《單片機原理及應用技術項目化教程》課件項目十

模塊10智能小車的設計與制作10.1項目描述10.2項目目的與要求10.3項目支撐知識鏈接10.4項目實施項目小結項目拓展技能與練習

【項目導入】

目前玩具市場上有很多智能控制小車，這些智能小車價格高，智能度低。本項目設計制作的智能尋跡小車，不僅電路簡單，成本低，而且可以擴展其他功能，除此之外還可以幫助讀者掌握單片機的電機控制技術。

【項目目標】

1.知識目標

(1)掌握單片機系統(tǒng)開發(fā)的流程；

(2)掌握單片機硬件系統(tǒng)的設計制作；

(3)掌握單片機軟件系統(tǒng)的編程。

2.能力目標

(1)能根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，設計系統(tǒng)的功能模塊圖；

(2)能根據(jù)電路功能模塊要求，通過查找資料設計電

路圖；

(3)能結合硬件，進行軟件編程；

(4)具有開發(fā)單片機控制系統(tǒng)的能力。

10.1項目描述

單片機的電機控制技術應用比較廣泛，比如智能小車、機器人、遙控飛機等。本項目通過設計制作一個智能循跡小車讓大家掌握單片機對直流電機的控制設計。

10.2項目目的與要求

本項目設計主要有三個模塊：信號檢測模塊、主控模塊、電機驅(qū)動模塊。信號檢測模塊采用紅外光對管，用以對黑線進行檢測；主控模塊采用宏晶公司的STC89C52單片機作為控制芯片；電機驅(qū)動模塊采用意法半導體集團的L298N專用電機驅(qū)動芯片。信號檢測模塊的功能是將采集到的路況信號傳入STC89C52單片機，經(jīng)單片機處理后對L298N發(fā)出指令，由單片機輸出的PWM波控制電動小車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)自動循跡的功能。系統(tǒng)設計要求是：完成智能小車系統(tǒng)的整體功能方案設計；完成外圍接口應用電路的設計和實現(xiàn)；完成系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計；進行系統(tǒng)組裝和調(diào)試。

10.3項目支撐知識鏈接

10.3.1直流電機

1．直流電機的類型

直流電機可按其結構、工作原理和用途等進行分類。其中，根據(jù)直流電機的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機(將機械能轉(zhuǎn)化為直流電能)、直流電動機(將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能)、直流測速發(fā)電機(將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號)、直流伺服電動機(將控制信號轉(zhuǎn)換為機械信號)。本項目以直流電動機(簡稱直流電機)作為研究對象來講述直流電機的基本知識。

2．直流電機的結構

直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極(電磁式直流電機磁極由繞在定子上的磁繞提供)，其轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，繞組通過換向片和電刷引出。直流電機結構如圖10-1所示。圖10-1直流電機結構

3．直流電機的工作原理和技術參數(shù)

直流電機電路模型如圖10-2所示，磁極N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。當線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當流過線圈的電流改變方向時，線圈的受力方向也將改變，因此可通過改變線圈電路的方向來改變電機的方向。圖10-2直流電機電路模型直流電機的主要額定值有：

額定功率Pn：在額定電流和電壓下電機的負載能力。

額定電壓Ue：長期運行的最高電壓。

額定電流Ie：長期運行的最大電流。

額定轉(zhuǎn)速n：單位時間內(nèi)的電機轉(zhuǎn)動快慢，以r/min為

單位。

勵磁電流If：施加到電極線圈上的電流。

4．直流電機的驅(qū)動

單片機本身具有一定的驅(qū)動能力，其中I/O口的電流在10mA左右，像發(fā)光二極管之類的小電流器件不需要特殊的驅(qū)動電路，而對于直流電機這樣的大電流負載就必須有驅(qū)動電路，因此在實際應用中，電機驅(qū)動電路是單片機控制回路中的常用接口電路。在電機驅(qū)動模塊的電路設計中，根據(jù)直流電機的工作原理，可以用常規(guī)電路設計直流電機的驅(qū)動電路，如圖10-3所示。圖10-3直流電機的驅(qū)動電路另外，現(xiàn)在直流電機的專用驅(qū)動芯片很多，沒有必要再去設計驅(qū)動電路，直接挑選一種符合要求的驅(qū)動芯片即可。此處選用L298芯片構成的電路結構基本上與圖10-3所示電路的效果一樣。由L298芯片組裝的驅(qū)動電路模塊如圖10-4所示。圖10-4L298芯片構成的直流電機驅(qū)動電路

