基于單片機的步進電機小車控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、基于單片機的步進電機小車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計摘 要本設(shè)計以 stc89c52 單片機最小系統(tǒng)為核心，設(shè)計了一種兩相四線步進電機的驅(qū)動器電路。整個系統(tǒng)通過單片機控制步進電機驅(qū)動器的輸出信號，對步進電機的動作進行控制，進而實現(xiàn)小車的行走動作。文章包括了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速這些基本旋轉(zhuǎn)，以及在此基礎(chǔ)之上同時控制兩個步進電機，實現(xiàn)小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。并在小車上增加一些傳感器模塊，使單片機正常驅(qū)動步進電機，帶動小車執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的同時，根據(jù)傳感器模塊的反饋，不斷修正，直到任務(wù)實現(xiàn)小車循跡與避障功能。至此來證明所設(shè)計的驅(qū)動電路的可行性。文章中不僅包括了在步進電機驅(qū)動電路基礎(chǔ)上的單片機擴展電路，也

2、包括了專門為單片機供電的5v穩(wěn)壓電路的分析與設(shè)計，以及使單片機串口與計算機usb接口直接進行通信的上位機電路的設(shè)計。關(guān)鍵詞：stc89c52；步進電機；步進電機驅(qū)動電路；循跡；避障stepping motor vehicles drive system design based on single-chip microcomputer abstractthis design with stc89c52 scm smallest system as the core, designed a two phase four-wire stepping motor drive circuit.the

3、whole system by single chip microcomputer control stepping motor drives the output signal, to control the motion of the stepper motor, and realizes the car to walk. articles including the stepper motor are turning, inversion, acceleration, deceleration, these basic rotation, and on this basis at the

4、 same time control two stepper motors, implement the car move forward, backward, turn left and turn right. and add some on the car sensor module, mcu to normal driving stepping motor, drive car corresponding tasks at the same time, according to the feedback of sensor module, the correction unceasing

5、ly, until the task to realize the car tracking and obstacle avoidance function. at this point to prove the feasibility of the designed driver circuit.not only included in the article based on step motor drive circuit of single chip microcomputer extended circuit, also included for mcu power supply 5

6、 v voltage regulator circuit analysis and design, and make the microcontroller serial port and the computer usb interface directly communicate superior mechanical and electrical design of the road.keywords: stc89c52; stepper motor; stepper motor drive circuit; tracking; obstacle avoidance目 錄第1章緒論11.

7、1課題背景11.2 課題研究的內(nèi)容1第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計22.1 系統(tǒng)設(shè)計要求22.2系統(tǒng)框圖22.3設(shè)計規(guī)劃2第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計43.1單片機介紹43.1.1單片機概述43.1.2單片機的特點43.1.3單片機的應(yīng)用領(lǐng)域43.1.4 單片機選用53.1.5控制電路設(shè)計63.1.6單片機供電模塊設(shè)計93.2步進電機介紹103.2.1步進電機的概述103.2.2步進電機的特點103.2.3步進電機的工作原理113.2.4步進電機選用113.3步進電機驅(qū)動器的設(shè)計113.4系統(tǒng)功能設(shè)計133.4.1循跡功能133.4.2避障功能153.5上位機電路設(shè)計15第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計194.1電機控制流程圖

8、194.2 電機方向控制194.3速度控制204.4循跡214.5避障流程圖21第5章總結(jié)與展望235.1總結(jié)235.2展望23參考文獻24 附錄 程序清單25 1.電機旋轉(zhuǎn)程序25 2.循跡程序27 3.避障程序31 附錄 單片機驅(qū)動電機電路35 附錄 外文文獻翻譯36 第1章緒論1.1課題背景步進電機是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件。步進電機的輸入信號為脈沖電流，它能將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移，因而步進電機可看作是一個串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。由于步進電機能夠直接接受數(shù)字信號，而不需數(shù) /模轉(zhuǎn)換，所以使用微機控制步進電機顯得非常方便1。步進電機有以下優(yōu)點: （1）通常不需要反饋

