基于STC单片机的信号检测与电机驱动模块设计

[摘 要]智能电子产品开发过程中，常常需要信号检测和电机驱动电路，为了提高开发效率，降低成本，选用STC单片机作为核心控制器，将该电路设计为通用的模块，具备常用信号检测和直流电机、步进电机驱动能力，介绍了该模块电路的系统构成、硬件电路及软件设计中的注意事项。

[关键词]信号检测；步进电机；AD采样

中图分类号：TP368.1 文献标识码：B

在工业控制、智能电子产品开发中，常常需要信号检测和电机驱动电路，每次开发新的产品都重新设计相应电路，是一件费事耗力的工作。鉴于常用的输入信号有开关量的数字信号、一定范围内的模拟信号；输出部分，多采用电机作为执行机构，其中，又以直流电机和步进电机最为常用[1]。因此，将这类高频度使用的电路模块化，势必大大提高新产品开发效率，降低开发成本。同时兼顾通用性和价格因素，设计一款价格低廉，兼容多种信号检测，可驱动直流电机、步进电机的模块电路，有较大的社会需求和广阔的市场前景。

一、模块结构设计

信号检测与电机驱动模块需要具备信号检测与电机驱动能力，同时，为了满足各类用户的需求，要能提供电压范围较宽的多路电源接口，为方便用户设置，需要有多个按键作为功能调整键。采用更高集成度的MCU简化输入接口电路，可大大减小电路复杂度，减小电路尺寸，节约成本，电路结构如图1所示。串行通信接口，既方便用户下载更新程序，又可用于与系统与其它模块、上位机等通信。

图1 模块结构框图

二、硬件电路设计

综合考虑系统的控制功能和对输入信号的采集能力，兼顾成本，选择STC12C2052AD单片机作为主控芯片。该单片机拥有1K字节的EEPROM，4路PWM/PCA/CCU单元，可作为DA使用，有2个定时器；具备8通道的高速A/D采样能力[2]，该AD为电压输入型，8位精度，速度可达100KHz，用于电池电压检测、温度检测、频谱检测等场景。在通信方面，具有SPI通信接口和全双工的串口[3]。

电机驱动部分采用L293DD驱动器，其内部集成双极型H-桥电路，可以同时驱动两路直流电机或者驱动2相、4相步进电机。每个通道都配备了一个使能输入端。L293DD逻辑电路具有独立的供电输入，工作电压范围4.5V-36V，最大电流达1.2A。外部电路连接时，直接将EN1和EN2接高电平，使能有效。通过分别控制IN1-IN4的高低电平状态来驱动电机的运行状态。为方便用户调试，在输出位置外接4个LED灯，作为状态指示。

电源部分，留出多路接口，允许电压范围4.5V-36V，以利于直接驱动电机动作。同时，为了保证核心控制电路有稳定的电源，采用sop封裝的7805芯片做三端稳压电路，提供5V工作电压。

输入接口部分，引出单片机的P3，P1.4-P1.7作为通用输入输出控制口，引出P1.0-P1.3作为4路AD采样通道，并配备电压端子VCC和接地端子GND，方便常用的传感器连接。另外，外部引出单片机的TX，RX引脚，并采用11.0592MHz晶振，方便程序下载和串口通信。设置4个独立按键，方便用户做个性化功能设置和参数调整。

三、模块软件开发

最常用的直流电机驱动，要求有三种工作状态：停止、正转、反转。其控制逻辑比较简单。本文以OUT1，OUT2接入1路直流电机为例。当IN1=0，IN2=0时，OUT1=0；OUT2=0，电机停止运行；当IN1=0，IN2=1时，OUT1=0；OUT2=1，形成电势差，电机正转。同理，逻辑反向后，电机反转。

2相4线式步进电机也是比较常用的一类执行机构，其控制线有A1、A2、B1、B2共四根，A1、A2构成A相，B1、B2构成B相。控制时可以采用4拍或者8拍的工作方式。以4拍为例，其时序逻辑为A相正向导通-'B相正向导通-'A相反向导通-'B相反向导通。在程序控制时，需要通过定时器0定时，大约2ms换相。其电平控制逻辑如表1所示。

表1 四线的电平逻辑

输入的传感检测设备，主要有开关量的数字信号输入和模拟量输入两类。当为开关量时，传感器信号检测类似于按键检测，采用条件判断语句直接解决；当为模拟信号时，则需要连接到AD转换接口P1。软件设计方面，首先，设置P1M0、P1M1寄存器，将对应端口置为开漏模式或高阻模式。然后，配置特殊功能寄存器ADC_CONTR。该寄存器的8位结构如表2所示。

表2控制寄存器结构

其中，CHS2、CHS1、CHS0三位的组合，用于选择当前转化通道；SPEED1、SPEED0两位，用于用户选择转换速度；ADC_POWER位是电源控制位，在启动AD转换前一定要先开启该位，将其置为1，AD转换结束，为了降低功耗，可以选择关闭该位；ADC_START是转换启动控制位，设为"1"时，开始转换，结束后为0；ADC_FlAG是转换结束标记，当完成一次转换后，该位自动置1。需要注意的是，该位必须手动清0。最后，转换的结果以二进制形式存放在8位寄存器ADC_DATA中，直接读出，对应的实际电压值Vin由公式（1）求得。

其中Vcc是STC单片机的实际工作电压。在工作电压有波动的情况下，为了提高精度，可以外接稳定性较高的电源作为参考电压。

四、总结

综合考虑性能和成本因素，选用STC单片机与L293DD驱动器搭配的方案，设计了一套模块化单元电路系统，介绍了该系统硬件电路设计的要点以及软件设计中电机驱动程序和AD转换程序的写法。在智能电子产品开发过程中，直接使用该电路模块，可大大提高产品开发效率。

参考文献

[1] 贺益康，许大中. 电机控制[M]. 浙江： 浙江大学出版社， 2014： 1-3.

[2] 杨峰， 胡彬， 罗青青. STC单片机AD转换及EEPROM使用[J]. 数字技术与应用， 2011（9）：169-171.

[3] 姚永平.STC12C5620AD系列单片机器件手册[M].深圳：宏晶科技，2007.

作者简介：

冉涌（1981.06-），男，汉族，重庆人，硕士，讲师，主要研究方向：无线传感器网络、高速信号与实时信息号处理。endprint