單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動智能小車

-.z基于單片機(jī)地步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動智能小車研制摘要我們本次設(shè)計采用ATMEL公司中地AT89S51單片機(jī)為控制核心,在最小系統(tǒng)地根底上,通過對外圍傳感器信號和控制按鍵地檢測,控制步進(jìn)電機(jī)地正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和停頓使智能小車可以循著黑線自動循跡,碰到障礙物可以合理地避障,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(jī)、智能小車、步進(jìn)電機(jī)、自動循跡、避障、探測金屬等ABSTRACTWethisdesignUSEStheATMELpanyAT89S51ascontrolcore,thesmallestsystemofbasis,throughperipheralsensorsignalandthecontrolbuttonsdetection,thecontrolofthesteppermotorareturning,inversion,accelerationandstopmakeintelligentcarcanfollowtheblacklineautomatictracing,encounterobstaclescanfollowreasonableobstacle-avoidinganddetectingmetalcanalarm-immediately,thusmakeintelligentcarrealizereasonableprogression.Keywords:AT89S51,intelligentcar,steppingmotor,automaticfollowtracing,obstacleavoidance,detectmetal,etc目錄1引言82系統(tǒng)設(shè)計92.1設(shè)計要求92.2總體設(shè)計方案92.2.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案92.2.2根本模塊設(shè)計方案103單元硬件電路設(shè)計123.1電源電路模塊123.2光電尋跡模塊123.3金屬探測傳感器模塊133.4紅外避障模塊143.5單片機(jī)AT89S51核心模塊143.5.1單片機(jī)芯片地選擇14時鐘及復(fù)位電路153.6按鍵控制模塊設(shè)計173.7LCD顯示電路183.7步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計電路194系統(tǒng)軟件設(shè)計204.1主程序流程圖204.2步進(jìn)電機(jī)方向及速度控制程序流程圖214.3金屬探測及控制設(shè)計流程圖214.4紅外避障及控制設(shè)計流程圖225系統(tǒng)調(diào)試235.1硬件調(diào)試235.1.1單元模塊地測試235.2軟件調(diào)試236心得體會24參考文獻(xiàn)25附錄26附錄1系統(tǒng)程序26附錄2實物圖281引言隨著汽車工業(yè)地迅速開展,關(guān)于汽車地研究也就越來越受人關(guān)注.全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面地題目,全國各高校也都很重視該題目地研究,可見其研究意義很大.同時,隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)、新材料以及控制理論和電機(jī)本體技術(shù)地不斷開展進(jìn)步,用戶對電機(jī)控制地速度、精度和實時性提出了更高地要求,因此作為微特電機(jī)重要分支地控制電機(jī)也得到了空前地開展.控制電機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中不可缺少地重要組件.它地應(yīng)用*圍非常廣泛,例如火炮和雷達(dá)地自動定位,艦船方向舵地自動操縱,飛機(jī)地自動駕駛,遙遠(yuǎn)目標(biāo)位置地顯示,機(jī)床加工過程地自動控制和自動顯示,閥門地遙控,以及機(jī)器人、電子計算機(jī)、自動記錄儀表、醫(yī)療設(shè)備、錄音錄象設(shè)備等中地自動控制系統(tǒng).本次設(shè)計地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.根據(jù)設(shè)計要求,確定如下方案：在現(xiàn)有地<帶有兩個步進(jìn)電機(jī)和一個萬向輪〕小車地根底上,加裝光電尋跡、紅外線避障及金屬探測器,實現(xiàn)對小車地速度、位置、運(yùn)行狀況地實時測量,并將測到地數(shù)據(jù)傳送至AT89S51單片機(jī)進(jìn)展處理,然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測地各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對小車地智能控制.這種方案能實現(xiàn)對小車地運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)展實時控制.本次設(shè)計采用ATMEL公司中地AT89S51單片機(jī).以AT89S51單片機(jī)為控制核心,利用紅外線檢測道路上地障礙,控制智能小車地自動避障,以反射式光電傳感器檢測小車要行走地路線,控制小車地自動尋跡,利用金屬探測器實現(xiàn)對小車地停頓進(jìn)展控制.2系統(tǒng)設(shè)計2.1設(shè)計要求設(shè)計一個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動地智能小車.采用AT89S51單片機(jī)為控制核心,在最小系統(tǒng)地根底上,通過對外圍傳感器信號和控制按鍵地檢測,控制步進(jìn)電機(jī)地啟動、加速和停頓,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)合理地行走.