步進(jìn)電機驅(qū)動的小車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計

1、步進(jìn)電機驅(qū)動的小車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要：我們本次設(shè)計采用atmel公司的at89s51單片機為控制核心，在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對外圍傳感器信號和控制按鍵的檢測，控制步進(jìn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和停止，使智能小車可以循著黑線自動循跡，碰到障礙物可以合理的避障，探測到金屬可以發(fā)出報警信號，從而使智能小車實現(xiàn)合理行進(jìn)。關(guān)鍵詞：at89s51單片機；智能小車；步進(jìn)電機；自動循跡；避障；探測金屬the design of stepper motor to drive the car electrical control system abstract: in this design we use th

2、e atmel companys at89s51 as control core. on the basis of smallest system, it controls buttons detection to control of the stepper motors turning, inversion, acceleration and stop make intelligent car to follow the black line by automatic tracing. through peripheral sensor signal when it can follow

3、reasonable obstacle-avoidingand and detecte metal can alarm-immediately, so the intelligent car can realize reasonable progression. key word: at89s51; intelligent car; stepping motor; automatic follow tracing; obstacle avoidance;detect metal1 前言隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注,新一代智能汽車的研發(fā)在國內(nèi)外受到越來越多的重視?？刂?/p>

4、電機已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、無人駕駛裝備中不可缺少的重要組件。它的應(yīng)用范圍非常廣泛，例如火炮和雷達(dá)的自動定位，艦船方向舵的自動操縱，飛機的自動駕駛，遙遠(yuǎn)目標(biāo)位置的顯示，機床加工過程的自動控制和自動顯示，閥門的遙控，以及機器人、電子計算機、自動記錄儀表、醫(yī)療設(shè)備、錄音錄像設(shè)備等中的自動控制系統(tǒng)。本次設(shè)計的智能小車可以自動尋跡、自動避障，金屬探測等功能。同時，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)、新材料以及控制理論和電機本體技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，用戶對電機控制的速度、精度和實時性提出了更高的要求，因此作為微特電機重要分支的控制電機也得到了空前的發(fā)展。控制電機已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、現(xiàn)代科

5、學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少的重要組件。它的應(yīng)用范圍非常廣泛，例如火炮和雷達(dá)的自動定位，艦船方向舵的自動操縱，飛機的自動駕駛，遙遠(yuǎn)目標(biāo)位置的顯示，機床加工過程的自動控制和自動顯示，閥門的遙控，以及機器人、電子計算機、自動記錄儀表、醫(yī)療設(shè)備、錄音錄象設(shè)備等中的自動控制系統(tǒng)。本次設(shè)計的智能小車可以顯示計時和行程，具有自動尋跡、自動避障，金屬探測等功能1。根據(jù)設(shè)計要求，確定如下方案：在現(xiàn)有的（帶有兩個步進(jìn)電機和一個萬向輪）小車的基礎(chǔ)上，加裝光電尋跡、紅外線避障及金屬探測器，實現(xiàn)對小車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測到的數(shù)據(jù)傳送至at89s51單片機進(jìn)行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)

6、實現(xiàn)對小車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對小車的運動狀態(tài)進(jìn)行實時控制。目前，國內(nèi)比較先進(jìn)的智能車通過觀測前方的路況，將路面的信息輸入到車內(nèi)的電腦中，通過計算機控制方向盤的運動，實現(xiàn)自動避障。智能車輛的速度，關(guān)鍵在于它的控制技術(shù)，這就涉及到它的避障算法。16一個好的控制算法如同一個有經(jīng)驗的司機，控制汽車運行。自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，智能小車的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來智能小車水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然地過程中，制造能替代人勞動的機器一直是人類的夢想2。智能小車要實現(xiàn)自動避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相當(dāng)于

7、給機器人一個視覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實現(xiàn)前方障礙物檢測，并判斷障礙物遠(yuǎn)近3。步進(jìn)電動機是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于步進(jìn)電動機的工作原理和其它電動機有很大的差別，具有其它電動機所沒有的特性。因此，她仍然能根據(jù)市場的需求，沿著小型、高效、低價的方向發(fā)展。步進(jìn)電動機的原理是基于最基本的電磁鐵作用、其原始模型起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試、應(yīng)用于氮弧燈的電極輸送機構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電動機。此后，在電話自動交換機中廣泛使用了步進(jìn)電動機。不久

