基于单片机的步进电机控制系统设计与仿真

牛 甲 熊 刚 郭东平

（杨凌职业技术学院 陕西 杨凌 712100）

摘 要： 研究基于单片机的步进电机控制系统及仿真实现问题，采用单片机ATC51、步进电机和液晶模块等作为主要硬件，在PROTEUS软件环境下实现一种电机控制系统的设计。

关键词： 单片机；电机；仿真；PROTEUS

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1020071－01

0 引言

步进电机具有价格低廉、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点，在电动阀门、电动窗帘、旋转灯具、医疗设备等方面有着广泛的应用，因此设计一款可控性能好、精度高的电机控制系统是非常有意义的。本文介绍的步进电机控制系统，由单片机代替控制器，在按键的操作下控制电机的转动，同时对工作状态进行显示，最后通过单片机动态仿真软件PROTEUS仿真实现。

1 硬件电路设计

本设计中，通过按键对电机的正向、反向（即顺时针、逆时针）进行控制，控制器对控制台的参数进行采集，通过对采集的数据分析处理产生相应的信号输入到驱动器中，再通过驱动器控制电机进行正转、反转、加速、减速、停止等动作。

本系统以单片机ATC51为控制核心，通过控制台按键来控制电机转速和方向，同时通过液晶及LED实时的显示电机工作状态。该步进电机控制系统包括单片机系统电路、按键电路、状态显示电路、驱动电路及电机等，系统选用P1口低五位作为按键控制口，P2口和P3口用做输出显示控制口，P0口低四位经反相后连接步进电机驱动芯片，高四位用做电机状态指示灯，整个系统结构图如图1所示。

由于步进电机的驱动电流较大，一般的脉冲分配器输出的驱动能力有限，所以需要专门的驱动电路。本设计选用单极性功率驱动芯片ULN2003A，ULN2003是高耐压、大电流达林顿系列，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

2 软件设计

系统主程序如图2所示，单片机上电后开始中断初始化，并且设定寄存器及电机控制模型初值，此时电机不转动，指示灯全部熄灭；若有键按下，则执行中断服务程序判别键值，根据键值来执行相应的子程序，通过改变控制模型及寄存器值来控制步进电机的方向和速度，同时LCD以及指示灯显示电机的工作状态。

图1 系统硬件结构图

1.1 控制电路设计

按键采用式键盘，5个按键分别连接到单片机的P1.0～P1.5口，作为控制信号的输入。K0为停止键，K1、K2键电机方向控制键，K3、K4键电机速度控制键。按下K1后，电机开始正转，通过K3、K4对电机进行加速减速控制。

1.2 LCD显示电路设计

显示部分采用的是TS128液晶，液晶的数据端D0-D7与单片机P2口相连，实现数据的传输与显示；使能信号端E用来完成液晶的读/写操作时序，与P3.5连接；R/W信号端上的电平状态用来判断是读操作还是写操作，与P3.4连接；RS信号端用于识别数据线的数据是指令代码还是用来显示数据，与P3.2连接。液晶屏的作用就是实时显示电机的工作状态，使工作人员能够直观的看到电机的处于何种工况。

1.3 驱动电路设计

图2 主程序流程图

键值判断采用中断的工作方式，这种工作方式平时CPU不必对按键进行扫描，只要有键闭合，立即产生中断信号使CPU转入中断处理程序，对按键的进行处理，进入中断程序后，先延时10ms去抖动，然后根据P1口的值转入相应的分支程序，在分支程序中控制步进电机的转动方向和转速，同时更新LCD存储器中内容以显示电机工作状态。

3 仿真实现

PROTEUS是英国Labcenter electronics公司开发的EDA工具软件，涉及PCB制版、Spice电路仿真、单片机仿真以及对ARM7/LPC2000的仿真[2～4]。

本文设计的电路硬件主要由单片机、LCD、晶振、电阻电容、驱动电路、电机等元器件组成，在Proteus中绘制电路原理图。仿真过程如下：

（下转第22页）

171perf内核新增加的特征。Perf是在RHEL6中才有，RHEL5中没有Perf。Oprofile和perf都使用现代CPU中具有的硬件计数器进行统计工作，但perf还可以使用内核中定义的“software counter”及“trace points”，所以能做更多的工作。Oprofile的抽样工作利用CPU的NMI中断来进行，而perf既可以利用NMI中断也可利用硬件计数器提供的周期性中断。用户能很容易用perf来oprofile一个进程或系统的执行时间分布，如：

#> perf top -f 1000 -p

还可以利用系统定义的 “software counter”和各子系统的“trace points”对子系统进行分析。

5 用kdump工具定位内核故障实例

5.1 部署Kdump

部署kdump收集故障信息的步骤如下：5.1.1 设置好相关的内核启动参数

在/boot/grub/menu.lst中加入如下内容crashkernel=128M@16M nmi_watchdog=1

其中crashkernel参数是用来为kdump的内核预留内存的；nmi_watchdog=1是用来激活NMI中断的，我们在未确定故障是否关闭了中断的情况下，需要部署NMI watchdog才能确保触发panic，重启系统确保设置生效。