9、就能對位置和速度進行控制;（2）位置誤差不會積累;（3）與數(shù)組設(shè)備兼容 ,能夠直接接收數(shù)字信號;（4）可以快速啟停。 步進電機的品種規(guī)格很多，按照它們的結(jié)構(gòu)和工作原理可以劃分為磁阻式(也稱反應(yīng)式或變磁阻式)電機、混合式電機、永磁式電機和特種電機等四種主要型式。步進電機不需位移傳感器就可精確定位，所以在精確定位系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。目前打字機、計算機外部設(shè)備、數(shù)控機床、傳真機等設(shè)備都使用了步進電機。隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機必將發(fā)揮它的控制方便、控制準確的特點，在工業(yè)控制等領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用2。1.2 課題研究的內(nèi)容步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制

10、系統(tǒng)中。它是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的微電動機，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設(shè)備以及各種控制裝置等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本次畢業(yè)設(shè)計選用的步進電機是兩相步進電機，通過軟件和硬件的結(jié)合首先實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速功能，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)循跡、避障?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而精確地控制轉(zhuǎn)動角

11、度；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的角度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求基于單片機的步進電機小車系統(tǒng)，就是在單片機最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一些模塊，使單片機正常驅(qū)動步進電機，帶動小車執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的同時，根據(jù)傳感器模塊的反饋，不斷修正，直到任務(wù)實現(xiàn)。為了實現(xiàn)任務(wù)，還需設(shè)計一些為系統(tǒng)服務(wù)的模塊。2.2系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)單片機電路部分由供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路與i/o電路部分組成，再由單片機控制電機實現(xiàn)循跡功能與避障功能。本系統(tǒng)設(shè)計各部分框圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)框圖2.3設(shè)計規(guī)劃由于整個系統(tǒng)基于單片機，首先應(yīng)該了解單片機的特點以及應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用方

12、法。其次，單片機包括很多種類，在大致了解單片機之后應(yīng)該為設(shè)計選擇一款合適的單片機，之后再對這款單片機經(jīng)行深入研究，了解這款單片機的各項參數(shù)與內(nèi)部構(gòu)造，才能知道單片機與其他芯片的連接方法。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接受到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度是一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的正反與速度及兩個電機之間的協(xié)調(diào)配合，從而達到控制目的。但單片機不能直接驅(qū)動步進電機，最好的解決方法是設(shè)計一種步進電機驅(qū)動器，由單片機控制驅(qū)動器，再由

13、驅(qū)動器驅(qū)動步進電機。單片機作為總控制芯片要有穩(wěn)定合適的電壓輸入，所以在單片機與電源之間要接穩(wěn)壓電路。另外，為了能更方便的讓計算機與單片機通信，還要設(shè)計一種上位機軟件。到這里只是能讓步進電機執(zhí)行預(yù)定的動作，并沒有體現(xiàn)單片機控制步進電機的靈活性。因此還可以讓小車設(shè)計實現(xiàn)循跡與避障兩個功能，讓小車在接收傳感器反饋信號的情況下，完成預(yù)想的任務(wù)。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1單片機介紹3.1.1單片機概述單片微型計算機簡稱單片機，又稱為微控制器（mcu single-chip microcomputer），它的出現(xiàn)是計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑，它以體積小、功能全、性價比高等諸多優(yōu)點而獨具特色，在工業(yè)控制、

14、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中獨占鰲頭。51系列單片機 是國內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種8位單片機之一3。經(jīng)過20多年的推廣與發(fā)展，51系列單片機形成了以個規(guī)模龐大、功能齊全、資源豐富的產(chǎn)品群。隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和普遍接受及應(yīng)用，51單片機的發(fā)展又進入了以個新的階段。許多專用功能芯片的內(nèi)核集成了51單片機，與51系列單片機兼容的微控制器以ip核的方式不斷地出現(xiàn)在fpga的片上系統(tǒng)中。近年來，基于51單片機的嵌入式實時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)與推廣，表明了51系列單片機在今后的許多年中依然會活躍如故，而且在很長一段時間中將占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場。 3.1.2單片