8、又在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中廣泛使用。20世紀(jì)60年代后期，在步進(jìn)電動機本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進(jìn)電動機應(yīng)運而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進(jìn)了步進(jìn)電動機在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30年間。步進(jìn)電動機迅速地發(fā)展并成熟起來4。從發(fā)展趨向來講、步進(jìn)電動機已經(jīng)能與直流電動機、異步電動機，以及同步電動機并列，從而成為電動機的一種基本類型。我國步進(jìn)電動機的研發(fā)及制造起始于本世紀(jì)50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機為主。70年代初期，步進(jìn)電動機的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動器設(shè)

9、計方面的長足進(jìn)步外，對反應(yīng)式步進(jìn)電動機本體的設(shè)計研究發(fā)展到一個較高水平。70年代中期至80年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動機不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對步進(jìn)電動機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電動機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用5。美國俄亥俄州立大學(xué)智能交通研究所所研發(fā)的三輛智能原型車輛，配備不同的傳感器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和錯誤檢測技術(shù)：基于視覺的系統(tǒng)；雷達(dá)系統(tǒng)；激光掃描測距器；其他傳感器，如側(cè)向雷達(dá)、轉(zhuǎn)向陀螺儀。利用基于視覺的方法實現(xiàn)道路檢測。斯特拉斯堡試驗中心、英國國防部門的研究、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國麻省理工大學(xué)、韓國理工大學(xué)對智能車輛也有較多的研究。6根據(jù)

10、設(shè)計要求，確定如下方案：在現(xiàn)有的（帶有兩個步進(jìn)電機和一個萬向輪）小車的基礎(chǔ)上，加裝光電尋跡、紅外線避障及金屬探測器，實現(xiàn)對小車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測到的數(shù)據(jù)傳送至at89s51單片機進(jìn)行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對小車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對小車的運動狀態(tài)進(jìn)行實時控制。本次設(shè)計采用atmel公司中的at89s51單片機。以at89s51單片機為控制核心，利用紅外線檢測道路上的障礙，控制智能小車的自動避障，以反射式光電傳感器檢測小車要行走的路線，控制小車的自動尋跡，利用金屬探測器實現(xiàn)對小車的停止進(jìn)行控制。2 系統(tǒng)設(shè)計2.1 設(shè)計要求設(shè)計一個步進(jìn)電機驅(qū)動的智能

11、小車。采用at89s51單片機為控制核心，在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對外圍傳感器信號和控制按鍵的檢測，控制步進(jìn)電機的啟動、加速和停止，使智能小車可以循著黑線行走，碰到障礙物可以合理避障，探測到金屬可以發(fā)出報警信號，從而使智能小車實現(xiàn)合理的行走。（1） 智能小車可實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制；（2） 智能小車行走速度、位置可控制；（3） 智能小車可實現(xiàn)光電循跡、紅外線避障、金屬探測傳感器的功能；（4） lcd液晶顯示計時和行程。2.2 總體設(shè)計方案2.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 要求設(shè)計并制作一個以單片機為控制核心的智能小車。采用步進(jìn)作動力，小車具有地面黑白線自動尋跡、自動避障、金屬探測等功能，操作者可以通過按

12、鈕啟動小車能按照預(yù)定的要求自動運行。本系統(tǒng)采用at89s51單片機為為核心控制芯片，包括自動尋跡電路、金屬探測電路、紅外檢測電路、電機驅(qū)動電路?？稍谛≤囓嚿硌b上led顯示小車的運行狀況并通過匯編完成智能小車的監(jiān)控裝置?？傮w設(shè)計框圖，11如圖1所示。液晶顯示單片機最小系統(tǒng)光電檢測紅外檢測金屬探測步進(jìn)電機驅(qū)動電路步進(jìn)電機按鍵電源電路圖1 步進(jìn)電機驅(qū)動智能小車總體結(jié)構(gòu)框圖fig1 stepper motor driven vehicle intelligent overall structure diagram2.2.2 基本模塊設(shè)計方案（1）車體設(shè)計方案1：制定左右兩輪分別驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案

