一种基于单片机的步进电机控制系统的制作方法

本实用新型涉及通信电子领域，特别与一种基于单片机的步进电机控制系统有关。

背景技术：

步进电机是一种重要的执行装置，广泛应用于工业控制和各种办公设备中，步进电机的稳定可靠运行直接关系到工业控制的精度和设备的质量，特别是在高精度数控系统中更是要求步进电机能够精确运行。因此研究步进电机控制系统在工业上具有重要的现实意义。

早期的步进电机控制系统体积大，使用的元器件多，系统稳定性差，不仅调试安装复杂，而且一旦定型后，就不能所以改变控制方案，不利于系统的改进和升级。近年来，随着计算机数控技术和永磁材料的迅速发展，为步进电机控制系统的应用开辟了广阔的前景。基于单片机的步进电机控制系统具有体积小、功能灵活多样、脉冲输出、实时性强、成本低、硬件线路简单、系统可靠性强等特点，并且可以通过软件设计实现各种复杂的控制。步进电机控制系统的发展，使我国制造业的装备得以迅速提高，在市场中的竞争能力得以提升，其社会意义和经济效益是不可估量的。

因此，本发明人在这大环境趋势下，研究了步进电机控制系统，设计出一种基于单片机的步进电机控制系统，本案由此产生。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于单片机的步进电机控制系统，具有较高的实用性和社会应用价值，可以广泛应用于多轴多路设备的控制，比如多路雕刻机，通过控制4组X-Y方向的电机转速雕刻产品，也可以应用于全自动麻将机、绘图仪等。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于单片机的步进电机控制系统，包括主控制器、电机驱动电路、总线电路、显示电路、键盘电路、电源电路；所述主控制器通过八路总线控制八路电机驱动电路，显示电路和键盘电路与主控制器连接，电源电路为系统各部分提供电源。

所述的主控制器采用MSP430F149单片机。

所述的MSP430F149单片机连接高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。

所述的MSP430F149单片机外接手动复位电路，通过复位开关和复位电阻接通高电平复位。

所述的MSP430F149单片机连接有JTAG接口电路。

所述的总线电路包括从MSP430F149单片机P3端口上连接出的8个74HC373锁存器，MSP430F149单片机P2端口为选片信号端。

所述的74HC373锁存器的输出通过光电隔离电路连接驱动电路；所述的光电隔离电路包括TLP521-1芯片，MSP430F149单片机信号通过74HC373锁存并送入TLP521-1进行光电耦合，在输出给驱动电路。

所述的驱动电路采用L298N驱动芯片，把P3口作为输出口，信号经74HC373锁存后送入光电隔离电路，分别与L298N的IN1～IN4相接，其控制信号经输出口OUT1～OUT4后送入步进电机；L298N 4脚VS接电源电压+12V，9脚VSS接标准逻辑电平信号+5V，1脚和15脚下管的发射极分别单独引出，是输出电流反馈引脚，形成电流传感信号，6、11脚分别为控制使能端ENA、ENB， 5、7、10、12脚分别为输入控制电平IN1、IN2、IN3、IN4，结合使能端ENA、ENB，控制电机的工作状态，电机正转、反转、停止或刹停，2、3、13、14脚分别为输出控制电平OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，可以接两个直流电机或一个步进电机，输出步进电机的控制信号。

所述的键盘电路是4*4矩阵式键盘，与MSP430F149单片机P1口连接，行线P1.4～P1.7通过1K上拉电阻接电源，处于输入状态，列线P1.0～P1.3为输出状态。

所述的显示电路包括74HC374、八段数码管CPS03622BR、PNP型9015三极管；74HC374的输出连接八段数码管CPS03622BR，八段数码管CPS03622BR的COM端连接三极管的集电极端，三极管的基极为LED的控制端。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型小巧灵活、成本低、易于产品化，它能方便的组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪器仪表，集成度高、功能强。本实用新型面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳性价比。同时抗干扰能力强，适应温度范围宽，单片机是面向工业检测控制环境设计的，抗噪声干扰能力较强。可以方便地实现多级和分布式控制，使系统的效率和可靠性大大提高。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例的模块示意图；

图2为本实用新型较佳实施例MSP430F149单片机的引脚示意图；

图3为本实用新型较佳实施例的复位电路和时钟电路；

图4为本实用新型较佳实施例的JTAG接口电路；

图5为本实用新型较佳实施例的总线电路图；

图6为本实用新型较佳实施例的光电隔离电路；

图7为本实用新型较佳实施例的驱动电路；

图8为本实用新型较佳实施例的键盘电路；

图9是本实用新型较佳实施例的显示电路；

图10是本实用新型较佳实施例的电源电路。

具体实施方式

参见说明书附图，对本实用新型较佳实施例做进一步阐述。

本实用新型主要包括主控制器1、电机驱动电路2、总线电路3、显示电路4、键盘电路5、电源电路6等这些主要模块。主控制器1通过八路总线控制八路步进电机7驱动模块，人机交换模块包括了显示电路4和键盘电路5，电源电路6为各系统部分提供电源，如图1所示。