5．直流電機PWM調(diào)速原理

1)直流電機轉(zhuǎn)速

直流電機的數(shù)學模型可用圖10-5表示。由圖10-5可見，電機的電樞電動勢Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，

Ea為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩T1的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動轉(zhuǎn)矩。圖10-5直流電機的數(shù)學模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，可得電樞電壓電動勢平衡方程式如下：

U=Ea－Ia(Ra+Rc)(1)

式中，Ra為電樞回路電阻；Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)

電阻。

由此可得到直流電機的轉(zhuǎn)速公式為

(2)

式中，Ce為電動勢常數(shù)，Φ是磁通量。

由式(1)和式(2)得：

(3)由式(3)可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當勵磁電壓和負載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時，電機就停止轉(zhuǎn)動，改變電樞電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)。

2)?PWM電機調(diào)速原理

對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓為圖10-6所示的脈動電壓(要求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數(shù))，則在T不變的情況下，改變t1和t2的寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。下面對這一變化進行進一步的推導。圖10-6施加在電樞兩端的脈動電壓設電機接全電壓U時，其轉(zhuǎn)速最大為Umax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為

U平=U·D(4)

由式(3)可得到：

在假設電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下，式中K=U/(CeΦ)，是常數(shù)。圖10-7為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關系圖。圖10-7占空比與電機轉(zhuǎn)速的關系由圖10-7可看出，轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全的線性關系(圖中為實線)，其原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近似為線性關系。由此可見，改變施加在電樞兩端的電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機的PWM調(diào)速原理。

綜上所述，脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)是一種利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的技術，其實質(zhì)就是利用對數(shù)字脈沖占空比的調(diào)節(jié)來控制可控元件(如三極管、可控硅等)的通斷，從而達到對單位時間里受控負載的輸入功率的控制。

6．單片機對直流電機控制應用

設計以一塊單片機為控制核心，實現(xiàn)對一部直流電機的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)的控制。硬件部分由時鐘電路、復位電路、顯示電路、鍵盤電路、電源、單片機、電機驅(qū)動電路等組成，具體設計框圖和硬件電路原理圖分別見圖10-8和圖10-9。圖10-8系統(tǒng)整體框圖圖10-9單片機對直流電機的控制

C51程序如下：

/*********************************/

#include<reg51.h>

#include<intrins.h>

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

sbitS1=P3^0; //電機正轉(zhuǎn)控制鍵

sbitS2=P3^1; //電機反轉(zhuǎn)控制鍵

sbitS3=P3^2; //電機停止控制鍵

sbitLED1=P0^0; //電機正轉(zhuǎn)指示燈

sbitLED2=P0^1;

//電機反轉(zhuǎn)指示燈

sbitLED3=P0^2; //電機停轉(zhuǎn)指示燈

sbitMA=P1^0;

sbitMB=P1^1;

voidmain(void)

{LED1=1;

LED2=1;

LED3=0;

while(1)

{

if(S1==0) //電機正轉(zhuǎn)

if(S3==0) //電機停轉(zhuǎn)

{while(S1==0);

LED1=1;

LED2=1;

LED3=0;

MA=0;

MB=0;

}

}

}10.3.2步進電機

步進電機(steppingmotor)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制的步進電機件。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。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步矩角”。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？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)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

1．步進電機類型

目前較為常用的步進電機有三種類型，它們分別是永磁式步進電機(PM)、反應式步進電機(VR)、混合式步進電機(HB)等。

(1)永磁式。永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好，輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大(一般為7.5°或15°)。

(2)反應式。反應式步進電機定子上有繞組，轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成，其結構簡單，成本低，步矩角小，可達1.2°，但動態(tài)性能差，效率低，發(fā)熱大，可靠性難保證。

(3)混合式?；旌鲜讲竭M電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組，轉(zhuǎn)子采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大，動態(tài)性能好，步矩角小，但結構復雜，成本相對較高。