15、機的特點單片機就是將cpu，ram，rom，定時/計時器和多種接口集成在一塊芯片上的微型計算機4。 其主要特點如下: （1）片內(nèi)存儲容量較小:原因是受集成度的限制。rom一般小于8kb，ram一般小于256b，但可以在外部擴展.通常rom，ram可分別擴展至64kb。（2）可靠性高:因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于pc機。系統(tǒng)軟件(如:程序指令,常數(shù),表格)固化在rom中，不易受病毒破壞。許多信號的通道均在一個芯片內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。（3）便于擴展:片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線,并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算

16、機應(yīng)用系統(tǒng)。 （4）控制功能強:具有豐富的控制指令:如條件分支轉(zhuǎn)移指令，i/o口的邏輯操作指令，位處理指令。 （5）實用性好:體積小,功耗低,價格便宜,易于產(chǎn)品化。3.1.3單片機的應(yīng)用領(lǐng)域目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。 因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇5： （1）在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管 理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機

17、聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。 （2）在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。 （3）在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機 網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機 智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、 再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。 （4）單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用

18、途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超 聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。此外，單片機在工商、金融、科研、教育、國防航空航 天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。3.1.4 單片機選用目前應(yīng)用廣泛的單片機為51系列單片機，89c52單片機的內(nèi)部ram、rom要大于89c51單片機，能允許更大的程序運行，并且其它一些指標要優(yōu)于后者，故本設(shè)計選用了前者作為主控制芯片。本系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用的是stc89c52單片機作為主處理芯片。這個芯片是stc公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash存儲器。它的主要功能特性如下6：1.兼容mcs51指令系統(tǒng)2.8k可反復(fù)擦寫(大

19、于1000次）flashrom；3.32個雙向i/o口；4.256x8bit內(nèi)部ram；5.3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；6.時鐘頻率0-24mhz；7.2個串行中斷，可編程uart串行通道；8.2個外部中斷源，共8個中斷源；9.2個讀寫中斷口線，3級加密位；10.低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；11.有pdip、pqfp、tqfp及plcc等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。本設(shè)計為了能讓單片機的引腳更加容易接出，采用的是pdip封裝，它的引腳圖與實物圖如圖3-1與3-2所示： 圖3-2 stc89c52實物圖圖3-1 stc89c52引腳圖3.1.5控制電路設(shè)計本系統(tǒng)是

20、在單片機最小系統(tǒng)上進行設(shè)計的。單片機的最小系統(tǒng)就是讓單片機能正常工作并發(fā)揮其功能時所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)7。對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、時鐘電路、復(fù)位電路、輸入/輸出設(shè)備等。單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計如下：1.單片機最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容c1的大小直接影響單片機的復(fù)位時間，一般采用1030uf，單片機最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時間越短。2.單片機最小系統(tǒng)晶振y1也可以采用6mhz或者11.0592mhz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。

21、3.單片機最小系統(tǒng)起振電容c2、c3一般采用1533pf，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好，不會受到電路的干擾。單片機最小系統(tǒng)圖如圖3-3所示：圖3-3 單片機最小系統(tǒng)圖在本設(shè)計中為了能更方便的實現(xiàn)較多的功能8，單片機的引腳可方便的與外部電路相連，在電路圖中外加了排母，將單片機的所有引腳引到了排母上。但只有信號不能驅(qū)動外加模塊，因此在外接引腳的旁邊另接一排同樣數(shù)量引腳的排母，并且接5v的電源，與同樣數(shù)量的接地的排母。單片機的擴展電路如圖3-4所示：圖3-4 單片機的擴展電路圖3.1.6單片機供電模塊設(shè)計本設(shè)計采用6v可充電鎳氫充電電池組作為單片機的電源,這種電源的優(yōu)點是電容量大,可

22、以支持步進電機的長時間運轉(zhuǎn)。但眾所周知，電池在放電過程中,電壓會隨著時間減小,運行過程中電壓會漸漸達不到要求,而充滿電時電壓又過高,如圖3-5所示，而單片機的工作電壓最好為5v，如果不進行降壓穩(wěn)壓處理，會對單片機造成損害,故要在電源與單片機之間加穩(wěn)壓芯片。圖3-5 電池電壓與電量的關(guān)系本設(shè)計中采用常見的ams1117作為單片機的穩(wěn)壓芯片，它的概述如下：ams1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計用于提供1a輸出電流且工作壓差可低至1v。在最大輸出電流時，ams1117器件的壓差保證最大不超過1.3v，并隨負載電流的減小而逐漸降低。ams1117的片上微調(diào)把基準電壓調(diào)整到1.5%的誤差