13、。即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的步進(jìn)電機進(jìn)行驅(qū)動，車體尾部裝一個萬向輪。這樣，當(dāng)兩個步進(jìn)電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的360度的轉(zhuǎn)彎。在安裝時我們保證兩個驅(qū)動電機同軸。當(dāng)小車前進(jìn)時，左右兩驅(qū)動輪與后萬向輪形成了三點結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進(jìn)時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)后輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用。對于車架材料的選擇，我們經(jīng)過比較選擇了有機玻璃。用有機玻璃做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。方案2：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及

14、其驅(qū)動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后驅(qū)輪動，不能適應(yīng)該題目，不能方便迅速的實現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)載性能差，不易調(diào)整。而且這種電動車一般價格不菲。因此我們放棄了此方案。綜上考慮，我們選擇了方案1。 (2)電機的選擇方案1：永磁式步進(jìn)電機，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角為7.5度。方案2：反應(yīng)式步進(jìn)電機，一般為三相，可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和震動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被

15、淘汰。綜上考慮我們選擇了方案1步進(jìn)電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。(3)電機驅(qū)動模塊由于電動車采用了后面使用萬向輪，兩個后輪各一個電機驅(qū)動的驅(qū)動方式，所以可使電動車旋轉(zhuǎn)360度，這樣即使前后方都碰到障礙物的時候，電動車也可以通過在原地不斷旋轉(zhuǎn)的方式找到避免撞擊障礙物的線路。利用lm298及其外部輔助電路和電機構(gòu)成驅(qū)動電路。單片機控制口接兩個lm298的八個輸入控制端。兩個lm298的八個輸出端接步進(jìn)電機。3 硬件電路設(shè)計3.1 電源電路模塊由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。方案1：采用5節(jié)1.5v干電池供電

16、，電壓達(dá)到7.5v，經(jīng)7805穩(wěn)壓后給支流電機供電，然后將7.2v電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。方案2：采用8v蓄電池為電機供電，將8v電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，因此我們放棄了此方案。方案3：:選用一個簡單的電源電路，為電源模塊提供了+7.2v、+5v，也可為其他電路系統(tǒng)供電，達(dá)到有效的利用。220v的交流電壓通過整流橋，經(jīng)過濾波，再通過lm2940c集成穩(wěn)壓管得到穩(wěn)

17、定的+7.2v的直流穩(wěn)壓電源，通過lm2940c集成穩(wěn)壓管得到穩(wěn)定的+5v的直流穩(wěn)壓電源。因此綜上考慮，我們選擇了方案3。電路原理圖如圖2所示：圖2 電源電路fig2 power supply circuit3.2 光電尋跡模塊圖3所示電路中，智能小車共采用3路光電檢測電路，檢測信號分別由p1.0、p1.1、p1.2輸入。r6起限流電阻的作用，當(dāng)有光反射回來時，光電對管中的三極管導(dǎo)通，r7的上端變?yōu)楦唠娖?，此時vt1飽和導(dǎo)通，三極管集電極輸出低電平。當(dāng)沒有光反射回來時，光電對管中的三極管不導(dǎo)通，vt1截至，其集電極輸出高電平。而且經(jīng)試驗驗證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我選擇此電路作為我的

18、傳感器檢測與調(diào)理電路。此光電對管電路簡單，工作性能穩(wěn)定。圖3 光電循跡電路檢測fig3 photoelectric tracking circuit detection3.3 金屬探測傳感器設(shè)計金屬探測器我選用接近開關(guān)，接近開關(guān)屬于非接觸型檢測裝置。當(dāng)金屬檢測體接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)域時，開關(guān)就能無接觸物壓力無火花發(fā)出信號，簡單易行，準(zhǔn)確且抗干擾性能優(yōu)越。金屬探測電路原理圖如圖4所示。在車前中部安裝一個金屬探測傳感器，可選用電渦流傳感器ljk-d4n，將其檢測面對準(zhǔn)運行路面，當(dāng)小車通過金屬塊時，輸出一個高電平信號，然后送至單片機p3.0，查詢判斷后控制電動機產(chǎn)生相應(yīng)動作，使小車車速減慢并可進(jìn)行聲光提

