MSP430及傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)報(bào)告

1、目 錄前言1一設(shè)計(jì)任務(wù)2二設(shè)計(jì)內(nèi)容2三MSP430最小系統(tǒng)制作2 1.1.1 MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖2 1.1.2 MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖2 1.1.3 MSP430最小系統(tǒng)元件清單3 1.1.4 MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB圖4 2.1 LCD12864液晶顯示4 2.1.1 LCD12864液晶顯示簡(jiǎn)介4 2.1.2 液晶引腳圖54 傳感器模塊電路5 1. 光敏二極管5 1.1光敏二極管簡(jiǎn)介5 1.2 光敏二極管檢測(cè)5 2. 紅外避障模塊5 2.1紅外避障模塊簡(jiǎn)介6 2.2模塊接口說明6 3. TCRT5000尋跡模塊7 3.1尋跡模塊簡(jiǎn)介7 3.2應(yīng)用場(chǎng)合8 3.3模

2、塊原理與應(yīng)用8 4. 熱敏傳感器9 4.1熱敏傳感器簡(jiǎn)介9 4.2 5. 聲音傳感器10 5.1 聲音傳感器工作原理10 5.2 聲音檢測(cè)框圖10 6. 步進(jìn)電機(jī)11 6.1步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介116.2步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)126.3步進(jìn)電機(jī)基本參數(shù)13 6.3.1空載啟動(dòng)頻率14 6.3.2電機(jī)的相數(shù)14 6.3.3固有步距角15 6.3.4保持轉(zhuǎn)矩16 6.3.5拍數(shù)16 6.3.6定位轉(zhuǎn)矩16 6.3.7最大靜轉(zhuǎn)矩17 6.4工作原理187. 角度傳感器20 7.1 ADXL345連接方式21 7.2 I2C總線介紹21 7.3 SPI總線介紹22 7.4 I2C與SPI的區(qū)別238. 超聲波傳感器23

3、 8.1 主要參數(shù)24 8.2 實(shí)物圖24 8.3 工作原理25 8.4 超聲波傳感器測(cè)距程序設(shè)計(jì)259. L298模塊及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)26 9.1 L298n電路原理圖26 9.2 電路優(yōu)化部分26 9.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)27五設(shè)計(jì)總結(jié)27 前言MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它

4、們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A0（Timer_A0）、定時(shí)器A1（Timer_A1）、定時(shí)器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A/D 轉(zhuǎn)換器；16 位定時(shí)器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異

5、步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/12位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位D/A轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的DMA模塊。MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律

6、變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。1 設(shè)計(jì)任務(wù)單片機(jī)最小系統(tǒng)自制及各種傳感器模塊的調(diào)試2 設(shè)計(jì)內(nèi)容制作MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)光敏二極管模塊電路及其調(diào)試紅外避障模塊電力路及其調(diào)試TCRT5000尋跡模塊電路及其調(diào)試熱敏傳感器模塊電路及其調(diào)試聲音檢測(cè)模塊電路及其調(diào)試火焰?zhèn)鞲衅髂K及其調(diào)試步進(jìn)電機(jī)模塊及其調(diào)試L298N模塊及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及其調(diào)試三.MSP430最小系統(tǒng)制作1.1.1MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖圖1.1.1 MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖1.1.2MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖圖1.

7、1.2 MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖1.1.3 原件清單 晶振 2個(gè) 電阻10K 7個(gè) 電阻 2K 1個(gè) 電位器 10K 1個(gè) 電容 22pF 4個(gè) 排針 2排 按鍵 6個(gè) 開關(guān) 1個(gè) LCD接口 1排 發(fā)光二極管 1個(gè) MSP430芯片 1個(gè) 1.1.4 MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB圖1.1.4MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB1.2 LCD12864液晶顯示1.2.1、液晶顯示模塊簡(jiǎn)介12864A-1 漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192 個(gè)中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128 個(gè)字符（8X16 點(diǎn)陣）及 64X256 點(diǎn)陣顯示 RAM（GDRAM）。主要技術(shù)參數(shù)和顯示

8、特性:電源：VDD 3.3V+5V(內(nèi)置升壓電路，無(wú)需負(fù)壓)；顯示內(nèi)容：128 列× 64 行顯示顏色：黃綠顯示角度：6：00 鐘直視LCD 類型：STN與 MCU 接口：8 位或 4 位并行/3 位串行配置 LED 背光多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等1.2.2 液晶引腳圖四傳感器模塊電路1.光敏二極管1.1 光敏二極管簡(jiǎn)介光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕虼斯ぷ鲿r(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí)，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí),飽和反向漏電流大

