单片机控制步进电机设计方案

1、单片机控制步进电机的设计n步进电机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机，它能将数字信 号直接转换成角位移或线位移，驱动速度和指令脉冲能严格同步，具 有较高的定位精度，控制系统成本低廉，在经济型数控机床等领域应 用广泛。这里针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合，采用超 强抗干扰、小巧低功耗的工业级 STC12C系列单片机，充分利用单片 机内部的硬件资源，设计实用的步进电机控制和驱动系统。1、控制系统总体方案设计系统功能原理示意图如图1所示。图I 系统功能原理示意图Ji- con在该系统中由单片机直接输出电机的各相控制脉冲序列，光耦进行必要的光电隔离，采用分立元件构成功率.MOSFE管驱动电路

2、，带动 电机转动。键盘接口与 LED显示功能由具有 SPI串行接口功能的 ZLG7289实现。既可使用按键输入的方式精确设置电机的工作方式与 转速，也可以通过调速旋钮实现电机转速的连续调节， 还能通过上位 机实现对电机工作方式的调整与控制。2、硬件电路设计2.1控制电路设计控制芯片采用STC12C4052AD它是1个时钟/机器周期的单片机， 速度比普通的8051单片机快812倍，有20个引脚且为小巧封装。 该单片机具有超强抗干扰，抗静电的特点，能轻松通过4 kV快速脉冲干扰，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗为2.77 mA芯片自带硬件看门狗，具有高速 SPI通信端口，8通道8位A/D转换，

3、 2路PWM输出，4 KB容量的FLASH存储器，256 B容量的SRAM 4个 定时器，1个全双工串行通信口。由于单片机内部的资源丰富，性价 比高，能够满足该设计的要求，而且减少了硬件电路的设计，提高了 工作效率。单片机的外部引脚定义，及其在该设计中的资源分布如图 2所示。-r-rHl熔1VCCRDPJOPl SCIK/ADTT1P1 IISOADCfiPI $血0制心DC負XTAL1Pl 4/SSJAIC4IXTGPJ 2P3JXADCJINTl/PJ 3fl 鉀DQECtTOT? 4PI l/ADCIinmiCak.T|耐弓Pi巾(NDph卩认3“时忡呢鬲匚h电進ZI.G72B9k农逵啟

4、惻艸劃瞧沖f TTV團2 STC124052 ?)单片枫外部和曲令车P1.4(ADC4) 口外接4.7 k Q的可调电位器，利用单片机内部的模/ 数转换功能转换成数字量，进而控制输出脉冲频率，完成步进电机速 度的“连续”调节。过流检测的结果直接引入到外部中断 0,实现对 电流的快速控制。2.2驱动电路设计功率MOSFE管的部分驱动电路如图3所示。该电路的设计可改进功 率MOSFE管的快速开通时间，提高了驱动电流的前后沿陡度，能够 改善高频响应。功率 MOSFE管栅源间的阻抗很高，工作于开关状态 下漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极，产生相当幅度的 VGS脉冲电压。正方向的VGS脉冲电压可

5、能会导致器件的误导通。为 此,需要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值小于20 V，而又接近20 V的齐纳二极管，以防止栅源 开路工作。ZS电机绕机图3 由仝也元件枸成的功率MOSFFT管殛动电路为了抑制功率管内的快恢复，二极管出现反向恢复效应，在电路中 接入4只快恢复二极管。其中，反并联快恢复二极管的作用是为电机 相绕组提供续流通路，其余2只是为了使功率MOSFE管内部的快恢 复二极管不流过反向电流，以保证功率 MOSFE管在动态工作时能起 到正常的开关的作用。2.3显示与按键处理电路在单片机应用系统中，典型的键盘显示接口电路由基于并行扩展技 术的8155, 82

6、79构成控制电路。现代单片机应用系统广泛采用串行 扩展技术。相对于并行方式，串行扩展接线灵活，占用单片机资源少。ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同时驱动 8位数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，单片即可完成显示、键盘接口的全部功能。采用串行方式与微处理器通信，数据从DIO引脚送入芯片，并由CLK端同步。当选信号变为低电平后，DIO引脚上的数据在CLK 引脚的上升沿被写入ZLG7289A的缓冲寄存器。图4是ZLG7289的典 型应用。ZLG7289A连接共阴式数码管，应用中不需要的数码管与键 盘可以不连接，省去数码管或对数码管设置消隐属性， 这均不会影响 键盘的使用。整个电路

7、无需添加锁存器和驱动器，耗电少，软件设计 中无需编写显示译码程序，省去了静态显示扩展芯片，大大节省了 CPU的时间。该电路设计中仅采用 4X4键盘和4位数码管，已完全 满足设计需要。-9-rjn towrttftylV(TMTGM?川二-Kl：1- rrsDidILKDtLMtnni UiIMrlSJmraiflW强島皿arI町加IOkQr-kCIVT三IDkLluni3、软件设计软件部分采用模块化结构设计。对步进电机转速的控制是通过定时器工作在中断方式实现的。定时器定时中断产生周期性脉冲序列， 不 是采用软件延时的方式，这样不占用 CPU勺时间。CPU在非中断时间 内可以处理其他事件，只有在

8、中断发生时才驱动步进电机转动一步。根据步进电机励磁状态转换，采用查表法求出所需的输出状态， 并以 二进制码的形式依次存入单片机内部的存储器中 ；然后按照正向或反 向顺序依次取出地址的状态字，送给 STC12C4052AD输出各励磁状 态，从而实现环形分配器的功能。程序总体框架包括：主程序、过流检测中断服务子程序、定时器中 断服务子程序、以及其他子程序(包括正转、反转子程序、键盘显示 控制子程序、A/D转换子程序等)，由于篇幅限制，在此不一一叙述。4、系统测试该系统采用超强抗干扰，小巧低功耗的工业级STC12C4052A单片机 为控制核心，工作可靠性高，抗于扰能力强。系统测试在专门的检测 实验室内进行。利用群脉冲发生器(EFT-4001)、周波电压跌落发生器 (VDG-1105)、静电放电发生器(ESD-20)以及雷击浪涌发生器(SG-5006) 等专用仪器对系统的电压变化抗扰度、快速瞬变脉冲群抗扰度、抗静 电和雷击浪涌等参数进行检测。经过实验，系统功能正常，所有参数 均已达标。5、结语电子技术发展日新月异，新型单片机层出不穷。在电机控制系统开 发过程中，如果恰当选取单片机以及各电路模块的型