19、示。本模塊操作簡單，準(zhǔn)確且抗干擾性能越優(yōu)。圖4 金屬探測電路fig4 metal detecting circuit3.4 紅外避障模塊圖5所示電路采用紅外線壁障，利用一管發(fā)射一管接收，接受管對外界紅外線的接收有無來判斷障礙物，這種方式干擾小，而且易于實現(xiàn)。由于紅外線受到外界可見光的影響較大，因此用38khz調(diào)制信號，紅外發(fā)射二極管發(fā)射紅外線，在沒有遇到障礙物時會輸出一個高電平信號，送至單片機中p3.6，如果遇到障礙物后，光線反射回來，接收的光電二極管就會導(dǎo)通，這時候就會輸出一個低電平，送至單片機p3.6。 圖5 紅外避障檢測電路fig5 infrared obstacle avoidance

20、 detection circuit3.5 單片機at89s51核心模塊3.5.1 主要性能91、4k bytes flash片內(nèi)程序存儲器； 2、128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器ram3、32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口； 4、5個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷；5、6個中斷源； 6、2個16位可編程定時器/計數(shù)器；7、2個全雙工串行通信口； 8、看門狗電路；9、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；10、與mcs-51兼容； 11、全靜態(tài)工作：0hz-33mhz； 12、三級程序存儲器保密鎖定； 13、可編程串行通道； 14、低功耗的閑置和掉電模式。 3.5.2 功能特性at89s51是一個低功耗

21、，高性能cmos8位單片機，片內(nèi)含4k bytes isp的反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲器單元，at89s51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。3.5.3 引腳的分析介紹9vcc：電源電壓輸入端。gnd:電源地。p0口：p0口為一個8位開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在flash編程時，p

22、0口作為原碼輸入口，當(dāng)flash進(jìn)行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。表1 p1口第二功能table1 p1 second function p1口引腳 第二功能p1.0 t2（定時/計數(shù)器t2的外部計數(shù)輸入/時鐘輸出）p1.1 t2ex（定時器/計數(shù)器t2的捕獲觸發(fā)和雙向控制） p1.5 mosi（主機輸出線，用于isp在系統(tǒng)

23、編程）p1.6 miso（主機輸入線，用于isp在系統(tǒng)編程）p1.7 sck（串行時鐘線，用于isp在系統(tǒng)編程）p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，p2口輸出地址的高八位。再給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗是接收高八位地址信號和控制信

24、號。 p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（tll）這是由于上拉的緣故。p3口除了作為普通i/o口，還有第二功能：p3.0 rxd(串行輸入口)p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0(外部中斷0)p3.3 /int1（外部中斷1）p3.4 t0(t0定時器的外部計數(shù)輸入)p3.5 t1（t1定時器的外部計數(shù)輸入）p3.6 /wr (外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通)p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通）p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一

25、些控制信號。表2 p3口第二功能table2 p3 second functionp3口引腳 第二功能p3.0 rxd（串行口接收）p3.1 txd(串行口發(fā)送)p3.2 int0(外部中斷0輸入)p3.3 int1（外部中斷1輸入）p3.4 t0（定時/計數(shù)器0輸入）p3.5 t1(定時/計數(shù)器0輸入端)p3.6 wr(片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通)p3.7 rd（片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通）i/o口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總

26、線。89c51的p0、p1、p2、p3口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口。除了p1口外p0、p2、p3口都還有其他的功能。 rst：復(fù)位輸入端，高電平有效。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：地址鎖存允許/編程脈沖信號端。當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在flash編程期間，次引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6.因此它可用作外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可以再sfr8eh地址上置0.此

27、時，ale只是在執(zhí)行movx,movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。psen：外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。在由外部程序存儲器取值期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。ea/vpp：外部程序存儲器訪問允許。當(dāng)/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea斷保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xt