9、大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。常見的有2CU、2DU等系列。1.2 光敏二極管檢測(cè)測(cè)量光敏二極管時(shí)，先用黑紙或黑布遮住光敏二極管的光信號(hào)接收窗口，然后用萬(wàn)用表的R×1k檔其正、反向電阻。正常時(shí)，正向電阻值在1020k之間，反向電阻值為（無(wú)窮大）。再去掉黑紙或黑布，使其光信號(hào)接收窗口對(duì)準(zhǔn)光源，正常時(shí)正、反向電阻值均會(huì)變小，阻值變化越大，說明該光敏二極管的靈敏度越高，光敏二極管工作時(shí)加有反向電壓，沒有光照時(shí)，其反

10、向電阻很大，只有很微弱的反向飽和電流。當(dāng)有光照時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的反向電流（亮電流），光照越強(qiáng)，該亮電流就越大。2.紅外避障模塊2.1 紅外避障模塊簡(jiǎn)介該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離范圍280cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測(cè)距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及

11、黑白線循跡等眾多場(chǎng)合。2.2 模塊接口說明（3線制）、VCC 外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機(jī)和3.3v單片機(jī)相連） 、GND 外接GND、OUT 小板數(shù)字量輸出接口（0和1）3. TCRT5000尋跡模塊3.1循跡模塊簡(jiǎn)介TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000紅外光電傳感器設(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。3.2應(yīng)用場(chǎng)合：電度表脈沖數(shù)據(jù)采樣傳真機(jī)碎紙機(jī)紙張檢測(cè)障礙檢測(cè)黑白線檢測(cè)3.3模塊原理和應(yīng)用 圖 2.3.3 TCRT5000傳感器模塊電路原理圖傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷

12、發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮。4.熱敏傳感器4.1 熱敏傳感器簡(jiǎn)介N結(jié)電阻在不同溫度下有差別的.根據(jù)這個(gè)阻值的變化就可以測(cè)量環(huán)境溫度的變化. N型半導(dǎo)體 在硅或鍺等本征半導(dǎo)體材料中摻入微量的磷、銻、砷等五價(jià)元素，就變成了以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，即N型半導(dǎo)體。 P型半導(dǎo)體 在硅或鍺等本征半導(dǎo)體材料中摻入微量的硼、銦、鎵或鋁等三價(jià)元素，就就成了以空穴導(dǎo)電為主的

13、半導(dǎo)體，即P型半導(dǎo)體。 緊密相連的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間會(huì)形成一個(gè)空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?二極管就是利用PN結(jié)的這個(gè)特性做成的。 PN結(jié)的結(jié)電阻結(jié)電容等參數(shù)都是隨溫度變化的，可以利用這種變化制作溫度傳感器，即熱敏傳感器。4.25. 聲音檢測(cè)模塊5.1聲音傳感器的工作原理傳感器內(nèi)置一個(gè)對(duì)聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉(zhuǎn)化成 0-5V 的電壓，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換被數(shù)據(jù)采集器接受，并傳送給計(jì)算機(jī)。聲音傳感器的作用相當(dāng)于一個(gè)話筒（麥克風(fēng)）。它用來(lái)接收聲波，顯示聲音的振動(dòng)圖象。但不能對(duì)噪聲的強(qiáng)度進(jìn)

14、行測(cè)量。5.2 聲音檢測(cè)框圖6. 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。6.1步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按

15、設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。我們可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)我們也可以通過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步 距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 從原理上講，步進(jìn)電機(jī)是一種低速同步電動(dòng)機(jī)。 6.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 1. 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，

16、沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。 2. 步進(jìn)電機(jī)外表不允許較高的溫度，步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90 度完全正常。 3. 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4. 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 5.

