[摘 要]智能電子產(chǎn)品開發(fā)過程中，常常需要信號檢測和電機(jī)驅(qū)動電路，為了提高開發(fā)效率，降低成本，選用STC單片機(jī)作為核心控制器，將該電路設(shè)計(jì)為通用的模塊，具備常用信號檢測和直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動能力，介紹了該模塊電路的系統(tǒng)構(gòu)成、硬件電路及軟件設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。

[關(guān)鍵詞]信號檢測；步進(jìn)電機(jī)；AD采樣

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

在工業(yè)控制、智能電子產(chǎn)品開發(fā)中，常常需要信號檢測和電機(jī)驅(qū)動電路，每次開發(fā)新的產(chǎn)品都重新設(shè)計(jì)相應(yīng)電路，是一件費(fèi)事耗力的工作。鑒于常用的輸入信號有開關(guān)量的數(shù)字信號、一定范圍內(nèi)的模擬信號；輸出部分，多采用電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中，又以直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)最為常用[1]。因此，將這類高頻度使用的電路模塊化，勢必大大提高新產(chǎn)品開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。同時兼顧通用性和價格因素，設(shè)計(jì)一款價格低廉，兼容多種信號檢測，可驅(qū)動直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的模塊電路，有較大的社會需求和廣闊的市場前景。

一、模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號檢測與電機(jī)驅(qū)動模塊需要具備信號檢測與電機(jī)驅(qū)動能力，同時，為了滿足各類用戶的需求，要能提供電壓范圍較寬的多路電源接口，為方便用戶設(shè)置，需要有多個按鍵作為功能調(diào)整鍵。采用更高集成度的MCU簡化輸入接口電路，可大大減小電路復(fù)雜度，減小電路尺寸，節(jié)約成本，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。串行通信接口，既方便用戶下載更新程序，又可用于與系統(tǒng)與其它模塊、上位機(jī)等通信。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)框圖

二、硬件電路設(shè)計(jì)

綜合考慮系統(tǒng)的控制功能和對輸入信號的采集能力，兼顧成本，選擇STC12C2052AD單片機(jī)作為主控芯片。該單片機(jī)擁有1K字節(jié)的EEPROM，4路PWM/PCA/CCU單元，可作為DA使用，有2個定時器；具備8通道的高速A/D采樣能力[2]，該AD為電壓輸入型，8位精度，速度可達(dá)100KHz，用于電池電壓檢測、溫度檢測、頻譜檢測等場景。在通信方面，具有SPI通信接口和全雙工的串口[3]。

電機(jī)驅(qū)動部分采用L293DD驅(qū)動器，其內(nèi)部集成雙極型H-橋電路，可以同時驅(qū)動兩路直流電機(jī)或者驅(qū)動2相、4相步進(jìn)電機(jī)。每個通道都配備了一個使能輸入端。L293DD邏輯電路具有獨(dú)立的供電輸入，工作電壓范圍4.5V-36V，最大電流達(dá)1.2A。外部電路連接時，直接將EN1和EN2接高電平，使能有效。通過分別控制IN1-IN4的高低電平狀態(tài)來驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。為方便用戶調(diào)試，在輸出位置外接4個LED燈，作為狀態(tài)指示。

電源部分，留出多路接口，允許電壓范圍4.5V-36V，以利于直接驅(qū)動電機(jī)動作。同時，為了保證核心控制電路有穩(wěn)定的電源，采用sop封裝的7805芯片做三端穩(wěn)壓電路，提供5V工作電壓。

輸入接口部分，引出單片機(jī)的P3，P1.4-P1.7作為通用輸入輸出控制口，引出P1.0-P1.3作為4路AD采樣通道，并配備電壓端子VCC和接地端子GND，方便常用的傳感器連接。另外，外部引出單片機(jī)的TX，RX引腳，并采用11.0592MHz晶振，方便程序下載和串口通信。設(shè)置4個獨(dú)立按鍵，方便用戶做個性化功能設(shè)置和參數(shù)調(diào)整。

三、模塊軟件開發(fā)

最常用的直流電機(jī)驅(qū)動，要求有三種工作狀態(tài)：停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。其控制邏輯比較簡單。本文以O(shè)UT1，OUT2接入1路直流電機(jī)為例。當(dāng)IN1=0，IN2=0時，OUT1=0；OUT2=0，電機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)IN1=0，IN2=1時，OUT1=0；OUT2=1，形成電勢差，電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，邏輯反向后，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2相4線式步進(jìn)電機(jī)也是比較常用的一類執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制線有A1、A2、B1、B2共四根，A1、A2構(gòu)成A相，B1、B2構(gòu)成B相?？刂茣r可以采用4拍或者8拍的工作方式。以4拍為例，其時序邏輯為A相正向?qū)?'B相正向?qū)?'A相反向?qū)?'B相反向?qū)?。在程序控制時，需要通過定時器0定時，大約2ms換相。其電平控制邏輯如表1所示。

表1 四線的電平邏輯

輸入的傳感檢測設(shè)備，主要有開關(guān)量的數(shù)字信號輸入和模擬量輸入兩類。當(dāng)為開關(guān)量時，傳感器信號檢測類似于按鍵檢測，采用條件判斷語句直接解決；當(dāng)為模擬信號時，則需要連接到AD轉(zhuǎn)換接口P1。軟件設(shè)計(jì)方面，首先，設(shè)置P1M0、P1M1寄存器，將對應(yīng)端口置為開漏模式或高阻模式。然后，配置特殊功能寄存器ADC_CONTR。該寄存器的8位結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2控制寄存器結(jié)構(gòu)

其中，CHS2、CHS1、CHS0三位的組合，用于選擇當(dāng)前轉(zhuǎn)化通道；SPEED1、SPEED0兩位，用于用戶選擇轉(zhuǎn)換速度；ADC_POWER位是電源控制位，在啟動AD轉(zhuǎn)換前一定要先開啟該位，將其置為1，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，為了降低功耗，可以選擇關(guān)閉該位；ADC_START是轉(zhuǎn)換啟動控制位，設(shè)為"1"時，開始轉(zhuǎn)換，結(jié)束后為0；ADC_FlAG是轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)記，當(dāng)完成一次轉(zhuǎn)換后，該位自動置1。需要注意的是，該位必須手動清0。最后，轉(zhuǎn)換的結(jié)果以二進(jìn)制形式存放在8位寄存器ADC_DATA中，直接讀出，對應(yīng)的實(shí)際電壓值Vin由公式（1）求得。

其中Vcc是STC單片機(jī)的實(shí)際工作電壓。在工作電壓有波動的情況下，為了提高精度，可以外接穩(wěn)定性較高的電源作為參考電壓。

四、總結(jié)

綜合考慮性能和成本因素，選用STC單片機(jī)與L293DD驅(qū)動器搭配的方案，設(shè)計(jì)了一套模塊化單元電路系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)以及軟件設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動程序和AD轉(zhuǎn)換程序的寫法。在智能電子產(chǎn)品開發(fā)過程中，直接使用該電路模塊，可大大提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀益康，許大中. 電機(jī)控制[M]. 浙江： 浙江大學(xué)出版社， 2014： 1-3.

[2] 楊峰， 胡彬， 羅青青. STC單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換及EEPROM使用[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2011（9）：169-171.

[3] 姚永平.STC12C5620AD系列單片機(jī)器件手冊[M].深圳：宏晶科技，2007.

作者簡介：

冉涌（1981.06-），男，漢族，重慶人，碩士，講師，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、高速信號與實(shí)時信息號處理。endprint