常見步進電機的外形構造如圖10-10所示。圖10-10常見步進電機的外形構造

2．步進電機的工作原理

步進電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，步進電機的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一個磁場，該磁場帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度時，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度，前進一步。電機輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。因此可通過控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電動機的轉(zhuǎn)動。在此以四相步進電機為例講述步進電動機的工作原理。四相步進電機的工作原理如圖10-11所示，定子上有4組相對的磁極，每對磁極纏有同一繞組，形成一相。定子和轉(zhuǎn)子上分布著大小、間距相同的多個小齒，當步進電機的某一相通電形成磁場后，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強行推動到最大磁導率(或最小磁阻)的位置。圖10-11四相步進電機的工作原理開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。

當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊，而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。

3．步進電機的驅(qū)動方式

驅(qū)動步進電機就是根據(jù)電磁感應原理使發(fā)動機轉(zhuǎn)子形成旋轉(zhuǎn)磁場的過程，也稱為勵磁。常見的有以下幾種方式。

1)?1相勵磁法

1相勵磁法在每一瞬間只有一個線圈導通，其他線圈不得電。其特點是勵磁方法簡單，耗電低，精確度良好。但是力矩小，振動大，每次勵磁信號走的角度是標稱角度。

2)?2相勵磁法

2相勵磁法在每一瞬間有兩個線圈導通，其他線圈不得電。其特點是力矩大，振動較小，每次勵磁轉(zhuǎn)動的角度是標稱角度。

3)?1-2相勵磁法

1-2相勵磁法在1相和2相輪流交替導通，精度高，運轉(zhuǎn)平滑。每送一個勵磁信號轉(zhuǎn)動二分之一標稱角度，因此稱為半步驅(qū)動。四相步進電機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。上面步進電機的驅(qū)動方式中，第一種方式是單四拍工作方式，第二種方式是雙四拍工作方式，第三種方式是八拍工作方式。單四拍與雙四拍的步矩角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步矩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序與波形分別如圖10-12(a)、(b)、(c)所示。圖10-12步進電機的工作時序波形圖

4．步進電機的應用

設計以一塊單片機為控制核心，實現(xiàn)對一臺步進電機的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)的控制。硬件部分由晶振電路、復位電路、顯示電路、鍵盤電路、電源、單片機、電機驅(qū)動電路等組成。具體設計要求如下：當按下S1開關時，步進電機正轉(zhuǎn)，同時LED燈D1亮；當按下S2開關時，步進電機反轉(zhuǎn)，同時LED燈D2亮；當按下S3開關時，步進電機停止轉(zhuǎn)動，同時LED燈D3亮。設計分析：由于單片機的I/O口驅(qū)動電流較小，一般無法直接驅(qū)動步進電機，因此可采用ULN2003A作為步進電機的驅(qū)動芯片。ULN2003A工作電壓高，工作電流大，并且能夠承受50V的電壓，輸出可以在高負載電流并行運行。單片機可以通過P1口發(fā)送數(shù)據(jù)，由ULN2003A來驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。另外，此處采用P3.0連接開關S1，實現(xiàn)正轉(zhuǎn)；采用P3.1連接開關S2，實現(xiàn)反轉(zhuǎn)；采用P3.2連接開關S3，實現(xiàn)停止控制。把P0.0、P0.1、P0.2分別與LED燈D1、D2和D3連接，顯示步進電機的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)的運行狀態(tài)。經(jīng)過上述分析，設計的硬件電路如圖10-13所示。圖10-13步進電機的正、反轉(zhuǎn)控制電路步進電機的正、反轉(zhuǎn)控制程序如下：

/***********writer:shopping.w***********/

#include<reg52.h>

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

ucharcodeFFW[]=

{0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09

};

ucharcodeREV[]={

0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01

};

sbitS1=P3^0;

sbitS2=P3^1;

sbitS3=P3^2;

voidDelayMS(uintms)

{uchari;

while(ms--)

{

for(i=0;i<120;i++);

}

}voidSETP_MOTOR_FFW(ucharn)

{uchari,j;

for(i=0;i<5*n;i++)

{for(j=0;j<8;j++)

{if(S3==0) break;

P1=FFW[j];

DelayMS(25);

}

}

}

voidSETP_MOTOR_REV(ucharn){

uchari,j;

for(i=0;i<5*n;i++)

{

for(j=0;j<8;j++)

{if(S3==0) break;

P1=REV[j];

DelayMS(25);

}

}

}

voidmain(){ucharN=3;

while(1)

{

if(S1==0)

{P0=0xfe;

SETP_MOTOR_FFW(N);

if(S3==0)break;

}

elseif(S2==0)

{

P0=0xfd;