智能小車可實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制；智能小車行走速度、位置可控制；智能小車可實現(xiàn)光電循跡、紅外線避障、金屬探測傳感器地功能；LCD液晶顯示計時和行程.2.2總體設(shè)計方案系統(tǒng)總體設(shè)計方案要求設(shè)計并制作一個以單片機(jī)為控制核心地智能小車.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,操作者可以通過按鈕啟動小車能按照預(yù)定地要求自動運(yùn)行.本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)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(jī)驅(qū)動電路.可在小車車身裝上LED顯示小車地運(yùn)行狀況并通過匯編完成智能小車地監(jiān)控裝置.總體設(shè)計框圖,如圖1所示.液晶顯示液晶顯示單片機(jī)最小系統(tǒng)光電檢測紅外檢測金屬探測步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)按鍵電源電路圖1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動智能小車總體構(gòu)造框圖根本模塊設(shè)計方案<1〕、車體設(shè)計自己制作電動車.經(jīng)過反復(fù)考慮論證,我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動,后萬向輪轉(zhuǎn)向地方案.即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩根本完全一樣地直流電機(jī)進(jìn)展驅(qū)動,車體前部裝一個萬向輪.這樣,當(dāng)兩個直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速一樣時就可以實現(xiàn)電動車地原地旋轉(zhuǎn),由此可以輕松地實現(xiàn)小車坐標(biāo)不變地90度和180度地轉(zhuǎn)彎.在安裝時我們保證兩個驅(qū)動電機(jī)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(diǎn)構(gòu)造.這種構(gòu)造使得小車在前進(jìn)時比擬平穩(wěn),可以防止出現(xiàn)后輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠地情況.為了防止小車重心地偏移,前萬向輪起支撐作用.(2>、電機(jī)地選擇對于智能小車來說,其驅(qū)動輪地驅(qū)動電機(jī)地選擇就顯得十分重要.由于此題目要實現(xiàn)對尋跡路線地準(zhǔn)確定位和準(zhǔn)確測量,我們綜合考慮以下方案.采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)地驅(qū)動電機(jī).由于其轉(zhuǎn)過地角度可以準(zhǔn)確地定位,可以實現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置地準(zhǔn)確定位.雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn),步進(jìn)電機(jī)地輸出力矩較低,隨轉(zhuǎn)速地升高而下降,且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降,其轉(zhuǎn)速較低,不適用于小車等有一定速度要求地系統(tǒng).經(jīng)綜合比擬考慮,我們放棄了此方案.(3>、電機(jī)驅(qū)動模塊由于電動車采用了前面使用萬向輪,兩個后輪各一個電機(jī)驅(qū)動地驅(qū)動方式,所以可使電動車旋轉(zhuǎn)360度,這樣即使前前方都碰到障礙物地時候,電動車也可以通過在原地不斷旋轉(zhuǎn)地方式找到防止撞擊障礙物地線路.利用LM298及其外部輔助電路和電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動電路.單片機(jī)控制口接兩個LM298地八個輸入控制端.兩個L298地八個輸出端接步進(jìn)電機(jī).3單元硬件電路設(shè)計3.1電源電路模塊在設(shè)計中,我選用一個簡單地電源電路,該電源模塊提供了+7.2V、+5V,也可為其他電路系統(tǒng)供電,到達(dá)有效地利用.220V地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)定地+7.2V地直流穩(wěn)壓電源,通過LM2940C集成穩(wěn)壓管得到穩(wěn)定地+5V地直流穩(wěn)壓電源.電路原理圖如圖2所示：圖2電源電路3.2光電尋跡模塊圖3所示電路中,R3起限流電阻地作用,當(dāng)有光反射回來時,光電對管中地三極管導(dǎo)通,R4地上端變?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,光電對管中地三極管不導(dǎo)通,VT1截至,其集電極輸出高電平.而且經(jīng)實驗驗證給此電路供電地電池地壓降較小.因此我們選擇此電路作為我們地傳感器檢測與調(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3.3金屬探測傳感器模塊圖4所示電路中,我們選用型號：LJK-D4N金屬探測傳感器,將其檢測面對準(zhǔn)運(yùn)行路面,當(dāng)小車距離金屬塊20mm~30mm時,輸出一個低電平信號,然后送至單片機(jī),查詢判斷后控制電動機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)動作,使小車車速減慢,并可進(jìn)展聲光提示.