23、以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。ams1117器件引腳上兼容其他三端scsi穩(wěn)壓器，提供適用貼片安裝的sot-223，8引腳soic，和to-252(dpak)塑料封裝。ams1117芯片的特性如下：1.三端口可調(diào)節(jié)或固定輸出電壓1.5v,1.8v,2.5v,2.85v,3.3v和5.0v2.輸出電流1a，工作壓差低至1v3.線荷載調(diào)節(jié)：0.2%max 負載調(diào)節(jié)：0.4%max.4.可選sot-223,to-252和so-8封裝的結(jié)溫5.片內(nèi)過熱切斷保護電路提供了過載和過熱保護，以防止環(huán)境溫度造成過高6.為了確保ams1117的穩(wěn)定性，對可調(diào)電壓版

24、本，輸出需要連接一個至少22f的鉭電容。對于固電壓版本，可采用更小的電容，具體可根據(jù)實際應(yīng)用確定。通常線性調(diào)壓器的穩(wěn)定性隨著輸出電流增加而降低。單片機需要5v的穩(wěn)定電壓，故選擇ams1117 5.0的芯片經(jīng)行降壓，芯片的1管腳接電池的正極，2管腳接單片機的vcc端，3管腳與電池的負極與單片機gnd相連并接地。在工作時單片機的vcc端有5v的電壓，所以電路圖中的發(fā)光二極管會導(dǎo)通并發(fā)亮，指示電路正在工作狀態(tài)。如圖3-6所示。圖3-6 單片機穩(wěn)壓電路圖3.2步進電機介紹3.2.1步進電機的概述步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)9。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向

25、轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的10。步進電機也是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信

26、號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。3.2.2步進電機的特點步進電機有以下特點11：1不需要反饋，控制簡單。 2與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡單。3沒有角累積誤差。 4停止時也可保持轉(zhuǎn)距。 5沒有轉(zhuǎn)向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。 6即使沒有傳感器，也能精確定位。 7根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。 但是，這種電機也有自身的缺點。8難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩 9、不宜用作高速轉(zhuǎn)動 10在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。3.2.3步進電機的工作原理下面以四相步進電機最簡單的四拍工作方式來說明步進電機的工作原理：圖3-7 步進電機的工作原理以四相步

27、進電機為例，sa、sb、sc與sd分別是四相步進電機的四個相的開關(guān)，開關(guān)接通時，磁極通電；開關(guān)斷開，磁極斷電。sa通電時a磁極接通，產(chǎn)生磁場，吸引轉(zhuǎn)子2靠近磁極a；之后sa斷開，sb接通，產(chǎn)生磁場，吸引轉(zhuǎn)子3靠近磁極b；接著sb斷開，sc接通產(chǎn)生磁場，吸引轉(zhuǎn)子4靠近磁極c，周而復(fù)始電機就會旋轉(zhuǎn)。開關(guān)通電斷電的時間和間隔越長，則轉(zhuǎn)子換向需要的時間就越長，即電機轉(zhuǎn)的越慢；反之則電機轉(zhuǎn)的越快。電機的加速旋轉(zhuǎn)與減速旋轉(zhuǎn)也可以又各相定子通斷電的頻率改變12。3.2.4步進電機選用步進電機是以脈沖信號依次使定子激勵,以數(shù)字電壓輸入來控制轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動方向。因此,步進電機可工作于單相通電,雙相通電,以及雙相交叉

28、通電13。本設(shè)計中選用的是42hs02型兩相四線步進電機，它有多種控制方式，本設(shè)計中采用的是雙二拍整步方式，即采用通電次序兩相，四拍：(+a)(+b)-(-a)(+b)-(-a)(-b)-(+a)(-b)。兩相繞組同時通電時，同時對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生引力。與單二拍相比，雙二拍不容易產(chǎn)生丟步的現(xiàn)象。3.3步進電機驅(qū)動器的設(shè)計常用的步進電機的驅(qū)動芯片有兩種，一種是l297，另一種是l298n14。l298n是st公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。一般的控制芯片起到控制作用，但是驅(qū)動能力不強，而電機（不單是步進電機）所需要的電流一般比較大，控制芯片的io口不能提供大電流，所以一般不能直接驅(qū)動電機。l2