SETP_MOTOR_REV(N);

if(S3==0)break;

}

else

{P0=0xfb;

P1=0x03;

}

}

}

10.4項目實施

10.4.1項目硬件設計

基于單片機的智能循跡小車由單片機、循跡紅外光對管、電源、電機驅(qū)動等模塊組成，見圖10-14。圖10-14循跡小車功能框圖

1．主要元器件選型

1)單片機選型

針對本設計特點——多開關量輸入的復雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關量的標準單片機，而不能用精簡I/O口和程序存儲器小的單片機，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析選定了STC89C52單片機作為本設計的主控芯片，其形狀見圖10-15(a)。

2)電源系統(tǒng)

采用4節(jié)普通1.5V干電池單電源供電，但6V的電壓太小，不能同時給單片機與電機供電。電機在運行過程中產(chǎn)生的反向電動勢可能會影響單片機的正常工作，所以決定獨立供電，即單片機控制系統(tǒng)和光對管與電機分開供電。由于單片機為低功耗元件，因而可采用普通1.5V電池(共4節(jié))供電，電機為大功耗器件，因而單獨采用鋰電，見圖10-15(b)。

3)電機驅(qū)動芯片

在電機驅(qū)動電路中往往采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性驅(qū)動的電路結構和原理簡單，加速能力強。采用由達林頓管組成的H形橋式電路結構復雜，需要用分立元件設計制作橋式電路?，F(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等，在此選用L298N作為電機驅(qū)動芯片，如圖10-15(c)所示。

4)循跡模塊

小車循跡原理是：小車在貼有黑膠帶的地板上行駛，由于黑色和白色對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”—黑線。在該模塊中利用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法—紅外探測法。紅外探測法利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收，如果遇到黑線則紅外光被吸收，此時小車上的接收管接收不到信號。市場上有很多紅外傳感器，在此選用常用的TCRT5000型光對管，見圖10-15(d)。

5)機械系統(tǒng)

本項目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡單，因此采用前驅(qū)，后輪采用兩個萬向輪。小車上裝有電池、電機、電子器件等，使得電機負擔較重。為使小車能夠順利啟動且運動平穩(wěn)，在直流電機和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。圖10-15主要元器件實物圖

2．接口電路設計

1)信號檢測模塊

為了防止因傳感器太少引起的誤動作，在車體前段安

裝了5個紅外光對管(見圖10-16)，有效地減少了誤動作的發(fā)生，減小了小車沖出跑道的幾率。圖10-165路光對管

2)驅(qū)動電路

本模塊主要用于對單片機傳送過來的高低電平信號進行處理，控制電機啟停、正反轉(zhuǎn)。其原理圖如圖10-17所示。圖10-17驅(qū)動模塊原理圖

3)主控電路和硬件

本模塊主要用于對采集信號進行分析，同時控制電機啟停、正反轉(zhuǎn)。其原理圖如圖10-18所示。該模塊包括電源模塊、串口電平轉(zhuǎn)換模塊以及I/O擴展模塊。電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，串口電平轉(zhuǎn)換模塊可以將電腦與單片機串口相連，從而實現(xiàn)程序的下載以及串口打印debug調(diào)試功能。I/O擴展模塊將單片機的引腳引出，可以實現(xiàn)靈活的擴展功能。圖10-18主控電路圖

4)系統(tǒng)原理圖和印刷電路板的設計

系統(tǒng)硬件電路圖和印刷電路板的設計分別見圖10-19和圖10-20。圖10-19系統(tǒng)硬件電路原理圖圖10-20印刷電路板設計10.4.2項目軟件設計

循跡小車的控制流程圖見圖10-21。圖10-21系統(tǒng)流程圖

#defineinput1P1_0

#defineinput2P1_1

#defineinput3P1_2

#defineinput4P1_3

#defineinput5P1_4

/*************************************

*4路電機控制

*************************************/

#defineDIR1P2_0

#definePWM1P2_1

#defineDIR2P2_2

#definePWM2P2_3

voiddelayMS(uchart);

voidgo_forward();

voidturn_left();

voidturn_right();

voidmain()

{

go_forward(); //啟動直走

while(1){while(input3==1) //中間光對管檢測到黑線，直走

{go_forward();}

if(input1==1) //左側光對管檢測到黑線，左轉(zhuǎn)

{turn_left();

delayMS(1);