本实施例中主控制器1 选用了MSP430F149单片机，其引脚图如图2所示。MSP430系列单片机具有以下特点：

1、超低功耗

MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8V—3.6V低电压，活动模式耗电250uA/MIPS,I/O输入端口的漏电流最大仅50nA，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。

MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。系统共有一个活动模式（AM）和5种低功耗模式（LPM0～LPM4）。

2、强大的处理能力

MSP430芯片是16位单片机，采用RISC 精简指令集，一个时钟周期执行一条指令，在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS，实现125ns的指令周期，16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

3、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块

MSP430系列单片机大部分都集成了较丰富的片内外设：看门狗（WDT）、模拟乘法比较器、定时器A、定时器B、通用同步/异步串行通讯接口（USART）、硬件乘法器、液晶驱动器、8位通道12位快速ADC、双12位DAC、直接数据存取DMA、端口1～6（P1～P6）、基本定时器（Basic Timer）。

4、系统工作稳定

上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU,以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间，然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40～+850C,运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。

5、方便高效的开发环境

目前MPS430系列有OTP、FLASH、RAM型三种类型的器件，国内大量使用的是FLASH型，对于FLASH型有十分方便的开发调试环境，器件片内有JTAG调试接口，还有电可擦写的FLASH存储器。先通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发过程都在同一个软件集成环境中进行。开发语言有汇编和C语言，较好的软件开发工具是IAR Workbench 4.11B。在系统支持软件下，在线实现对目标系统的硬件调试及软件开发，包括汇编、C语言、连接及动态调试，具有单部、多断点和跟踪，并且开放全部存储器、寄存器，可以方便可靠地对系统进行硬件、软件开发。

MSP430系列单片机不仅可以应用于许多传统的单片机应用领域，如仪器仪表、自动控制以及消费品领域，更适合于用一些电池供电的低功耗产品，如能量表、手持设备、智能传感器等，以及需要较高性能的智能仪器设备。

时钟电路如图3所示，是单片机电路设计的核心，它控制着系统的工作节奏。MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器（DCO）、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。为了解决的快速处理数据要求和低功耗的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、LCD显示、定时器、计数器等。数字控制器振荡器DCO已经集成在MSP430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。

低速晶体振荡器满足了低功耗要求。LFXT1振荡器默认工作在32768Hz低频模式。也可以通过外接450KHz～8MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，本实用新型中XT1采用了32768Hz 晶振，外接2个22pF电容经XIN和XOUT到单片机。

高速晶振荡也称为第二振荡器XT2,单片机工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8MHz。本实用新型中XT2采用了4MHz晶振，外接2个22pF经XT2IN和XT2OUT到单片机。

本实用新型中采用的是手动按钮复位，电路如图3所示。通过按下复位开关S0，RST保持高电平，系统复位。单片机进入初始化操作，程序计数器PC从0000H地址单元开始执行。

JTAG接口电路如图4所示，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。

总线是由线束组成的一种传输媒介，可以将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。按照传输的信息种类，总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号[17]。

本实用新型中总线传输的是数据。八路电机至少需要48个I/O端口，结合显示模块、键盘模块等外围电路对单片机端口的需求，不需进行单片机I/O端口扩展。采用总线设计只需要6个I/O端口及3个电机选择控制端，大大降低了MSP430F149单片机的端口资源的使用率，也满足了系统设计的要求。总线电路如图3-5所示。数据从单片机的P3口送出，通过74HC373锁存信息，74HC373是三态输出的八D锁存器。P2口作为74HC373片选信号，控制信号的送出，完成信号传输功能。

在控制系统中，不可避免地存在着各种各样的干扰，干扰信号的进入将会降低控制系统的稳定性和准确性，甚至产生误动作，带来破坏性的后果。因此，在硬件上将主电路与电压较高，电流较大功率驱动电路相隔离，有效提高了电路的安全性。

光电耦合器是一种发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组成的光电器件，能实现电-光-电信号的转换，并且输入信号与输出信号是隔离的，输入输出之间是绝缘的（绝缘电源可达数千伏）。光电耦合器可以实现无触点无火花地接通和断开电路。具有输入控制电流小，无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、工作可靠等特点。

当输入信号为低电平时，发光二极管发光后，光敏元件受到光照后导通，集电极电流IC流过电阻到地，使输出电压接近于地，当输入信号为高电平时，发光二极管截止，光电三极管截止，输出电压接近于VCC。

本实用新型中光电隔离电路如图6所示，MSP430单片机信号通过74HC373锁存并送入TLP521-1进行光电耦合，当TLP521-1的引脚2送入信号为高电平时，三极管导通，引脚3送出高电平；当TLP521-1的引脚2送入信号为低电平时，三极管导通，引脚3送出低电平。