29、98n是驅(qū)動芯片，可以將控制芯片的輸出轉(zhuǎn)換成較高的電壓和能夠輸出較大的電流。l297是意大利sgs半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進電機專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。所以將l297與l298n同時相連組成的步進電機驅(qū)動電路，無論對硬件的系統(tǒng)集成和控制軟件，都是省時省力的事，因為組合后每只步進電機只需步進脈沖、正反轉(zhuǎn)兩個信號便行。如圖3-7所示。圖3-8 步進電機驅(qū)動電路在設(shè)計中，這樣的步進電機有驅(qū)動器兩個，分別驅(qū)動左右兩個步進電機。在電路圖中in1、in2與in3是分別接收由單片機輸出的信號的端口，in1接收使

30、能控制信號，in2接收方向控制信號，in3接收時鐘控制信號，in1、in2與in3分別與單片機的p10、p11、p12口相連。由于設(shè)計中有兩個驅(qū)動器，另外一個驅(qū)動器的三個輸入口分別與p13、p14、p15相連，這樣單片機的6個口就可以控制步進電機的運動了。out1、out2、out3與out4分別是步進電機驅(qū)動器的四個輸出口，為了步進電機能按要求轉(zhuǎn)動，這四個輸出口因該按順序與步進電機的四條引線相連。單片機輸出對應(yīng)驅(qū)動器輸入驅(qū)動器輸出如表3-1，表3-2所示。表3-1 電機正轉(zhuǎn)表a+b+a-b-驅(qū)動器輸出電平正轉(zhuǎn)1100011000111001表3-2 電機反轉(zhuǎn)表a+b+a-b-驅(qū)動器輸出電平反

31、轉(zhuǎn)11001001001101103.4系統(tǒng)功能設(shè)計3.4.1循跡功能循跡功能是步進電機小車沿著一條黑色固定軌跡前進的功能，小車跟隨軌跡就要用到光電傳感器。光電傳感器是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的15。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(led)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號16

32、。光電傳感器是一種能進行非接觸檢測的傳感器，其具有檢測范圍廣、檢測距離遠的優(yōu)點。其最大檢測距離往往和被檢物的尺寸、形狀、顏色及表面狀態(tài)有關(guān)。對環(huán)境條件要求不嚴格, 如高溫區(qū)域、被檢物半透明時均能正確檢測, 但不適宜用在潮濕結(jié)露或灰塵很大的場合。如何選擇檢測方式應(yīng)主要考慮以下幾點因素檢測距離被檢物的尺寸被檢物的反光情況如何, 如深色物體的反光能力弱被檢物是否處于振動場合。被檢物與背景的色差如何周圍環(huán)境光強如何，是否存在自然光或人工照明檢測線路上是否有灰塵，灰塵會大大減小光電傳感器的檢測距離。檢測方式可分為對射式、反射式、偏振式、鏡面式、漫反射式、會聚式和光幕式等。在本設(shè)計中用到的是反射式檢測。反

33、射式光電傳感器的發(fā)射頭和接收頭安裝于同一側(cè), 正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光源被反光板反射回來再被收光器收到；一旦被檢測物擋住光路，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。tcrt5000光電傳感器模塊是基于tcrt5000紅外光電傳感器設(shè)計的一款紅外反射式光電開關(guān)。傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出信號經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。應(yīng)用場合： 1.電度表脈沖數(shù)據(jù)采樣 2.傳真機碎紙機紙張檢測3.障礙檢測 4.黑白線檢測 圖3-9 光電傳感器如圖3-9，光電傳感器的發(fā)射頭在小車行駛過程中以一定角度范圍不斷地向地面發(fā)射紅外光，當小車在白色地面行駛時，紅外光