17、 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常的可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 6. 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。 7. 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 8. 步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。 9. 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 10. 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)

18、字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 6.3步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)6.3.1.空載啟動(dòng)頻率即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?.3.2.電機(jī)的相數(shù) 產(chǎn)生不同對(duì)N、S極磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù) ,即電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8&#

19、176;、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。目前應(yīng)用最廣泛的是兩相和四相，四相電機(jī)一般用作兩相，五相的成本較高。6.3.3.固有步距角 對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 =360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 =360度/（5

20、0*8）=0.9度（俗稱半步）。這個(gè)步距角稱為電機(jī)固有步距角，電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值 ,它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，, 真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。現(xiàn)在的步進(jìn)電機(jī)都有細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分?jǐn)?shù)決定步距角,例如兩相的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為5細(xì)分步距角為1.8°/5=0.36° 6.3.4.保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說5N.M的步進(jìn)電機(jī)，

21、在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為5N.m的步進(jìn)電機(jī)。 6.3.5.拍數(shù) 完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 6.3.6.定位轉(zhuǎn)矩電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的），由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有定位轉(zhuǎn)矩。6.3.7.最大靜轉(zhuǎn)矩電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下（通電），電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩，即定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸

22、）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。6.4工作原理 圖2.1 四相步進(jìn)電機(jī)示意圖 如圖2.1所示，步進(jìn)電機(jī)分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分： 定子：由硅鋼片疊成的，定子上有8大磁極，每2個(gè)相對(duì)的磁極（，S）組

23、成一對(duì)，共有4對(duì)。定子齒有四個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。 2.轉(zhuǎn)子：由軟磁材料制成，其外表面也均勻地分布著小齒,與定子上的小齒相同，并且小齒的大小相同，間距相同。如圖2.1所示，開始時(shí)，開關(guān)sb接通電源，sa、sc、sd斷開，b相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和c、d相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和d、a相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān)sc接通電源，sb、sa、sd斷開時(shí)，由于c相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和c相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和a、b相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和a、d相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，a、b、

24、c、d四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著a、b、c、d方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.2.a、b、c所示： a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍圖2.2步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 3.5 對(duì)齒和錯(cuò)齒 圖2.3步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子展開圖 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力來(lái)源于電磁力，只有電機(jī)存在錯(cuò)齒現(xiàn)象才能轉(zhuǎn)動(dòng)。在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被推動(dòng)到最大磁導(dǎo)率的位置，定子

25、小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊的位置，并處于平衡狀態(tài)，如圖2.3 中的A 相位置，這種現(xiàn)象被稱為對(duì)齒。而對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說，當(dāng)某一相得磁極處于最大磁導(dǎo)位置時(shí)，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置，即定子和轉(zhuǎn)子不對(duì)齊位置，這種現(xiàn)象被稱為錯(cuò)齒。7.角度傳感器7.1 ADXL345連接方式圖7.1.1 SPI模式連接 圖7.1.2 I2C模式連接7.2 I2C總線介紹7.2.1 I2C總線特點(diǎn)I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長(zhǎng)度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件

26、。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控 (multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。 7.2.2 I2C總線工作原理I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率 100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這

27、取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制 量?jī)刹糠郑刂反a用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對(duì)比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號(hào)， 它們分別是：開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。開始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信

28、號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。目前有很多半導(dǎo)體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機(jī)有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲(chǔ)器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口。3 總線基本操作I2C規(guī)程運(yùn)用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)?？偩€必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)

29、鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低 電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來(lái)表示起始和停止條件。3.1 控制字節(jié)在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識(shí)別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當(dāng)為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫操作3.2 寫操作寫操作分為字節(jié)寫和頁(yè)面寫兩種操作，對(duì)于頁(yè)面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同。關(guān)于頁(yè)面寫的地址、應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序3.3 讀操作讀操作有三種基本操作：當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的

30、時(shí)序圖。應(yīng)當(dāng)注意的是：最后一個(gè)讀操作的第9個(gè)時(shí)鐘周期不是“不關(guān)心”。為了結(jié)束讀操作，主機(jī)必須在第9個(gè)周期間發(fā)出停止條件或者在第9個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。 7.2.1 位傳輸由于連接到I2C 總線的器件有不同種類的工藝（CMOS、NMOS、PMOS、雙極性），邏輯0（低）和邏輯1（高）的電平不是固定的，它由電源VCC的相關(guān)電平?jīng)Q定，每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖。數(shù)據(jù)有效在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，SDA線必須在時(shí)鐘的高電平周期保持穩(wěn)定，SDA的高或低電平狀態(tài)只有在SCL 線的時(shí)鐘信號(hào)是低電平時(shí)才能改變。圖7.2.1I2C位傳輸數(shù)據(jù)有效性起始停止SCL 線是高電平時(shí)，SDA