本实用新型中的驱动电路采用L298N，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含2个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，可以用L298N接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路，L298N可直接对电机进行控制，比较常见的是15脚PowerSo20封装和Multiwatt封装。本实用新型采用的L298N是Multiwatt封装。L298N驱动电路如图7所示。

L298N的特点是工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路；可以方便的实现电机正反转及调速控制；启动性能好，启动转矩大；既可同时驱动两台直流电机，又可控制步进电机。

本实用新型根据MSP430主芯片以及L298N芯片的特点，把P3口作为输出口，信号经74HC373锁存后送入光电隔离电路，分别与L298N的IN1～IN4相接，其控制信号经输出口OUT1～OUT4后送入步进电机，根据设计要求，结合程序，传送数据，从而控制电机转停和电机转速。

L298N 4脚VS接电源电压+12V，VS电压范围是＋2.5V～46V，输出电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。9脚VSS接标准逻辑电平信号+5V，电压范围是4.5V～7 V。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，是输出电流反馈引脚，形成电流传感信号，通常情况下这两个引脚可以直接接地。6、11脚分别为控制使能端ENA、ENB，控制电机的停转。5、7、10、12脚分别为输入控制电平IN1、IN2、IN3、IN4，结合使能端ENA、ENB,控制电机的工作状态，电机正转、反转、停止或刹停。2、3、13、14脚分别为输出控制电平OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，可以接两个直流电机或一个步进电机，输出步进电机的控制信号。

VSS、VS分别接+12V、+5V电源及两个电容的并联电路。采用一个大电容再并上一个小电容的方式，可以对过滤电路中高频信号、低频信号，起到保护作用。100uF大电容由于容量大，体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大， 电感对高频信号的阻抗很大，所以大电容的高频性能不好。小电容则刚刚相反，由于容量小，体积可以做得很小，而且常使用平板电容的结构，这样小容量电容就有很小，具有了很好的高频性能，但由于容量小的缘故，对低频信号的阻抗大。

1N4148是快速恢复二极管，参数是额定电压75V,额定电流150mA，可以做稳压、钳位、单向导通，可以做感性器件的防倒灌、保护电路。并联可以对电感性负载起吸收续流作用，串联可以隔离作用或电源极性保护作用，提高热稳定性的,使稳压值不因工作电流和温度的变化而变化。本实用新型中用到了8个1N4148二极管，采用了两两串联的接法，对电路起保护作用。

本实用新型采用的是4*4矩阵式键盘，键盘电路如图8 所示。行线P1.4～P1.7通过1K上拉电阻接电源,处于输入状态，列线P1.0～P1.3为输出状态，键盘上没有按键闭合时，所以行线输入全部为高电平，当键盘上某个键闭合时，则对应的行线和列线短接，此时电平由对应的列线决定，再通过软件编程实现各个按键的功能。

本实用新型显示部分由74HC374、八段数码管、PNP型9015三极管等元件组成。本实用新型选用了CPS03622BR 2位共阳极数码管。数码管中的八个LED发光二极管的正极都和COM端连在一起，当COM端为高电平时，a～g为低电平时点亮对应的二极管，a～g为高电平时熄灭对应的二极管；当COM端为低电平时，无论a～g为高电平还是低电平，数码管都不亮。

本实用新型应用的是动态显示的方法。动态显示方式是在某一时刻，只让某一位的位选型号处于选通状态，而其它各位的位选处于关闭状态，同样下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其它各位处于关闭状态，依次循环。

本实用新型显示电路如图9所示。LED0～LED3是数码管位选的控制端，当LED0～LED3中某位为低电平时，对应的9015三极管导通，9015集电极为高电平，其所连接的CPS03622BR数码管的COM端为高电平，数码管可以点亮， 74HC374 锁存了单片机送出的显示值，对应于a～g各值，数码管显示数值,再通过改变数码管位选控制端，动态显示各数值。

直流稳压电源设计主要包括：整流、变压、滤波、稳压、保护等几个功能模块，图10电源电路图中开关电源将+15V直流电接入RCA接头，电容C4 1000uF、C8 1000uF、C44 1uF、C5 0.01 uF、C9 0.01uF起滤波作用，滤除低频波及高频波；三端稳压芯片L7812CV、L7805CV、ASM1117分别将电压稳定在+12V、+5V、+3.3V；电容C6 22uF、C10 22uF、 C7 0.01uF 、C11 0.01uF、C45 1uF起保护作用，防止具有破坏性的浪涌电源到达输出端，提供备份电源或在欠压期间关闭电源。

以上是本实用新型优选实施方式，在本实用新型构思前提下所做出若干其他简单替换和改动，都应当视为属于本实用新型的保护范畴。