34、經(jīng)白色反射后,被接收管接收；一旦接收管接收到信號，輸出端將輸出低電平；當小車行駛到黑線時，由于黑色對光吸收強，接收管接收到紅外光少，接收管沒有導(dǎo)通，集電極在上拉電阻的作用下輸出高電平，從而實現(xiàn)了檢測黑線的功能。步進電機小車的驅(qū)動電機只有兩個，在前后各有一個從動萬向輪，小車的轉(zhuǎn)向還是很靈活的，故在小車的循跡功能中只設(shè)置了兩個光電傳感器，一左一右分布在車底前部，它們之間的距離要大于黑色軌跡的寬度,利于小車走偏時有足夠的空間調(diào)整自身的位置。如圖3-10所示。由光電傳感器的自身構(gòu)造可知檢測到黑色物體時輸出為高電平，檢測到白色物體時輸出為低電平。設(shè)高電平為1，低電平為0。 圖3-10 光電傳感器位置圖3

35、.4.2避障功能避障功能是步進電機小車在行進的過程中自動躲避障礙并前行的功能，實現(xiàn)避障功能要用到紅外傳感器。紅外反射式傳感器是集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器.具有探測距離遠(最遠可達到80 cm)、受可見光干擾小、體積小、功耗低、應(yīng)用方便等特點.而且它檢測障礙物的距離可以根據(jù)實際要求通過尾部的電位器旋鈕進行調(diào)節(jié)，非常適用于小車避障.在本設(shè)計中選用紅外反射式傳感器，它的使用非常方便，只需將傳感器檢測到的開關(guān)信號直接送入單片機處理即可，無障礙物時傳感器輸出高電平，有障礙物時輸出低電平，并且傳感器尾部指示燈亮起.圖3-11 紅外傳感器位置圖本設(shè)計中為避障功能設(shè)計了三個紅外傳感器，分別放置在車身的正前

36、方、左前方和右前方，水平互成 60o角，如圖3-11所示，這樣就可以把發(fā)射的紅外線排布在小車的前方任何范圍，提高小車反應(yīng)及增強避障的能力。當三個中的一個或多個（障礙物較大）接收部分的傳感器，就能根據(jù)反射回來的紅外線進行自動的調(diào)整，從而使小車的運行軌跡達到自動避障的目的。下圖是傳感器的驅(qū)動及接受電路，其中偵測前方障礙的距離，可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，經(jīng)比較處理后，將對應(yīng)的電壓輸出給紅外發(fā)射管，達到調(diào)節(jié)距離的目的。距離可以根據(jù)場地的實際情況調(diào)節(jié)，障礙比較少的情況可以將距離調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)的大些；障礙比較復(fù)雜時可以將距離調(diào)節(jié)小些，這樣就可以避免在原地打轉(zhuǎn)的情況，經(jīng)行精確避障。3.5上位機電路設(shè)計對于一些

37、需要計算機與單片機通信的場合來說，電腦的串口非常重要，例如很多設(shè)備都必須采用串口和電腦端軟件連接，很多電路模塊可以非常直觀方便地利用串口調(diào)試軟件進行調(diào)試，很多儀器必須通過串口進行通訊和數(shù)據(jù)交換17。但是目前筆記本電腦因為空間的限制和其他方面考慮的原因都沒有串口，甚至一些臺式電腦也取消了串口配置，這就很大程度的限制了串口的應(yīng)用。usb轉(zhuǎn)串口模塊全稱為usb to serial port module，它可以將usb接口虛擬成一個串口，解決無串口的苦惱18。如果要設(shè)計這樣一種電路，通過比較，在滿足下載需求、價格合理的情況下，最為適中的就是pl2303。它可以穩(wěn)定下載，并可以支持多種操作系統(tǒng)。pl2

38、303hx的特點是：1.采用28腳貼片soic封裝2.工作為12mhz 3.完全符合usb規(guī)范2.0，可以直接將usb信號轉(zhuǎn)換成串口信號4.波特率從751228800，有22種波特率可以選擇，并支持5、6、7、8、16共5種數(shù)據(jù)比特位，是一款相當不錯的usb轉(zhuǎn)串口芯片。這是pl2303芯片開發(fā)的usb轉(zhuǎn)串口模塊，引腳電平為ttl，引腳定義如下：p3.0 txd 、p3.1 rxd、gnd 地線 。pl2303需要一個12mhz 的外部晶體為自己提供時鐘, 外部并聯(lián)的兩個匹配起振電容。為了防止高速信號在端口附近產(chǎn)生反射現(xiàn)象, 需要在usb端口引腳 d1 和 d2 上分別接上一個阻值為18左右的終