28、al1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。單片機端口分配如下：p0.0-p0.7端口分配給液晶顯示器的數(shù)據(jù)端；p1.1、p1.4、p1.5為液晶顯示器的信號控制端；p1.4-p1.6為三路光電檢測信號端；p2.0-p2.3為四個按鍵控制端；p2.0-p2.7為兩個步進(jìn)電動機的驅(qū)動信號分配控制端；p3.0為啟動按鈕/金屬探測器的檢測信號端（復(fù)用）；啟動后p3.0用于接收金屬探測信號；p3.6、p3.7為兩路紅外避障的檢測信號端。；p2.6-p2.7端口分配給步進(jìn)電機驅(qū)動電路板中的兩塊驅(qū)動芯片l298n的使能端。其中，實驗時可用p1.0-p1.3外

29、接4個控制按鈕分別控制步進(jìn)電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、停止：0#鍵：由單片機p1.0檢測，作為步進(jìn)電動機正轉(zhuǎn)的啟動鍵，按一次后指定的速度正轉(zhuǎn)。1#鍵：由單片機p1.1檢測，作為步進(jìn)電動機反轉(zhuǎn)的啟動鍵，按一次后指定的速度反轉(zhuǎn)。2#鍵：由單片機p1.2檢測，作為步進(jìn)電動機的加速鍵，按一次使電動機轉(zhuǎn)速提高一倍。3#鍵：由單片機p1.3檢測，作為步進(jìn)電動機的停止鍵，按一次后，步進(jìn)電動機停止轉(zhuǎn)動。3.5.4 時鐘及復(fù)位電路時鐘電路的設(shè)計：在引腳xtal1和xtal2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩

30、時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖7所示：圖中，電容器c1、c2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在5-30pf，我選用30pf。晶振頻率的典型值為12mhz（我所選用），采用6mhz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。也有外部振蕩方式，我選用內(nèi)部振蕩方式設(shè)計。復(fù)位電路的設(shè)計：當(dāng)mcs-51系列單片機的復(fù)位引腳rst（全稱reset）出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果rst持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。如圖8所示：電源接通后，單片機自動復(fù)位，并

31、且單片機運行期間，用開關(guān)s1操作也能使單片機復(fù)位?？偨Y(jié)時鐘及復(fù)位電路如圖9所示：3.6 按鍵控制這次設(shè)計中，我采用了四個獨立式按鍵對小車進(jìn)行四種不同模式的控制。按鍵電路如圖10所示，按鍵檢測信號由單片機的p2.0-p2.3端口采集，輸出低電平時說明有鍵按下。圖6 單片機最小系統(tǒng)電路fig6 mcu minimum system circuit圖7 時鐘電路fig7 clock circuit圖8 復(fù)位電路fig8 reset circuit圖9 時鐘及復(fù)位電路fig9 clock and reset circuit圖10 按鍵電路圖fig10 key circuit diagrams2鍵：由單

32、片機p2.0檢測，作為步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)的啟動鍵。s3鍵：由單片機p2.1檢測，作為步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)的啟動鍵。s4鍵：由單片機p2.2檢測，作為步進(jìn)電機的加速鍵。s5鍵：由單片機p2.3檢測，作為步進(jìn)電機的停止鍵。3.7 lcd液晶顯示器3 .7. 1 性能介紹10液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件。這里向大家介紹一款lcd1602液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行16個字符，采用+5v電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。lcd1602外觀如圖11

33、所示圖11 lcd1602外觀圖fig11 the appearance of the lcd1602 diagram其引腳介紹如表3：表3 lcd1602引腳介紹table3 the lcd1602 pin is introduced引腳號 符號 狀態(tài) 功能1 vss 電源地2 vdd 電源+53 rs 輸入 寄存器選擇4 r/w 輸入 讀寫操作5 db0 輸入 數(shù)據(jù)總線6 db1 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線7 db2 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線8 db4 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線引腳號 符號 狀態(tài) 功能9 db5 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線10 db6 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線11 db7 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線12 db3 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線13 blk

