【正文】 單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù) 據(jù)通信，為在計算機 網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機 智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、 再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。 因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 （ 3）便于擴展 :片內(nèi)具有 計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的 (總線 ,并行和串行的輸入 /輸出 )管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。 ROM 一般小于 8KB， RAM 一般小于256B，但可以在外部擴展 .通常 ROM， RAM 可分別擴展至 64KB。許多專用功能芯片的內(nèi)核集成了 51 單片機，與 51 系列單片機兼容的微控制器以 IP 核的方式不斷地出現(xiàn)在 FPGA 的片上系統(tǒng)中。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設(shè)計 4 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機介紹 單片機概述 單片微型計算機簡稱單片機，又稱為微控制器 （ MCU SingleChip Microputer），它的出現(xiàn)是計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑，它以體積小、功能全、性價比高等諸多優(yōu)點而獨具特色，在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中獨占鰲頭。單片機作為總控制芯片要有穩(wěn)定合適的電壓輸入，所以在單片機與電源之間要接穩(wěn)壓電路。 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。為了實現(xiàn)任務(wù)， 還需 設(shè)計一些為系統(tǒng)服務(wù)的模塊。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電動機的需求量與日俱增，研制步進電機驅(qū)動器及其控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。目前打字機、計算機外部設(shè)備、數(shù)控機床、傳真機等設(shè)備都使用了步進電機。 （ 3） 與數(shù)組設(shè)備兼容 ,能夠直接接收數(shù)字信號 。步進電機的輸入信號為脈沖電流 ， 它能將輸入的脈沖信號轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線位移 ， 因而步進電機可看作是一個串行的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。 stepper motor。并在小車上 增加一些傳感器模塊，使單片機正常驅(qū)動步進電機，帶動小車執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的同時，根據(jù)傳感器模塊的反饋，不斷修正，直到任務(wù) 實現(xiàn)小車循跡與避障功能。 基于單片機的步進電機小車 驅(qū)動 系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 本設(shè)計以 STC89C52 單片機最小系統(tǒng)為核心，設(shè)計了一種兩相四線步進電機的驅(qū)動器電路。 至此來證明所設(shè)計的驅(qū)動電路的可行性。 stepper motor drive circuit。由于步進電機能夠直接接受數(shù)字信號 ， 而不需數(shù) /模轉(zhuǎn)換 ， 所以使用微機控制步進電機顯得非常方便 [1]。 （ 4） 可以快速啟停。隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展 ，步進電機必將發(fā)揮它的控制方便、控制準(zhǔn)確的特點 ， 在工業(yè)控制等領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用 [2]。 本次畢業(yè)設(shè)計選用的步進電機是兩相步進電機，通過軟件和硬件的結(jié)合首先實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速功能，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)循跡、避障。 系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)單片機電路部分由供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路與 I/O 電路部分組成，再由單片機控制電機實現(xiàn)循跡功能與避障功能。當(dāng)步進驅(qū)動器接受到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角 度是一步一步運行的。另外，為了能更方便的讓計算機與單片機通信，還要設(shè)計一種上位機軟件。 51 系列單片機 是國 內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種 8 位單片機之一 [3]。近年來，基于51 單片機的嵌入式實時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)與推廣，表明了 51 系列單片機在今后的許多年中依然會活躍如故，而且在很長一段時間中將占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場。 （ 2）可靠性高 :因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC機。 （ 4）控制功能強 :具有豐富的控制指令 :如條件分支轉(zhuǎn)移指令， I/O 口的邏輯操作指令，位處理指令。單片機廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專 用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇 [5]： 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計 5 （ 1）在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 （ 4）單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超 聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。這個芯片是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 。對 51 系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、時鐘電路、復(fù)位電路、輸入 /輸出設(shè)備等。 單片機最小系統(tǒng)圖如圖 33 所示： 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 圖 33 單片機最小系統(tǒng)圖 在本設(shè)計中為了能更方便的實現(xiàn)較多的功能 [8]， 單片機的引腳可方便的與外部電路相連，在電路圖中外加了排母，將單片機的所有引腳引到了排母上。 圖 35 電池電壓與電量的關(guān)系 本設(shè)計中采用常見的 AMS1117 作為單片機的穩(wěn)壓芯片，它的概述如下： AMS1117 系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計用于提供 1A 輸出電流且工作壓差可低至 1V。 