39、端匹配電阻。d1接一個上拉電阻以幫助實現(xiàn)枚舉功能。此外考慮到防止usb口短路問題，串入 r24，從而保護usb口19。如圖3-12所示。這個模塊的接線如下：1. 地連接，要將pl2303的gnd與單片機的gnd共地；2. pl2303 芯片的 txd 管腳與單片機的p3.0管腳連接 ；3. pl2303 芯片的 rxd 管腳與單片機的p3.1管腳連接 ；4. 電腦端的 usb 電源作為單片機系統(tǒng)的電源。圖3-12 usb轉(zhuǎn)串口電路圖圖3-13 stc 單片機的串口燒寫軟件電路連接準備好之后，打開 stc 單片機的串口燒寫軟件 stc_isp，如圖3-13所示。下載的步驟如下 ：1. 選擇 st

40、c 單片機型號（stc89c52）。2. 選中要燒寫的文件（.hex 文件）。3. 下載串口選擇。4. 點擊下載，此時單片機需要冷啟動。在下載完程序之后，單片機就可以按設(shè)想運行了。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1電機控制流程圖電機旋轉(zhuǎn)受使能控制位en、方向控制位cw控制20，如圖4-1所示。具體程序見附錄。圖4-1 電機控制流程圖4.2 電機方向控制電機旋轉(zhuǎn)方向受方向控制位cw控制。例如cw_left=1可使電機順時針旋轉(zhuǎn)，只要將旋轉(zhuǎn)的子函數(shù)中cw_left=0，電機就變?yōu)槟鏁r針旋轉(zhuǎn)。方向控制主函數(shù)如下：while(1)move_left(10,0,1);方向控制子函數(shù)：void move_left(

41、uint speed_l,uchar cw,uchar en)speed=speed_l; /speed_l速度控制變量 cw方向控制變量 en使能控制變量if(cw=1)cw_left=1;elsecw_left=0;if(en=1)en_left=1;elseen_left=0;4.3電機速度控制在中斷中，n不斷累加，當你增加到預(yù)設(shè)的數(shù)之后clk_left與clk_right就會置為高電平，就會發(fā)出一個脈沖，使兩個電機旋轉(zhuǎn)一步；或clk_left與clk_right置為低電平，這時電機不轉(zhuǎn)。之后n被置為0，重新開始累加，進入下一輪循環(huán)。n或speed的數(shù)值越大clk_left與clk_ri

42、ght改變的時間間隔就會越大，電機的步與步的間隔就大，電機的旋轉(zhuǎn)速度就會變慢，反之亦然21。void timer1_serve() interrupt 3th1=(65536-100)/256;tl1=(65536-100)%256;n=n+1;if(n=speed)clk_left=clk_left;clk_right=clk_right;n=0;4.4循跡動作表由光電傳感器的自身構(gòu)造可知檢測到黑色物體時輸出為高電平,檢測到白色物體時輸出為低電平。設(shè)高電平為1,低電平為0,電機的轉(zhuǎn)向由表4-1可知。具體具體程序見附錄。表4-1 電機轉(zhuǎn)向表傳感器左右傳感器所處位置循跡動作傳感器輸出電平11黑黑

43、前進10黑白左轉(zhuǎn)01白黑右轉(zhuǎn)00白白前進4.5避障流程圖為了實現(xiàn)避障功能，小車上裝了三個紅外傳感器，則有三種感應(yīng)情況，如圖4-2所示。具體具體程序見附錄。小車在遇到障礙時設(shè)置了轉(zhuǎn)彎的避障方式。既然是轉(zhuǎn)彎，則轉(zhuǎn)彎的過程要消耗一定時間，因此在程序中加入了delay()這個延時子程序，延時越長，轉(zhuǎn)彎角度越大。delay(800)是轉(zhuǎn)180，delay(400)是轉(zhuǎn)90，在連續(xù)轉(zhuǎn)彎后就可以達到要求了。圖4-2 避障流程圖第5章總結(jié)與展望5.1總結(jié)本設(shè)計主要實現(xiàn)了stc89c52單片機控制步進電機運行，由電機的基本正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，到小車的前進、后退、轉(zhuǎn)彎，再到最后根據(jù)傳感器的反饋控制步進電機小車進行循跡與避