31、線從高電平向低電平切換，這個(gè)情況表示起始條件；SCL 線是高電平時(shí)，SDA 線由低電平向高電平切換，這個(gè)情況表示停止條件。起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生，總線在起始條件后被認(rèn)為處于忙的狀態(tài)，在停止條件的某段時(shí)間后總線被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。圖7.1.2起始和停止條件如果產(chǎn)生重復(fù)起始條件而不產(chǎn)生停止條件，總線會(huì)一直處于忙的狀態(tài)，此時(shí)的起始條件（S）和重復(fù)起始條件（Sr） 在功能上是一樣的。7.2.2數(shù)據(jù)傳輸字節(jié)格式發(fā)送到SDA 線上的每個(gè)字節(jié)必須為8 位，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位（MSB），如果從機(jī)要完成一些其他功能后（例如一個(gè)內(nèi)部中

32、斷服務(wù)程序）才能接收或發(fā)送下一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)，可以使時(shí)鐘線SCL 保持低電平，迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并釋放時(shí)鐘線SCL 后數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。應(yīng)答響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸必須帶響應(yīng)，相關(guān)的響應(yīng)時(shí)鐘脈沖由主機(jī)產(chǎn)生。在響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間發(fā)送器釋放SDA 線（高）。在響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間，接收器必須將SDA 線拉低，使它在這個(gè)時(shí)鐘脈沖的高電平期間保持穩(wěn)定的低電平。通常被尋址的接收器在接收到的每個(gè)字節(jié)后，除了用CBUS 地址開頭的數(shù)圖7.2.1I2C總線數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)答據(jù)，必須產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)。當(dāng)從機(jī)不能響應(yīng)從機(jī)地址時(shí)（例如它正在執(zhí)行一些實(shí)時(shí)函數(shù)不能接收或發(fā)送），從機(jī)必須使數(shù)據(jù)線保持高電平，主機(jī)

33、然后產(chǎn)生一個(gè)停止條件終止傳輸或者產(chǎn)生重復(fù)起始條件開始新的傳輸。如果從機(jī)接收器響應(yīng)了從機(jī)地址，但是在傳輸了一段時(shí)間后不能接收更多數(shù)據(jù)字節(jié)，主機(jī)必須再一次終止傳輸。這個(gè)情況用從機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后沒有產(chǎn)生響應(yīng)來(lái)表示。從機(jī)使數(shù)據(jù)線保持高電平，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)停止或重復(fù)起始條件。如果傳輸中有主機(jī)接收器，它必須通過在從機(jī)發(fā)出的最后一個(gè)字節(jié)時(shí)不產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)，向從機(jī)發(fā)送器通知數(shù)據(jù)結(jié)束。從機(jī)發(fā)送器必須釋放數(shù)據(jù)線，允許主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)停止或重復(fù)起始條件。時(shí)鐘同步所有主機(jī)在SCL線上產(chǎn)生它們自己的時(shí)鐘來(lái)傳輸I2C總線上的報(bào)文。數(shù)據(jù)只在時(shí)鐘的高電平周期有效，因此需要一個(gè)確定的時(shí)鐘進(jìn)行逐位仲裁。時(shí)鐘同步通過線與連接I2C 接口到

34、SCL 線來(lái)執(zhí)行。這就是說SCL 線的高到低切換會(huì)使器件開始數(shù)它們的低電平周期，而且一旦器件的時(shí)鐘變低電平，它會(huì)使SCL 線保持這種狀態(tài)直到到達(dá)時(shí)鐘的高電平。但是如果另一個(gè)時(shí)鐘仍處于低電平周期，這個(gè)時(shí)鐘的低到高切換不會(huì)改變SCL 線的狀態(tài)。因此SCL 線被有最長(zhǎng)低電平周期的器件保持低電平。此時(shí)低電平周期短的器件會(huì)進(jìn)入高電平的等待狀態(tài)。當(dāng)所有有關(guān)的器件數(shù)完了它們的低電平周期后，時(shí)鐘線被釋放并變成高電平。之后，器件時(shí)鐘和SCL線的狀態(tài)沒有差別，而且所有器件會(huì)開始數(shù)它們的高電平周期。首先完成高電平周期的器件會(huì)再次將SCL線拉低。這樣產(chǎn)生的同步SCL 時(shí)鐘的低電平周期由低電平時(shí)鐘周期最長(zhǎng)的器件決定，而

