摘要：本設計采用淩陽16 位單片機SPCE061A對步進電機進行控製，通過IO口輸出的具有時序的方波作為(wei) 步進電機的控製信號，信號經過芯片L298N驅動步進電機；同時，用 4X4的鍵盤來對電機的狀態進行控製，並用數碼管顯示電機的轉速，采用74LS164作為(wei) 4位單個(ge) 數碼管的顯示驅動，從(cong) 單片機輸入信號；利用淩陽單片機的語音功能播報電機的轉速。

關(guan) 鍵詞： 步進電機 單片機 數碼管

一、 方案論證與(yu) 比較

1、 本設計的重點在於(yu) 對步進電機的控製和驅動，設計中受控電機為(wei) 四相六線製的步進電機（內(nei) 阻33歐，步進1.8度，額定電壓12V）

方案一：使用多個(ge) 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的器件，可以達到不同的放大的要求，放大後能夠得到較大的功率。但是由於(yu) 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，由於(yu) 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(hui) 不穩定，而且電路的製作也比較複雜。

方案二：使用L298N芯片驅動電機

L298N芯片可以驅動兩(liang) 個(ge) 二相電機（如圖1－1），也可以驅動一個(ge) 四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過來調節輸出電壓；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芯片充分發揮了它的功能，能穩定地驅動步進電機，且價(jia) 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，由於(yu) 控製並不複雜，故選用後者。

2、 數碼管顯示電路的設計

方案一：串行接法

設計中要顯示4位數字，用74LS164作為(wei) 顯示驅動，其中帶鎖存，使用串行接法可以節約IO口資源，但要使用SIO，發送數據時容易控製。

方案二：並行接法

使用並行接法時要對每個(ge) 數碼管用IO口單獨輸入數據，占用資源較多。

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

二、步進電機控製原理

步進電機是數字控製電機，它將脈衝(chong) 信號轉變成角位移，即給一個(ge) 脈衝(chong) 信號，步進電機就轉動一個(ge) 角度，因此非常適合於(yu) 單片機控製。步進電機可分為(wei) 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）。

步進電機區別於(yu) 其他控製電機的最大特點是，它是通過輸入脈衝(chong) 信號來進行控製的，即電機的總轉動角度由輸入脈衝(chong) 數決(jue) 定，而電機的轉速由脈衝(chong) 信號頻率決(jue) 定。

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

(1)控製換相順序

通電換相這一過程稱為(wei) 脈衝(chong) 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(wei) A-B-C－D,通電控製脈衝(chong) 必須嚴(yan) 格按照這一順序分別控製AB,C，D相的通斷。

(2)控製步進電機的轉向

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)控製步進電機的速度

如果給步進電機發一個(ge) 控製脈衝(chong) ，它就轉一步，再發一個(ge) 脈衝(chong) ，它會(hui) 再轉一步。兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發出的脈衝(chong) 頻率，就可以對步進電機進行調速。

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口發送方波脈衝(chong) 信號，起時序圖如圖3－3所示。

圖3－2

圖3－3

2、數碼管顯示電路的設計

數碼管的顯示驅動使用74LS164，通過SPCE061A的IOB0和IOB1口對DATA和CLK發送數據。

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(wei) 鍵盤的接口。盡管設計要求中隻需要4個(ge) 鍵對步進電機的狀態進行控製，但考慮到對控製功能的擴展，我們(men) 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(wei) 五個(ge) 部分：雙機通訊、語音報數、數字顯示、步進電機驅動、鍵盤；其中雙機通訊的實現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(men) 在實現雙機通訊的過程中使用了“三次握手”的方式，這是Intle網中成用的數據通訊確認協議，其流程圖如圖4－1所示。

2、語音報數

程序設計中語音報數使用的是SACM－A2000，考慮到程序比較簡單，首先使用了自動報數方式，但發現不能進行連續報數，於(yu) 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(yu) 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(jue) 的問題，由於(yu) 在執行語音程序時對資源的消耗比較大，在語音報數的時候會(hui) 中斷步進電機驅動信號的輸出，導致電機停轉。為(wei) 此，我們(men) 修改了方案，使用了兩(liang) 塊單片機，通過雙機通訊來傳(chuan) 遞信號，遺憾的是問題仍然沒有得到解決(jue) 。

這次步進電機的綜合實驗我們(men) 學到了步進電機、數碼管、4*4鍵盤、語音報數和雙機通訊的使用，更重要的是學會(hui) 了程序出問題時調試的方法，並養(yang) 成了Debug的習(xi) 慣，學到了程序出問題後怎樣去解決(jue) 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(yi) ，張彥斌，樊波等《淩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.