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3.4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,承受管對外界紅外線地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地影響較大,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(jī)中P2.3,如果遇到障礙物后,光線反射回來,接收地光電二極管就會導(dǎo)通,這時候就會輸出一個低電平,送至單片機(jī)P2.3.圖圖5紅外避障檢測電路3.5單片機(jī)AT89S51核心模塊單片機(jī)芯片地選擇選擇AT89S51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器<FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕地低電壓,高性能CMOS8位微處理器.該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地MCS-51指令集和輸出管腳相兼容.由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL地AT89S51是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉地方案.圖6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)端口分配如下：P0.0-P0.7端口分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板地控制端；P1.0-P1.7端口分配給液晶顯示器地數(shù)據(jù)端；P3.5-P3.7端口分配給液晶顯示器地控制端；P2.0-P2.2端口分配給三路光電尋跡檢測電路地信號端；P2.3-P2.4端口分配給兩路紅外線避障地檢測信號端；P2.5端口為金屬探測器地檢測信號端；P3.0-P3.3端口分配給四個按鍵地控制端；P2.6-P2.7端口分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路板中地兩塊驅(qū)動芯片L298N地使能端.時鐘及復(fù)位電路時鐘電路地設(shè)計：在引腳*TAL1和*TAL2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(jī)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)生振蕩時鐘脈沖.內(nèi)部振蕩方式地外部電路如圖7所示：圖7時鐘電路圖中,電容器C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振地作用,其電容值一般在5-30pF,我選用30pF.晶振頻率地典型值為12MHz<我所選用〕,采用6MHz地情況也比擬多.內(nèi)部振蕩方式所得地時鐘信號比擬穩(wěn)定,實用電路中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)位電路地設(shè)計：當(dāng)MCS-51系列單片機(jī)地復(fù)位引腳RST<全稱RESET〕出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上地高電平時,單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作.如果RST持續(xù)為高電平,單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài).根據(jù)應(yīng)用地要求,復(fù)位操作通常有兩種根本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位.如圖8所示：圖8復(fù)位電路電源接通后,單片機(jī)自動復(fù)位,并且單片機(jī)運(yùn)行期間,用開關(guān)S1操作也能使單片機(jī)復(fù)位.總結(jié)時鐘及復(fù)位電路如圖9所示：圖9時鐘及復(fù)位電路3.6按鍵控制模塊設(shè)計這次設(shè)計中,我采用了四個獨(dú)立式按鍵對小車進(jìn)展四種不同模式地控制.按鍵電路如圖10所示,按鍵檢測信號由單片機(jī)地P3.0-P3.3端口采集,輸出低電平時說明有鍵按下.圖10按鍵電路圖S2鍵：由單片機(jī)P3.0檢測,作為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)地啟動鍵.S3鍵：由單片機(jī)P3.1檢測,作為步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)地啟動鍵.S4鍵：由單片機(jī)P3.2檢測,作為步進(jìn)電機(jī)地加速鍵.S5鍵：由單片機(jī)P3.3檢測,作為步進(jìn)電機(jī)地停頓鍵.3.7LCD顯示電路采用型號為LCD1602地液晶顯示器進(jìn)展小車行車時間和行程地顯示,其電路如圖11所示.圖11液晶顯示電路圖3.7步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計電路圖11所示電路主要采用兩塊型號為：L298驅(qū)動芯片地輸入腳經(jīng)過光電耦合器接到單片機(jī)地P0.0~P0.7引腳來對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)展開場、停頓、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能.圖11步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1主程序流程圖本設(shè)計地主設(shè)計流程圖如圖12所示,當(dāng)接通電源時,必須按下啟動按鍵小車才能運(yùn)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)地控制程序；假設(shè)P2.5為低電平,測探測到金屬,執(zhí)行對應(yīng)地報警程序；當(dāng)檢測到障礙物時,會產(chǎn)生中斷,執(zhí)行對應(yīng)地避障程序.NNNNNYYY開場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?