5.1.2 设置好相关的sysctl内核参数在/etc/sysctl.conf中最后加入一行kernel.softlookup_panic = 1

该设置确保softlock发生时会调用panic，从而触发kdump行为执行#>sysctl -p确保设置生效5.1.3 配置/etc/kdump.conf

在/etc/kdump.conf中加入如下几行内容ext3/dev/sdb1

core-collector makedumpfile -c message-level 7 -d 31 -i /mnt/vmcoreinfo

path /var/crashDefault reboot

其中/dev/sdb1是用于放置dumpfile的文件系统，dumpfile文件放置在/var/crash下，要事先在/dev/sdb1分区下创建/var/crash目录。“?”敝付ǘ詃内容的过滤级别，这参数对于dump分区放不下全部内存内容或用户不想让dumping中断业务太长时间时很重要。vmcoreinfo文件放置在/dev/sdb1 分区的/目录下，需要使用如下命令产生：

#>makedumpfile -g //vmcoreinfo -x /usr/lib/debug/lib/modules/2.6.18-128.el5.x86_/vmlinux

“Vmlinux”文件是由kernel-debuginfo包提供的，在运行makedumpfile之前需要安装相应内核的kernel-debuginfo和kernel-debuginfo-common两个

包，该两个包需从http：//ftp.redhat.com下载。“default reboot”用来告诉kdump，收集完dump信息后重启系统。

5.2 激活kdump

运行#>service kdump start命令，你会看到，在成功完成的情况下会在/boot/目录下生成一个initrd-2.6.18-128.el5.x86_kdump.img文件，该文件就是kdump加载的内核的initrd文件，收集dump信息的工作就是在该initrd的启动环境下进行的。查看/etc/init.d/kdump脚本的代码，你可看到其中会调用mkdumprd命令创建用于dump的initrd文件。

5.2.1 测试Kdump部署的有效性

为了测试kdump部署的有效性，本人写了如下一个内核模块，通过insmod加载该内核模块，就能产生一个内核线程，在10秒左右后，占据100%的CPU，在20秒左右后触发kdump。系统重启后，检查/oracle分区/var/crash目录下的内容，就能确认vmcore文件是否生成。

5.2.2 用crash工具分析vmcore文件

用crash命令分析vmcore的命令行格式如下所示。用crash打开vmcore后，主要是用dmesg及bt命令打印出问题的执行路径的call trace，用dis反汇编出代码，最终确认call trace对应的C源码中的位置，再进行逻辑分析。

6 使用kprobe来观察内核函数的执行实例

Kprobe是SystemTap对内核函数进行probing的功能在内核中的实现，由于内核中提供了正式的API来使用kprobe，所以对很多内核程序员来说，也许直接使用kprobe比使用SystemTap更方便。内核中提供了三种类型的kprobe处理函数，分别是jprobe，kprobe，kretprobe，下面的代码用这三个probe观察在TCP/IP的arp_process函数执行中对ip_route_input（）调用的返回结果。这个代码还展示了在同一个函数probe的Entry handler和Ret handler之间共享参数的方法。

参考文献：

[1]#>man kdump.conf，#>man makedumpfile，#>man crash.[2]#>apropos systemtap.

[3]http：//en.wikipedia.org/wiki/SystemTap.[4]http：//lwn.net/Articles/322666/.

[5]kernel-source/Documentation/trace/tracepoints.txt.[6]kernel-source/tools/perf/Documentation.

作者简介：

马庆胜（1969-），男，山东省济南人，学历：大学本科，现职称：工程师，单位：山东联大集团，研究方向：管理信息；张前锋 （1975-）男，北京人，学历：研究生，现职称：工程师，工作单位：山东联大集团，研究方向：信息管理。

（上接第71页）

1）在仿真开始后，在控制台按下K1/正转键，此时电机正转，蓝色指示灯亮，同时LCD显示汉字“正转”字样；在电机运行的任何时刻按下K2/反转键，可以使电机反向转动，同时LCD显示汉字“反转”字样。K1、K2可以使电机在正反转动之间切换。

2）在电机运行的任何时刻按下K0/停止键，此时电机将停止运行，同时LCD显示汉字“停止”字样。再次按下K1/正转键，步进电机将以停止前的状态继续运行。

3）在电机运行的任何时刻按下K3/加速键，此时电机加速运行。每按一次K3/速加速键后，电机的速度将提高一次，直到寄存器B的值减为1，此时速度不在提高，同时LCD显示汉字“加速运行”字样；在电机运行的任何时刻按下K4/减速键，此时电机减速运行。每按一次K4/减速键后，电机的速度将减慢一次，直到寄存器B的值加为255，此时速度为最慢，同时LCD显示汉字“减速运行”字样。

4 结束语

本文结合单片机技术和PROTEUS仿真软件设计实现一种电机控制系统，较详细的论述了其总体框架、硬件和软件的设计方案。该系统经仿真

运行，测试结果表明，该系统可以满足在功能键的操作下控制电机的正反向转动、停止及加减速，状态指示灯及LCD能够正确显示电机的工作状态。

参考文献：

[1]徐爱华，单片机应用技术教程[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]林志琦等，基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3]郑宝瑞，基于单片机的步进电机控制系统的研制[J].齐齐哈尔大学学报，2010，26（4）：46-49.

[4]李东勋泉，基于Proteus的液晶模块仿真[J].微计算机信息，2009，25（13）：119-121.

作者简介：

牛甲（1984-），男，汉族，陕西杨凌人，杨凌职业技术学院助教，主要从事自动化技术教学和研究工作。

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