基于STC單片機的信號檢測與電機驅動模塊設計

[摘 要]智能電子產品開發過程中，常常需要信號檢測和電機驅動電路，為了提高開發效率，降低成本，選用STC單片機作為核心控制器，將該電路設計為通用的模塊，具備常用信號檢測和直流電機、步進電機驅動能力，介紹了該模塊電路的系統構成、硬件電路及軟件設計中的注意事項。

[關鍵詞]信號檢測；步進電機；AD采樣

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：B

在工業控制、智能電子產品開發中，常常需要信號檢測和電機驅動電路，每次開發新的產品都重新設計相應電路，是一件費事耗力的工作。鑒于常用的輸入信號有開關量的數字信號、一定范圍內的模擬信號；輸出部分，多采用電機作為執行機構，其中，又以直流電機和步進電機最為常用[1]。因此，將這類高頻度使用的電路模塊化，勢必大大提高新產品開發效率，降低開發成本。同時兼顧通用性和價格因素，設計一款價格低廉，兼容多種信號檢測，可驅動直流電機、步進電機的模塊電路，有較大的社會需求和廣闊的市場前景。

一、模塊結構設計

信號檢測與電機驅動模塊需要具備信號檢測與電機驅動能力，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，為方便用戶設置，需要有多個按鍵作為功能調整鍵。采用更高集成度的MCU簡化輸入接口電路，可大大減小電路復雜度，減小電路尺寸，節約成本，電路結構如圖1所示。串行通信接口，既方便用戶下載更新程序，又可用于與系統與其它模塊、上位機等通信。

圖1 模塊結構框圖

二、硬件電路設計

綜合考慮系統的控制功能和對輸入信號的采集能力，兼顧成本，選擇STC12C2052AD單片機作為主控芯片。該單片機擁有1K字節的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]。

電機驅動部分采用L293DD驅動器，其內部集成雙極型H-橋電路，可以同時驅動兩路直流電機或者驅動2相、4相步進電機。每個通道都配備了一個使能輸入端。L293DD邏輯電路具有獨立的供電輸入，工作電壓范圍4.5V-36V，最大電流達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的高低電平狀態來驅動電機的運行狀態。為方便用戶調試，在輸出位置外接4個LED燈，作為狀態指示。

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

輸入接口部分，引出單片機的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，外部引出單片機的TX，RX引腳，并采用11.0592MHz晶振，方便程序下載和串口通信。設置4個獨立按鍵，方便用戶做個性化功能設置和參數調整。

三、模塊軟件開發

最常用的直流電機驅動，要求有三種工作狀態：停止、正轉、反轉。其控制邏輯比較簡單。本文以OUT1，OUT2接入1路直流電機為例。當IN1=0，IN2=0時，OUT1=0；OUT2=0，電機停止運行；當IN1=0，IN2=1時，OUT1=0；OUT2=1，形成電勢差，電機正轉。同理，邏輯反向后，電機反轉。

2相4線式步進電機也是比較常用的一類執行機構，其控制線有A1、A2、B1、B2共四根，A1、A2構成A相，B1、B2構成B相。控制時可以采用4拍或者8拍的工作方式。以4拍為例，其時序邏輯為A相正向導通-'B相正向導通-'A相反向導通-'B相反向導通。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

輸入的傳感檢測設備，主要有開關量的數字信號輸入和模擬量輸入兩類。當為開關量時，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；當為模擬信號時，則需要連接到AD轉換接口P1。軟件設計方面，首先，設置P1M0、P1M1寄存器，將對應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位結構如表2所示。

表2控制寄存器結構

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

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

四、總結

綜合考慮性能和成本因素，選用STC單片機與L293DD驅動器搭配的方案，設計了一套模塊化單元電路系統，介紹了該系統硬件電路設計的要點以及軟件設計中電機驅動程序和AD轉換程序的寫法。在智能電子產品開發過程中，直接使用該電路模塊，可大大提高產品開發效率。

參考文獻

[1] 賀益康，許大中. 電機控制[M]. 浙江： 浙江大學出版社， 2014： 1-3.

[2] 楊峰， 胡彬， 羅青青. STC單片機AD轉換及EEPROM使用[J]. 數字技術與應用， 2011（9）：169-171.

[3] 姚永平.STC12C5620AD系列單片機器件手冊[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：無線傳感器網絡、高速信號與實時信息號處理。endprint