34、 輸入 背光地14 bla 輸入 背光+515 e 輸入 使能信號16 v0 對比度控制端3.7.2 lcd主要管腳介紹13v0：液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生鬼影，使用時可以通過一個10k的電位器調(diào)整對比。rs:寄存器選擇高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器；低電平時選擇指令寄存器。r/w：讀寫信號線，高電平平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)rs和r/w共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址：當(dāng)rs為高電平r/w為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。e：使能斷，當(dāng)e端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。3.7.3 lcd1602指令控制介紹lcd1602

35、有11個控制指令，如表4所示：表4 lcd1602控制指令table4 lcd1602 control instruction 指令 功能 清屏 清ddram和ac值 歸位 ac=0，光標(biāo)、畫面回home位 載入方式設(shè)置 設(shè)置光標(biāo)、畫面移動方式 顯示開關(guān)控制 設(shè)置顯示、光標(biāo)及閃爍開、關(guān) 光標(biāo)、畫面位移 光標(biāo)、畫面移動，不影響ddram 功能設(shè)置 工作方式設(shè)置（初始化指令）指令 功能cgram地址設(shè)置 設(shè)置cgram地址。a5-a0=0-3fhddram地址設(shè)置 ddram地址設(shè)置讀bf及ac值 讀忙標(biāo)志bf值和地址計數(shù)器ac值寫數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)寫入ddram或cgram內(nèi)讀數(shù)據(jù) 從ddrram或cg

36、ram數(shù)據(jù)讀出表5 清屏功能table5 clear screen functionrs r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1表6 顯示開關(guān)程序table6 demonstrate switch procedurers r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 0 0 0 0 0 0 1 d c b功能：設(shè)置顯示、光標(biāo)及閃爍開、關(guān)。其中：d表示顯示開關(guān)：d=1為開，d=0為關(guān)；c表示光標(biāo)開關(guān)：c=1為開，c=0為關(guān)；b表示閃爍開關(guān)：b=1為開，b=0為關(guān)。表7 光標(biāo)、畫面位移table7 c

37、ursor,image displacementrs r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 0 0 0 0 0 1 s/c r/l * *功能：光標(biāo)、畫面移動，不影響ddram其中：s/c=1：畫面平移一個字符位；sic=0：光標(biāo)平移一個字符位；r/l=1：右移；r/l=0：左移。表8 功能設(shè)置table8 function settingrs r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 0 0 0 0 1 dl n f * 功能介紹：工作方式設(shè)置（初始化指令）。其中：dl=1,8位數(shù)據(jù)接口；dl=0，四位數(shù)據(jù)接口n=1，兩行顯示；

38、n=0，一行顯示；f=1,510點陣字符；f=0，57點陣字符。3.8 步進(jìn)電機驅(qū)動設(shè)計電路采用專用芯片l298n作為電機驅(qū)動芯片。l298n 為sgs-thomson microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機專用驅(qū)動芯片( dual full-bridge driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機，內(nèi)含二個h-bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46v、2a以下的步進(jìn)電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的io端口來提供模擬時序信

39、號。l298n 之接腳如圖12 所示l298n驅(qū)動芯片的輸入腳接到單片機的引腳來對步進(jìn)電機進(jìn)行開始、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。圖12 l298引腳圖fig12 the l298 pin diagram圖13 步進(jìn)電機驅(qū)動電路fig13 stepper motor drive circuit4 系統(tǒng)軟件設(shè)計硬件設(shè)計完成后，一般可以分模塊對硬件進(jìn)行簡單的測試，排除硬件上可能存在的故障或錯誤。在軟件設(shè)計時，也可以先分模塊進(jìn)行單獨調(diào)試。本系統(tǒng)控制程序主要包括主程序、鍵盤檢測及步進(jìn)電動機方向和速度控制程序、傳感器（光電檢測、金屬探測、紅外避障）檢測及控制程序。4.1 主程序流程圖本設(shè)計的主程序流程圖如圖1

