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步进电机的单片机控制

本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制,通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片L298N驱动步进电机;同时,用4X4的键盘来对电机的状态进行控制,并用数码管显示电机的转速,采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动,从单片机输入信号;利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。

摘要: 本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制,通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片L298N驱动步进电机;同时,用 4X4的键盘来对电机的状态进行控制,并用数码管显示电机的转速,采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动,从单片机输入信号;利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。

关键词: 步进电机 单片机 数码管

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.

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