MSP430及傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)報(bào)告

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……………21.1.1MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖…………………21.1.2MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖……………………21.1.3MSP430最小系統(tǒng)元件清單………31.1.4MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB圖……………42.1LCD12864液晶顯示……………42.1.1LCD12864液晶顯示簡(jiǎn)介……………42.1.2液晶引腳圖………5傳感器模塊電路………………………51.光敏二極管………………………51.1光敏二極管簡(jiǎn)介……………51.2光敏二極管檢測(cè)……………52.紅外避障模塊………………………52.1紅外避障模塊簡(jiǎn)介…………………62.2模塊接口說明……………………63.TCRT5000尋跡模塊……………………73.1尋跡模塊簡(jiǎn)介……………………73.2應(yīng)用場(chǎng)合……………………83.3模塊原理與應(yīng)用……………………84.熱敏傳感器……………………94.1熱敏傳感器簡(jiǎn)介……………………94.25.聲音傳感器………………………105.1聲音傳感器工作原理……………………105.2聲音檢測(cè)框圖……………………106.步進(jìn)電機(jī)………………………116.1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)……………………136.3.1空載啟動(dòng)頻率……………………146.3.2電機(jī)的相數(shù)……………………146.3.3固有步距角……………………156.3.4保持轉(zhuǎn)矩……………………166.3.5拍數(shù)……………………166.3.6定位轉(zhuǎn)矩……………………166.3.7最大靜轉(zhuǎn)矩……………………176.4工作原理……………………18角度傳感器……………………207.1ADXL345連接方式……………………217.2I2C總線介紹……………………217.3SPI總線介紹……………………227.4I2C與SPI的區(qū)別……………………23超聲波傳感器……………………238.1主要參數(shù)……………………248.2實(shí)物圖……………………248.3工作原理……………………258.4超聲波傳感器測(cè)距程序設(shè)計(jì)……………………25L298模塊及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)……………………269.1L298n電路原理圖……………………269.2電路優(yōu)化部分……………………269.3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Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（BasicTimer）、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)。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)試設(shè)計(jì)內(nèi)容⑴制作MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)⑵光敏二極管模塊電路及其調(diào)試⑶紅外避障模塊電力路及其調(diào)試⑷TCRT5000尋跡模塊電路及其調(diào)試⑸熱敏傳感器模塊電路及其調(diào)試⑹聲音檢測(cè)模塊電路及其調(diào)試⑺火焰?zhèn)鞲衅髂K及其調(diào)試⑻步進(jìn)電機(jī)模塊及其調(diào)試⑼L298N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1.1.1MSP430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1.1.2MSP430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10K7個(gè)電阻2K1個(gè)電位器10K1個(gè)電容22pF4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)1.1.4MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB圖1.1.4MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB1.2LCD12864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)和顯示特性:電源：VDD3.3V~+5V(內(nèi)置升壓電路，無需負(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?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無光照時(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，然后用萬用表的R×1k檔其正、反向電阻。正常時(shí)，正向電阻值在10~20kΩ之間，反向電阻值為∞（無窮大）。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2～80cm，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)及黑白線循跡等眾多場(chǎng)合。2.2模塊接口說明（3線制）⑴、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）⑵、GND外接GND⑶、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：⑴電度表脈沖數(shù)據(jù)采樣⑵傳真機(jī)碎紙機(jī)紙張檢測(cè)⑶障礙檢測(cè)⑷黑白線檢測(cè)3.3模塊原理和應(yīng)用

圖2.3.3TCRT5000傳感器模塊電路原理圖

傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(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。4.2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)行測(cè)量。5.2聲音檢測(cè)框圖步進(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?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，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，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.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)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°、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θ表示。θ=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θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*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)?，F(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)，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）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(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（Ｎ，S）組成一對(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、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7.1ADXL345連接方式圖7.1.1SPI模式連接圖7.1.2I2C模式連接7.2I2C總線介紹7.2.1I2C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。總線的長(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。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。7.2.2I2C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?，地址碼用來選址，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)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。⑴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⑵起始停止SCL線是高電平時(shí)，SDA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⑴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)。⑵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)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。⑶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SCL線來執(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，而高電平周期由高電平時(shí)鐘周期最短的器件決定。7.3SPI總線介紹SPI接口的全稱是"SerialPeripheralInterface",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,SPI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)。7.4SPI與I2C的區(qū)別：⑴I2C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。⑵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）。⑶I2C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

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

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);

(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L298N與直流電機(jī)

圖9.1.1L298N實(shí)物圖9.1電路原理圖圖9.1.2L298N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in1～in