利用低功耗单片机来设计实现一个实用的步进电机控制和驱动系统
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。
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.mosfet管驱动电路，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8～12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2.7～7 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，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。
p1.4（adc4）口外接4.7 kω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mosfet管的部分驱动电路如图3所示。该电路的设计可改进功率mosfet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mosfet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。
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mosfet管内部的快恢复二极管不流过反向电流，以保证功率mosfet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8155，8279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4×4键盘和4位数码管，已完全满足设计需要。
3 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的时间。cpu在非中断时间内可以处理其他事件，只有在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stc12c4052ad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号，能够简化设计过程，起到事半功倍的效果。该系统采用stc12c4052ad单片机，其工作方式、转动速率及转矩数可以通过键盘输入，也可通过普通旋钮或上位机调节。键盘显示模块采用 zlg7289实现。本系统具有通用性，适当改变输出口各位控制端，便可控制不同相数的步进电机。
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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。
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.mosfet管驱动电路，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8～12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2.7～7 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，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。
p1.4（adc4）口外接4.7 kω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mosfet管的部分驱动电路如图3所示。该电路的设计可改进功率mosfet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mosfet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。
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