40、4所示，當(dāng)接通電源時，必須按下啟動按鍵小車才能運動，在行駛過程中，結(jié)合查詢方式查詢小車是否偏離黑線，并根據(jù)偏離方向執(zhí)行相應(yīng)的控制程序；若p3.0為低電平，則探測到金屬，執(zhí)行對應(yīng)的報警程序；當(dāng)檢測到障礙物時，會產(chǎn)生中斷，執(zhí)行對應(yīng)的避障程序。4.2 步進(jìn)電機方向及速度控制程序流程圖圖15所示流程圖中，表示如果給步進(jìn)電動機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再給一個脈沖，它就會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電動機就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電動機進(jìn)行調(diào)速。在這個程序中主要實現(xiàn)對一個步進(jìn)電動機脈沖的分配、根據(jù)鍵盤選擇正反轉(zhuǎn)方向控制、速度控制等，并且兩個步進(jìn)電機的方向及速度控制可根據(jù)以

41、下程序清單自行修改實現(xiàn)。同時它主要完成兩項工作：一是黑白線信號檢測采集，二是根據(jù)檢測信號控制小車的向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn)，使小車始終沿著黑線行進(jìn)。4.3 金屬探測及控制設(shè)計流程圖圖16所示流程圖，當(dāng)金屬探測器通上+7.2v的電源時，碰到金屬，則金屬探測器的指示燈會發(fā)亮報警了，同時輸送一個低電平給單片機模塊。4.4 紅外避障及控制設(shè)計流程圖紅外避障檢測機控制子程序流程圖如圖17所示?？梢栽谛≤囓囶^的左右各裝一個紅外檢測避障電路，單片機的p3.6和p3.7在收到的紅外檢測電路輸出信號后，利用單片機控制電動機在有遇到障礙物時使小車轉(zhuǎn)彎。nnnnyyy開始路程程序避障子程序報警子程序轉(zhuǎn)向控制子程序啟動按鍵按下

42、?是否遇到黑線?是否遇到金屬?是否遇到障礙?小車運動y圖14 系統(tǒng)軟件主流程圖fig14 the main process diagram of system softwareynnnynyyynn開始有按鍵按下?真的有按鍵按下?正轉(zhuǎn)?反轉(zhuǎn)?停止?電機正轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)電機停轉(zhuǎn)加速?加速轉(zhuǎn)動原速轉(zhuǎn)動y延時去抖動圖15 步進(jìn)電機方向及速度控制流程圖fig15 stepper motor direction and speed control flow chartyn金屬探測子程序讀取p2.5狀態(tài)有金屬?報警圖16 金屬探測控制流程圖fig16 metal detection control flow

43、chartynyn紅外避障子程序讀取紅外傳感器值左邊檢測到障礙物?右轉(zhuǎn),避障右邊檢測到障礙物?左轉(zhuǎn),避障圖17 紅外避障檢測及控制程序流程圖fig17 infrared obstacle avoidance detection and control program flow chart5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 硬件調(diào)試5.1.1 單元模塊的測試（1）電源電路測試：設(shè)計并搭好電源電路，并用萬用表進(jìn)行檢測電路連接情況，在確定電路沒問題后，同電源端通上7.2v的電源，按下開關(guān)，觀察發(fā)光二極管是否發(fā)生變化。 （2）光電尋跡模塊測試：在以連接好的光電尋跡電路中，通電后，在反射式光電傳感器上面放一張白紙，用電

44、壓表測量lm393的輸出端1號引腳是不是為高電平；在放一張貼有黑膠布的紙張或者是黑色的物品放在反射式光電傳感器的感應(yīng)部分，看電壓表的的電壓是否為低電平；來回移動帶有黑膠布的紙張或黑色物品，看電壓表的電壓值是否高低電平的變化。（3）紅外避障電路測試：首先在搭接好的電路中用萬用表測量可調(diào)電阻的阻值將其調(diào)到10k歐姆；再用萬用表在輸出端測量未碰到障礙物時電壓值是否為高電平，當(dāng)碰到障礙物時，觀察電壓值是否為變?yōu)榈碗娖?。?）金屬探測電路測試：首先采用ljk-d4n金屬探測傳感器，給它導(dǎo)入7.2v的電源，并在接電源端和輸出端之間接個4.7k歐姆電阻；再用萬用表測量尚未碰到金屬時輸出端是否為高電平；當(dāng)碰到