AMS1117 芯片的特性如下： , 和 1A，工作壓差低至 1V ： %Max 負載調(diào)節(jié)： % Max. SOT223,TO252 和 SO8 封裝的結(jié)溫 ，以防止環(huán)境溫度造成過高 AMS1117 的穩(wěn)定性，對可調(diào)電壓版本，輸出需要連接一個至少 22μ F 的鉭電容。在工作時單片機的 VCC 端有 5V 的電壓，所以電路圖中的發(fā)光二極管會導(dǎo)通并發(fā)亮，指示電路正在工作狀態(tài)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)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 [10]。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 2．與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè) 計比較簡單。 6．即使沒有傳感器，也能精確定位。 步進電機的工作原理 下面以四相步進電機最簡單的四拍工作方式來說明步進電機的工作原理： 圖 37 步進電機的工作原理 以四相步進電機為例， SA、 SB、 SC 與 SD 分別是四相步進電機的四個相的開關(guān)，開關(guān)接通時，磁極通電；開關(guān)斷開，磁極斷電。 步進電機 選用 步進電機是以脈沖信號依次使定子激勵 ,以數(shù)字電壓輸入來控制轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動方向。與單二拍相比，雙二拍不容易產(chǎn)生丟步的現(xiàn)象。 L298n 是驅(qū)動芯片，可以將控制芯片的輸出轉(zhuǎn)換成較高的電壓和能夠輸出較大的電流。 圖 38 步進電機驅(qū)動電路 在設(shè)計中，這樣的步進電機有驅(qū)動器兩個，分別驅(qū)動左右兩個步進電機。 單片機輸出對應(yīng)驅(qū)動器輸入驅(qū)動器輸出如表 31，表 32 所示。 發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管 (LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號 [16]。如何選擇檢測方式應(yīng)主要考慮以下幾點因素檢測距離被檢物的尺寸被檢物的反光情況如何 , 如深色物體的反光能力弱被檢物是否處于振動場合 。 反射式光電傳感器的發(fā)射頭和接收頭安裝于同一側(cè) , 正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光源被反光板反射回來再被收 光器收到；一旦被檢測物擋住光路，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。 步進電機小車的驅(qū)動電機只有兩個，在前后各有一個從動萬向輪，小車的轉(zhuǎn)向還是很靈活的，故在小車的循跡功能中只設(shè)置了兩個光電傳感器，一左一右分布在車底前部，它們之間的距離要大于黑色軌跡的寬度 ,利于小車走偏時有足夠的空間調(diào)整自身的位置。 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計 15 圖 310 光電傳感器位置圖 避障功能 避障功能是步進電機小車在行進的過程中自動躲避障礙并前行的功能，實現(xiàn)避障功能要用到紅外傳感器。距離可以根據(jù)場地的實際情況調(diào)節(jié)， 障礙比較少的情況可以將距離調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)的大些；障礙比較復(fù)雜時可以將距離調(diào)節(jié)小些，這樣就可以避免在原地打轉(zhuǎn)的情況，經(jīng)行精確避障。如果要設(shè)計這樣一種電路，通過比較，在滿足下載需求、價格合理的情況下，最為適中的就是 PL2303。 PL2303 需要一個 12MHz 的外部晶體為自己提供時鐘 , 外部并聯(lián)的兩個匹配起振電容。如圖 312 所示 。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設(shè)計 18 2. 選中要燒寫的文件（ .hex 文件）。 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計 19 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計 電機控制流程圖 電機旋轉(zhuǎn)受使能控制位 en、方向控制位 cw 控制 [20]，如圖 41 所示。方向控制主函數(shù)如下： while(1) { move_left(10,0,1)。 } if(en==1) { en_left=1。 n 或 speed 的數(shù)值越大 clk_left 與 clk_right 改變的時間間隔就會越大，電機的步與步的間隔就大，電機的旋轉(zhuǎn)速度就會變慢，反之亦然 [21]。 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計 21 if(n==speed) { clk_left=~clk_left。設(shè)高電平為 1,低電平為 0,電機的轉(zhuǎn)向由表 41 可知。 小車在遇到障礙時設(shè)置了轉(zhuǎn)彎的避障方式。在連續(xù) 轉(zhuǎn)彎后就可以達到要求了。對機電這個專業(yè)有了更深一步的理解 ,但這只是很小一方面罷了 ,今后要繼續(xù)學(xué)習(xí)。//左電機使 能控制位 sbit cw_left= P1^1。//右電機方向控制位 sbit clk_right= P1^5。//右電機運動函數(shù) void delay(unsigned int k)。 for(i=0。j++) {。 TH1=(65536100)/256。 if(cw==1) { cw_left=1。 } } void move_right(uint speed_r,uchar cw,uchar en) { //speed_r 速度控制變量 cw 方向控制變量 en 使能控制變量 speed=speed_r。 } 附錄Ⅰ 程序清單 27 else { en_right=0。 move_right(10,1,1)。 if(n==speed) { clk_left=~clk_left。//左電機使能控制位 sbit cw_left= P1^1。//右電機方向控制位 sbit clk_right= P1^5。 //定時器 1 初始化函數(shù) void move_left(uint speed_l,uchar cw,uchar en)。//進定時器 1 中斷次數(shù)計數(shù) uint speed。i++) { for(j=0。 ET1=1。 TR1=1。 } if(en==1) { en_left=1。 //所以實際應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)調(diào)節(jié)到速度可力矩比較合適的數(shù)值 } //應(yīng)考慮到電池電壓，輪胎直徑等因素 else { cw_right=0。 timer1_init()。 move_right(15,0,0)。 move_right(15,1,1)。ir_right==0) { move_left(15,0,1)。amp。 } } } void timer1_serve() interrupt 3 { TH1=(65536100)/256。 if(n==speed) { clk_left=~clk_left。//左電機使能控制位 sbit cw_left= P1^1。//右電機方向控制位 sbit clk_right= P1^5。 //中間紅外傳感器接收位 /////////////////////////函數(shù)聲明 //////////////////////////////////////// void timer1_init()。 //延時函數(shù) //////////////////變量定義 //////////////////////////////////////////////// uint n。ik。}} } /*******************************/ void timer1_init() { TMOD=0X10。 TL1=(65536100)%256。 } else