是否遇到黑線?是否遇到金屬?是否遇到障礙?小車運(yùn)動Y圖12系統(tǒng)軟件主流程圖4.2步進(jìn)電機(jī)方向及速度控制程序流程圖圖13所示流程圖中,表示如果給步進(jìn)電機(jī)閥一個控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再給一個脈沖,它就會再轉(zhuǎn)一步,兩個脈沖地間隔越短,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)地越快.在這個程序中主要實現(xiàn)對一個步進(jìn)電機(jī)脈沖地分配、根據(jù)鍵盤檢測正反轉(zhuǎn)方向控制、速度控制等,并且兩個步進(jìn)電機(jī)地方向及速度控制可根據(jù)以下子程序自行修改實現(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)檢測信號控制小車地向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn),使小車始終沿著黑線行進(jìn).YYNNNYNYYYNN開場有按鍵按下?真的有按鍵按下?正轉(zhuǎn)?反轉(zhuǎn)?停頓?電機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)電機(jī)停轉(zhuǎn)加速?加速轉(zhuǎn)動原速轉(zhuǎn)動Y延時去抖動圖13步進(jìn)電機(jī)方向及速度控制流程圖4.3金屬探測及控制設(shè)計流程圖圖14所示流程圖,當(dāng)金屬探測器通上+7.2V地電源時,碰到金屬,則金屬探測器地指示燈會發(fā)亮報警了,同時輸送一個低電平給單片機(jī)模塊.YYN金屬探測子程序讀取P2.5狀態(tài)有金屬?報警圖14金屬探測控制流程圖4.4紅外避障及控制設(shè)計流程圖紅外避障檢測機(jī)控制子程序流程圖如圖15所示.可以在小車車頭地左右各裝一個紅外檢測避障電路,單片機(jī)地P2.3和P2.4在收到接收到地紅外檢測電路輸出信號后,利用單片機(jī)控制電機(jī)在遇到障礙物時使小車轉(zhuǎn)彎.YYNYN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15紅外避障控制電路流程圖5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試單元模塊地測試<1〕電源電路測試：設(shè)計并搭好電源電路,并用萬用表進(jìn)展檢測電路連接情況,在確定電路沒問題后,同電源端通上7.2V地電源,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：在以連接好地光電尋跡電路中,通電后,在反射式光電傳感器上面放一*白紙,用電壓表測量LM393地輸出端1號引腳是不是為高電平；在放一*貼有黑膠布地紙*或者是黑色地物品放在反射式光電傳感器地感應(yīng)局部,看電壓表地地電壓是否為低電平；來回移動帶有黑膠布地紙*或黑色物品,看電壓表地電壓值是否上下電平地變化.<3〕紅外避障電路測試：首先在搭接好地電路中用萬用表測量可調(diào)電阻地阻值將其調(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?<4〕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地電源,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)碰到金屬時,指示燈是否亮,這時候再用萬用表測量此時地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地前提下,對軟件開場進(jìn)展調(diào)試.通過Medwin3軟件將主流程框圖地步驟一步一步地將各個局部程序?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)計地要求一致.慢慢地完善了整個系統(tǒng)程序,在確定無誤時,用編程將正確地程序?qū)懭階T89S51中,然后將芯片放入電路中使用,完成了軟件地調(diào)試.6心得體會在這里首先要感謝教師對我們畢業(yè)設(shè)計地指導(dǎo)和幫助.通過本次設(shè)計,深深感到理論與實踐之間地差距.在學(xué)習(xí)專業(yè)課程地同時,很多知識點(diǎn)在理論完全應(yīng)用到了,但到具體地電路設(shè)計與實現(xiàn)中,會出現(xiàn)很多一時無法理解地現(xiàn)象,都要通過不斷地通過強(qiáng)化自身地實踐動手能力地培養(yǎng),才能用理論來指導(dǎo)實踐,通過實踐來進(jìn)一步深入理解理論.在連續(xù)兩個月地畢業(yè)設(shè)計時間當(dāng)中深刻地認(rèn)識到一個科學(xué)產(chǎn)品地制造過程是要考慮到眾多地因素；一個小小地細(xì)節(jié)都有可能導(dǎo)致整個設(shè)計無法到達(dá)預(yù)期效果.在這一次地設(shè)計當(dāng)中先從傳感器檢測其應(yīng)用到最小系統(tǒng)芯片端口地分配,再到步進(jìn)電機(jī)地驅(qū)動模塊,當(dāng)然還有其中地proteus地仿真設(shè)計等等,都讓我深刻地明白地一個產(chǎn)品生產(chǎn)者背后地心酸.同時加強(qiáng)了自己對研究工程地認(rèn)識和對以后自己工作上地幫助.參考文獻(xiàn)譚浩強(qiáng)?C程序設(shè)計?；：清華大學(xué),1999．佚名?ATMEL單片機(jī)在電子競賽中地應(yīng)用?；：航空航天大學(xué),2005．歐青立,何克忠?室外智慧移動機(jī)器人地開展及其關(guān)鍵技術(shù)研究?；機(jī)器人,2000,2(6>：519-526．何希才?傳感器及其應(yīng)用電路?；：電子工業(yè),2001．王曉明?電動機(jī)地單片機(jī)控制?；：航空航天大學(xué),2003．陳懂,*蓉,金世俊?智能