【正文】 一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá) 到的或是更高的目標(biāo)。隨著機(jī)器人性能不斷地完善，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且在城市安全、國防和空間探測領(lǐng)域等有害與危險(xiǎn) 場合得到很好的應(yīng)用。它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。一方面機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強(qiáng)，并向著技術(shù)和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機(jī)器人，服務(wù)機(jī)型器人，機(jī)器人玩具等。全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽每年都設(shè)有智能小車類的題目，由此可見國家對(duì)高校機(jī)器人研究工作的重視程度。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 2 總體設(shè)計(jì)方案 步進(jìn)電機(jī)的選擇 方案一：選擇反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（ VR）。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)步的角度一般是 。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是性能較好的一類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在計(jì)算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。 ARM7TDMI 處理器是 ARM 公司通用的 32 位微處理器家族的成員之一，是一種高性能、廉價(jià)、低功耗的 RISC 處理器，同時(shí)又具有非常豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對(duì)四路信號(hào)分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)運(yùn)行起來會(huì)不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。 ULN2803 的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn) TTL 系列兼容 。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時(shí)公共陽極接 +5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。每個(gè)發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。 因?yàn)楣碴枖?shù)碼管供電穩(wěn)定，控制也很穩(wěn)定，所以在本設(shè)計(jì)中所采用的是共陽極LED 數(shù)碼顯示器。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的 TTL 電路速度快，但功耗和芯片面積較大。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。 8051 單片機(jī)已成為單片機(jī)發(fā)展的主流。 單片機(jī)是通過內(nèi)部總線把計(jì)算機(jī)的各主要部件接為一體，其內(nèi)部總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。 由于單片機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。這種軟件代替硬件的 控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時(shí)，此引腳要接成高電平。此外在燒錄 8751 程序代碼時(shí)，此引腳會(huì)被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來使用 ； PSEN：此為 Program Store Enable的縮寫，其意為程序儲(chǔ)存啟用，當(dāng) 8051 被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時(shí)（ EA=0），會(huì)送出此信號(hào)以便取得程序代碼，通常這支腳是接到 EPROM 的 OE腳。設(shè)計(jì)者必須外加一鎖存 器 將端口 0 送出的地址栓鎖住成為 A0～ A7，再配合端口 2 所送出的 A8～ A15 合成一完整的 16 位地址總線，而定址到 64K 的外部存儲(chǔ)器空間 ； PORT2（ ～ ）：端口 2 是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，每一個(gè)引腳 可以推動(dòng) 4 個(gè) LS 的 TTL 負(fù)載，若將端口 2 的輸出設(shè)為高電平時(shí)，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖 所示： 圖 時(shí)鐘電路 圖中，電容器 C C2 起穩(wěn) 定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在 530pF， 我選用 30pF。 （ 2） 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，復(fù)位使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的工作狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。此時(shí)， ALE/PSEN、P0、 P P P3 口都輸出高電平。圖 為基本 RC 復(fù)位電路，其電路為高電平復(fù)位有效， S1 為手動(dòng)復(fù)位開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能。 使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號(hào)可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組。 步進(jìn)電機(jī) 的特性 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使用的是脈沖信號(hào)，而脈沖是數(shù)字信號(hào)，這恰是計(jì)算機(jī)所擅長處理的數(shù)據(jù)類型。 （ 3） 沒有角累積誤差。 （ 7） 根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī) 的種類 目前常用的步進(jìn)電機(jī)有三類： （ 1） 反應(yīng)式 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（ VR） 采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差。 （ 3） 混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（ HB） 這是 PM 和 VR 的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。圖 是 35BY 型永磁步進(jìn)電機(jī)的外形圖，圖 是該電機(jī)的接線圖 圖 35BY 型永磁步進(jìn)電機(jī)外形圖 圖 35BY 型永磁步進(jìn)電機(jī)接線 從圖中可以看出，電機(jī)共有四組線圈，四組線圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有 5 根引出線。開機(jī)時(shí)， ~ 均為高電平，依次將 ~ 切換為低電平即可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，注意在切換之前將前一個(gè)輸出引腳變?yōu)楦唠娖?。?面首先計(jì)算一下定時(shí)時(shí)間。 表中 TH0 和TL0 是根據(jù)定時(shí)時(shí)間算出來的定時(shí)初值，這里用到的晶振 是 12M。 在此我們只討論直流電動(dòng)機(jī)。 作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來說，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直 流電動(dòng)機(jī)相同。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。 ② 起動(dòng)力矩大 可以均勻而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。要使電樞受到一個(gè)方向不變的電轉(zhuǎn)矩， 關(guān)鍵在于：當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時(shí)地加以變換， 即進(jìn)行所謂 ―換向 ‖。 ULN2803 八 NPN 達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如 TTL,CMOS 或 PMOS/NMOS）和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。它的管腳連接圖如 下 圖 所示 : 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工作過程是：首先從 P1 口輸出 00010001B，由于單片機(jī)與ULN2803 連接只用到了 —，所以 ULN2803 與單片機(jī) 連接的四個(gè)管腳中只有一個(gè)管腳處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他管腳處于斷開狀態(tài)。本電路 采用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803。因此我們選擇此電路作為我們 的傳感器檢測與調(diào)理電路。 圖 金屬探測傳感器模塊 紅外避障模塊 圖 所示電路采用紅外線壁障， 是一個(gè)電壓比較器。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時(shí)公共陽 極接 +5V，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。每個(gè)發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。在本設(shè)計(jì)中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。由于硬件消抖電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，本設(shè)計(jì)中沒有采 用，在此不再詳細(xì)敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。 在這個(gè)程序中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)脈沖的分配、根據(jù)鍵盤檢測正反轉(zhuǎn)方向控制、速度控制等，并且兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的方向及速度控制可根據(jù)以下子程序自行修改實(shí)現(xiàn)?？梢栽谛≤囓囶^的左右各裝一個(gè)紅外檢測避障電路，單片機(jī)的 和 在收到接收到的紅外 檢測電路輸出信號(hào)后，利用單片機(jī)控制電機(jī)在遇到障礙物時(shí)使小車轉(zhuǎn)彎 。 （ 4）金屬探測電路測試：首先采用 LJKD4N 金屬探測傳感器，給它導(dǎo)入 的電源，并在接電源端和輸出端之間接個(gè) 歐姆電阻；再用萬用表測量尚未碰到金屬時(shí)輸出端是否為高電平；當(dāng)碰到金屬時(shí)，指示燈是否亮，這時(shí)候再用萬用表測量此時(shí)的輸 出端是否為低電平。 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 28 參考文獻(xiàn) [1]歐偉明等 .單片機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].北京 :電子工業(yè)出版社 ,20xx. 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