35、高電平周期由高電平時(shí)鐘周期最短的器件決定。7.3 SPI總線介紹SPI接口的全稱是"Serial Peripheral Interface",意為串行外圍接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM, FLASH,實(shí)時(shí)時(shí)鐘,AD轉(zhuǎn)換器,還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸,在主器件的移位脈沖下,數(shù)據(jù)按位傳輸,高位在前,低位在后,為全雙工通信,數(shù)據(jù)傳輸速度總體來(lái)說比I2C總線要快,速度可達(dá)到幾Mbps。SPI接口是以主從方式工作的,這種模式通常有一個(gè)主器件和一

36、個(gè)或多個(gè)從器件,其接口包括以下四種信號(hào)：（1）MOSI 主器件數(shù)據(jù)輸出,從器件數(shù)據(jù)輸入（2）MISO 主器件數(shù)據(jù)輸入,從器件數(shù)據(jù)輸出（3）SCLK 時(shí)鐘信號(hào),由主器件產(chǎn)生（4）/SS 從器件使能信號(hào),由主器件控制 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中,SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作,且為全雙工通信,顯得簡(jiǎn)單高效。在多個(gè)從器件的系統(tǒng)中,每個(gè)從器件需要獨(dú)立的使能信號(hào),硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。SPI接口在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位,在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號(hào)和移位脈沖下,按位傳輸,高位在前,低位在后。如下圖所示,在SCLK的下降沿上數(shù)據(jù)改變,同時(shí)一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。 最后,S

37、PI接口的一個(gè)缺點(diǎn)：沒有指定的流控制,沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。7.4 SPI與I2C的區(qū)別：I2C的數(shù)據(jù)輸入輸出用的是一根線，SPI則分別為datain和dataout。所以，采用I2C時(shí)cpu的端口占用少，SPI多一根。但是由于I2C的數(shù)據(jù)線是雙向的，所以隔離比較復(fù)雜，SPI則比較容易。所以系統(tǒng)內(nèi)部通信可用I2C，若要與外部通信則最好用SPI（可一提高抗干擾能力）。I2C和SPI都能用于低速器件的通信,而SPI的數(shù)據(jù)傳輸速率高于I2C。此外，SPI具有一個(gè)內(nèi)在地址功能，不需要設(shè)計(jì)一個(gè)額外的寄存器來(lái)測(cè)試地址，從而減少軟件和硬件的設(shè)計(jì)開銷。8.超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研

38、制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面圖8.1.1超聲波傳感器測(cè)距整體框圖8.1 主要術(shù)參數(shù)：        1：使用電壓：DC5V   

39、      2：靜態(tài)電流：小于2mA       3：電平輸出：高5V            4：電平輸出：底0V        5：感應(yīng)角度：不大于15度        6：探測(cè)距離：2cm-450cm  &

40、#160;         7:高精度：可達(dá)0.3cm 圖8.2超聲波實(shí)物圖 VCC、trig（控制端）、  echo（接收端）、 GND8.3使用方法：一個(gè)控制口發(fā)一個(gè)10US以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出.一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí),當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值,此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間,方可算出距離.如此不斷的周期測(cè),就可以達(dá)到你移動(dòng)測(cè)量的值了 8.4模塊工作原理： (1)采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào);    

41、60; (2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； (3)有信號(hào)返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是          超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2; 圖8.4超聲波時(shí)序圖8.5 超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì)圖8.5超聲波測(cè)距程序流程圖9. L298N與直流電機(jī)圖9.1.1 L298N 實(shí)物圖9.1 電路原理圖圖9.1.2 L298N電路原理圖9.2、電路優(yōu)化部分9.2.1 光耦隔離器件iso7220在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在由弱電到強(qiáng)電的連接，l298n的四個(gè)輸入in1in4都必須采用光耦隔離或者其他有效隔離方式。在這里我們選取光耦產(chǎn)品iso7220。iso7220是ti公司生產(chǎn)的雙通道數(shù)字隔離器。為便于pcb布局，iso7220所提供的通道都面向一個(gè)方向（如圖2所示）。其有一個(gè)被二氧化硅隔離層隔開的邏輯輸入緩存器和邏輯輸出緩存器。與隔離電源配合使用，其能夠阻止高壓，隔絕接地，并防止來(lái)自數(shù)據(jù)總線或其他電路的噪聲電流進(jìn)入本地接地或者破壞敏感電路。根據(jù)傳輸速率其分為1、25和150mbit/s三種不同型號(hào)。它主要應(yīng)用