如下，其他部分见附的程序。
1、双机通讯

图4－1
我们在实现双机通讯的过程中使用了“三次握手”的方式，这是Intle网中成用的数据通讯确认协议，其流程图如图4－1所示。
2、语音报数
程序设计中语音报数使用的是SACM－A2000，考虑到程序比较简单，首先使用了自动报数方式，但发现不能进行连续报数，于是使用了非自动方式，流程图如图4－2所示。

图4－2
五、结果分析与总结
应该说这次课程设计还是基本达到了设计的要求，但是也存在着未能解决的问题，由于在执行语音程序时对资源的消耗比较大，在语音报数的时候会中断步进电机驱动信号的输出，导致电机停转。为此，我们修改了方案，使用了两块单片机，通过双机通讯来传递信号，遗憾的是问题仍然没有得到解决。
这次步进电机的综合实验我们学到了步进电机、数码管、4*4键盘、语音报数和双机通讯的使用，更重要的是学会了程序出问题时调试的方法，并养成了Debug的习惯，学到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。
参考文献：
[1]谢自美《电子线路设计、实验、测试（第二版）》[M]武汉：华中理工大学出版社，2000.
[2]薛钧义，张彦斌，樊波等《凌阳十六位单片机原理及应用》[M]北京：北京航空航天大学出版社，2003.