44、障，并為實現(xiàn)這些功能設(shè)計了穩(wěn)壓電路與上位機電路，最終實現(xiàn)了任務(wù)。這次畢業(yè)設(shè)計，從最初的查閱圖書資料,到最后的運行,這中間有很多值得思考的地方。讓我對單片機與步進電機有了更深的認識，并將其緊密結(jié)合在一起，鍛煉了自己獨立處理問題的能力，學(xué)習(xí)要一絲不茍，要以積極的態(tài)度對待問題，不能有僥幸心理，一但遇到問題，必須嚴謹對待，所以我學(xué)到了課本上沒有的知識。對機電這個專業(yè)有了更深一步的理解,但這只是很小一方面罷了,今后要繼續(xù)學(xué)習(xí)。5.2展望克服了很多困難之后，雖然勉強完成了畢業(yè)設(shè)計，但其中還是存在許多不足，例如：沒有考慮到小車在行進過程中，由于打滑對行進的影響；沒有精確測量電機的轉(zhuǎn)速與小車在行進過程中的速度

45、，同時反饋給單片機經(jīng)行調(diào)節(jié)；避障距離不夠精確，只能由肉眼設(shè)定，如果用其他更先進的傳感器或者避障理論，是否可以經(jīng)行精確避障；使用的元器件是否可以更精確等等，這都是值得注意的地方。在今后的學(xué)習(xí)中，我會吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，應(yīng)用于各個地方。參考文獻1劉寶廷.步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)m.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，19972陳理壁.步進電機及其應(yīng)用m.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2010.23宏晶科技stc89c51芯片技術(shù)資料.http：/www.mu-4郭文川.單片機原理與接口技術(shù)m.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.85李蒙.毛建東.單片機原理及應(yīng)用m.中國輕工業(yè)出版社，2010.26張友德，

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49、p13;/右電機使能控制位sbit cw_right= p14;/右電機方向控制位sbit clk_right= p15;/右電機脈沖控制位/函數(shù)聲明/void timer1_init(); /定時器1初始化函數(shù)void move_left(uint speed_l,uchar cw,uchar en);/左電機運動函數(shù)void move_right(uint speed_r,uchar cw,uchar en);/右電機運動函數(shù)void delay(unsigned int k);/延時函數(shù)/變量定義/uint n;/進定時器1中斷次數(shù)計數(shù)uint speed;/電機速度控制變量/*函數(shù)體*

50、/void delay(unsigned int k)unsigned int i,j;for(i=0;ik;i+)for(j=0;j121;j+);/*/void timer1_init()tmod=0x10;et1=1;ea=1;th1=(65536-100)/256;tl1=(65536-100)%256;tr1=1;/定時器啟動后 運動控制脈沖將一直產(chǎn)生 小車的運動方式受 cw 和en控制void move_left(uint speed_l,uchar cw,uchar en) /speed_l速度控制變量 cw方向控制變量 en使能控制變量speed=speed_l;if(cw=1

51、)cw_left=1;elsecw_left=0;if(en=1)en_left=1;elseen_left=0;void move_right(uint speed_r,uchar cw,uchar en)/speed_r速度控制變量 cw方向控制變量 en使能控制變量speed=speed_r; /speed數(shù)值與速度成反比 請結(jié)合實際情況進行調(diào)節(jié)，if(cw=1) /但速度不能無限加快因為步進電機有速度上限 /而且速度加快是力矩會下降，容易導(dǎo)致丟步現(xiàn)象cw_right=1; /所以實際應(yīng)用當中應(yīng)調(diào)節(jié)到速度可力矩比較合適的數(shù)值 /應(yīng)考慮到電池電壓，輪胎直徑等因素elsecw_right=0; /cw 控制電機正反轉(zhuǎn)，1與0各代表一個方向if(en=1) /en 為使能位 1：能 0：不能en_right=1;elseen_right=0;void main (void) delay(10); t