基于PIC16F873单片机的步进电机控制系统

　　引 言

　　单片机控制步进电机具有功能灵活多样，脉冲输出准确，实时性强等特点，通过软件设计可以实现各种复杂的控制，其系统成本较低，近些年来已被广泛应用在各种不同的运动控制系统中。

　　在实际应用中，若步进电机在升降速时，脉冲频率的变化不合理，就会使电机失步或者过冲，使系统无法做到精确定位；同时，由于系统快速性的要求，电机需要很快地完成加减速过程。

　　这里设计了基于PIC单片机的步进电机控制系统，分析快速性最好的指数型加减速曲线在实际系统中的应用规律，提出了一种升降速曲线的优化方法，采用了硬件、软件抗干扰技术措施。可以通过键盘输入数据与指令，并能通过旋钮方便地实现电机的连续调速，实时设置与显示步进电机的工作方式。

　　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，还能通过上位微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PIC16F873，该单片机具有抗干扰能力强，超低功耗。芯片自带硬件看门狗，具有高速SPI通信端口，6通道10位A／D转换，2路PWM输出，8 KB容量的FLASH存储器，368 B容量的SRAM，3个定时器，1个SPI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，而且减少硬件电路的设计，提高工作效率。单片机的外部引脚定义以及在该设计的资源分布如图2所示。

　　RA0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的高低，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RB6，通过中断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。

　　由于功率MOSFET管栅极电容的存在，对该管的驱动电流实际表现为对栅极电容的充、放电。图中电路的设计可改进功率MOSFET管的快速开通时间，减少在前级门电路上的功耗，提高了驱动电流的前后沿陡度，能够改善高频响应。

　　栅源间过压保护齐纳二极管的稳压值为15 V。功率MOSFET管栅源间的阻抗很高，工作于开关状态下的漏源间电压的突变会通过极间电容藕合到栅极而产生相当幅度的VGS脉冲电压。这一电压会引起栅源击穿造成管子的永久损坏，如果是正方向的VGS脉冲电压，虽然达不到损坏器件的程度，但会导致器件的误导通。为此，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，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正常的开关作用。

　　2．3 显示与按键处理电路

　　在单片机应用系统中，键盘显示接口技术已经比较成熟，相对于并行方式，串行扩展接线灵活，占用单片机资源少，系统结构简化，极易形成用户的模块化结构。现代单片机应用系统广泛采用串行扩展技术。ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片。单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。ZLG7289A采用串行方式与微处理器通信。串行数据从。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。

　　应注意的是ZLG7289A应连接共阴式数码管，在应用中无需用到的数码管和键盘可以不连接，省去数码管和对数码管设置消隐属性均不会影响键盘的使用。整个电路无需添加锁存器、驱动器、寄存器等，耗电较小，软件设计中也无需进行显示译码，省去了静态显示扩展芯片，大大节省了MCU的占用时间，因而使用更方便，适于推广。

　　本电路设计中仅采用4×4键盘和4位数码管，已完全满足设计需要。PIC16F873单片机与ZLG7289接口示意如图4所示。

　　2．4 硬件电路抗干扰设计

　　2．4．1 PCB的抗干扰设计

　　(1)当集成电路在工作状态翻转时，其工作电流的变化很大。集成电路电源线的电感会阻止电流的瞬态变化，从而影响集成电路的响应速度。与此同时集成电路芯片的瞬态变化电流流过环路面积较大电源线路时，将会产生较为强烈的对外辐射噪声。由于各集成电路很可能会流经相同的线路，在此线路上存在较大的公共阻抗，从而产生较严重的阻抗耦合干扰。除电源系统输出端采用电解电容与高频瓷片电容并联去耦外，还应包括MCU与数字集成电路去耦、电源走线末端去耦等措施。具体做法如下：电源输入端接10～100μF的电解电容。在集成电路的电源输入端和接地端之间接0．01μF陶瓷电容。在 VCC与电源地之间安放一个O．1μF的瓷片去耦电容。

　　(2)合理布线是提高单片机系统抗干扰的最主要措施。电源系统在PCB上的走线较长，当电磁噪声感应到电源系统，将可能导致系统内诸如触发器、反向器等电路的状态改变，从而使系统产生误动作。另一方面，电源系统上产生的快变大电流，也可能产生电磁能量的发送。设计时可按下列原则布线：电源线尽可能与地线平行，以减小供电环路面积，减小电源噪声的产生。对大电流的走线，尽可能将它们的宽度加粗，使传输压降减到最低。将不同电路功能区域的地分开走线，最后汇到主接触地点。数字地与模拟地应分开布线、单点连接。