45、金屬時，指示燈是否亮，這時候再用萬用表測量此時的輸出端是否為低電平。5.2 軟件調(diào)試當(dāng)保證硬件電路正常工作的前提下，對軟件開始進(jìn)行調(diào)試。通過medwin3軟件將主流程框圖的步驟一步一步的將各個部分程序?qū)懞?，通過仿真軟件proteus在線下載調(diào)試，觀察仿真情況是否和預(yù)計的要求一致。慢慢的完善了整個系統(tǒng)程序，在確定無誤時，用編程將正確的程序?qū)懭隺t89s51中，然后將芯片放入電路中使用，完成了軟件的調(diào)試。6 結(jié)論測試表明，小車能夠較好的完成實驗的基本要求和發(fā)揮部分。液晶顯示屏幕能夠比較準(zhǔn)確的顯示小車的運行時間，尋跡誤差較小、避障功能良好、傳感器檢測較靈敏。7 結(jié)束語我們的步進(jìn)電動機驅(qū)動的智能小車在

46、完成要求的前提下，充分考慮到了外觀、成本等問題，在性能和價格之間作了比較好的平衡，兼顧了美觀、廉價、穩(wěn)固、可靠等各方面的因素，具有較高的穩(wěn)定和推廣意義。參考文獻(xiàn)1 譚浩強 .c程序設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，19992 李正軍 .計算機控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2005 3 歐青立.何克忠.室外智慧移動機器人的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)研究.機器人，2000,2(6)：519-526 4 何希才.傳感器及其應(yīng)用電路m.北京：電子工業(yè)出版社，2001 5 王曉明.電動機的單片機控制.北京：航空航天大學(xué)出版社，2003 6 ramon pallas-areny，john g.webster(美). 傳

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49、京：機械工業(yè)出版社，2010附錄附錄1：避障程序附錄2：尋跡程序附錄3：lcd1602液晶顯示程序25噸水平定向鉆機推進(jìn)機構(gòu)設(shè)計250t單梁橋式起重機小車運行機構(gòu)設(shè)計450t門式起重機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計js750混凝土攪拌機結(jié)構(gòu)設(shè)計plc控制的翻轉(zhuǎn)機械手的設(shè)計plc控制的移置機械手的設(shè)計s11-m-10010-0.4型變壓器的設(shè)計及制造工藝syyz792銅連鑄連軋機（軋機部分）液壓系統(tǒng)設(shè)計x5040升降臺銑床數(shù)控改造（橫向）zl50輪式裝載機工作裝置及其液壓系統(tǒng)設(shè)計安裝支架的沖壓工藝及模具設(shè)計背負(fù)式小型機動除草機設(shè)計步進(jìn)電機驅(qū)動的小車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計側(cè)邊傳動式深松旋耕機的設(shè)計茶籽含油量高光譜檢測技術(shù)

50、研究柴油機活塞的加工工藝及夾具設(shè)計車床撥叉加工工藝及夾具設(shè)計車載機頂盒硬盤固定架優(yōu)化和散熱分析搭扣沖壓模具設(shè)計帶機架的立式擺線針輪減速機的設(shè)計帶式輸送機自動張緊裝置單相電子式預(yù)付費電度表的設(shè)計低壓電動機軟啟動器的設(shè)計電極片多工位級進(jìn)模設(shè)計蝶形螺母注塑模設(shè)計多 功 能 鉆 機 的 鉆 架 設(shè) 計仿形刨床液壓系統(tǒng)設(shè)計封箱機設(shè)計蓋帽墊片的沖壓工藝及模具設(shè)計缸體氣缸孔鏜削動力頭設(shè)計缸體曲軸孔與凸輪軸鏜削動力頭的設(shè)計鋼筋調(diào)直機的設(shè)計高溫高速摩擦磨損試驗機設(shè)計刮板式脫殼機設(shè)計軌道式小型液壓升降機機架和小車設(shè)計紅薯丁切制機構(gòu)設(shè)計紅薯條切制機構(gòu)的設(shè)計高壓瓶蓋注塑模具設(shè)計戶用型太陽能水泵的設(shè)計機床手柄注塑模設(shè)計基于jn338的電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計基于plc的包裝生產(chǎn)線計數(shù)分配環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計基于plc的材料分揀模型控制系統(tǒng)設(shè)計基于plc