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正文內(nèi)容

基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-11-13 12:01 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 MOS 技術(shù)的進(jìn)步,大大地促進(jìn)了單片機(jī)的 CMOS 化。 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)。這也是今后以 80S51 取代 8051 為標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片的原因。因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片多數(shù)是采用 CMOS(金屬柵氧化物 )半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。 CMOS 電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。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。隨著技術(shù)和工藝水平的提高,又出現(xiàn)了 HMOS(高密度、高速度 MOS)和 CHMOS工藝。 CHMOS 和 HMOS 工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的 CHMOS 電路已達(dá)到 LSTTL 的速度,傳輸延遲時(shí)間小于 2ns,它的綜合優(yōu)勢(shì)已在于 TTL 電路。因而,在單片機(jī)領(lǐng)域CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。 隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展,單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小、功能將列強(qiáng)。在單片機(jī)家族中, 8051 系 列是其中的佼佼者,加之 Intel公司將其 MCS –51 系列中的 8051 內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名 IC 制造廠商,如 Philips、 NEC、 Atmel、 AMD、華邦等,這些公司都在保持與 8051 單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了 8051 的許多特性。這樣, 8051 就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族,現(xiàn)統(tǒng)稱為 8051 系列。 8051 單片機(jī)已成為單片機(jī)發(fā)展的主流。專家認(rèn)為,雖然世界上的 MCU 品種繁多,功能各異,開發(fā)裝置也互不兼容,但是客觀發(fā)展表明, 8051 可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯 片。 單片機(jī)是微型機(jī)的一個(gè)主要分支,在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是把 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器和多種輸入 /輸出接口電路集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上。就其組成和功能而言,一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī) 。 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。其中,地址總線的作用是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)提供地址, CPU 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 7 通過它們將地址輸出到存儲(chǔ)器或 I/O 接口;數(shù)據(jù)總線的作用是在 CPU 與存儲(chǔ)器或I/O 接口之間,或存儲(chǔ)器與外設(shè)之間交換數(shù)據(jù);控制總線包括 CPU 發(fā)出的控制信號(hào)線和外部送入 CPU 的應(yīng)答信號(hào)線等。 單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域,應(yīng)用一個(gè)較科學(xué)的分類方法。根據(jù)目前發(fā)展情況,從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型 /專用型、總線型 /非總線型及工控型 /家電型。 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。它的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域 ,單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。另一方面,單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于,它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能,現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。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。 單片機(jī)芯片 AT89S51 為 ATMEL 所生產(chǎn)的可電氣燒錄清洗的 8051 相容單芯片,其內(nèi)部程序代碼容量為 4KB。 ( 1) AT89S51 主要功能列舉如下: 為一般控制應(yīng)用的 8 位單芯片 ; 晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器(傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz) ; 內(nèi)部程式存儲(chǔ)器( ROM)為 4KB; 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器( RAM)為 128B; 外部程序存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至 64KB; 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至 64KB; 32 條雙向輸入輸出線,且每條均可以單 獨(dú)做 I/O 的控制 ; 5 個(gè)中斷向量源 ; 2 組獨(dú)立的 16 位定時(shí)器 ; 1 個(gè)全多工串行通信端口 ; 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 8 8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能 ; 單芯片提供位邏輯運(yùn)算指令 ; ( 2) AT89S51 各引腳功能介紹: 如下圖 圖 AT89S51 各引腳圖 VCC: AT89S51 電源正端輸入,接 +5V; VSS:電源地端 ; XTAL1:?jiǎn)涡酒到y(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端 ; XTAL2:系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端,一般在設(shè)計(jì)上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上 接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動(dòng)作了,此外可以在兩引腳與地之間加入一 30PF 的小電容,可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定,避免噪聲干擾而死機(jī) ; RESET: AT89S51 的重置引腳,高電平動(dòng)作,當(dāng)要對(duì)晶片重置時(shí),只要對(duì)此引 腳電平提升至高電平并保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間, AT89S51 便能完成系統(tǒng)重置的 各項(xiàng)動(dòng)作,使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài),并且至地址 0000H 處 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 9 開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序 ; EA/Vpp: EA為英文 External Access的縮寫,表示存取外部程序代碼之意,低電平動(dòng)作, 也就是說當(dāng)此引腳接低電平后,系統(tǒng)會(huì)取用外部的程序代碼(存于外部EPROM 中)來執(zhí)行程序。因此在 8031 及 8032 中, EA 引腳必須接低電平,因?yàn)槠鋬?nèi)部無程序存儲(chǔ)器空間。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,在將程序代碼燒錄至 8751 內(nèi)部 EPROM 時(shí),可以利用此引腳來輸入 21V 的燒錄高壓( Vpp) ; ALE/PROG: ALE 是英文 Address Latch Enable的縮寫,表示地址鎖存器啟用信號(hào)。 AT89S51 可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的 8 位鎖存器(如 74LS373),將端口 0的地址總線( A0~ A7)鎖進(jìn)鎖存器中,因?yàn)?AT89S51 是以多工的方式送出地址及數(shù)據(jù)。平時(shí)在程序執(zhí)行時(shí) ALE 引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的 1/6,因此可以用來驅(qū)動(dòng)其他周邊晶片的時(shí)基輸入。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。 AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引腳分 別啟用存在外部的 RAM 與 EPROM,使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器可以合并在一起而共用 64K的定址范圍 ; PORT0( ~ ):端口 0 是一個(gè) 8 位寬的開路汲極( Open Drain)雙向輸出入端口,共有 8 個(gè)位, 表示位 0, 表示位 1,依此類推。其他三個(gè) I/O 端口( P P P3)則不具有此電路組態(tài),而是內(nèi)部有一提升電路, P0 在當(dāng)做 I/O 用時(shí)可以推動(dòng) 8 個(gè) LS 的 TTL 負(fù)載。如果當(dāng) EA 引腳為低電平時(shí)(即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器), P0 就以多工方式提供地址總線( A0~ A7)及數(shù)據(jù)總線( D0~ D7)。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。 P2 除了當(dāng)做一般 I/O 端口使用外,若是在 AT89S51 擴(kuò)充外接程序存儲(chǔ)器 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 10 或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),也提供地址總線的高字節(jié) A8~ A15,這個(gè)時(shí)候 P2 便不能當(dāng)做 I/O 來使用了 ; PORT1( ~ ):端口 1 也是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口,其輸出緩沖器可以推動(dòng) 4 個(gè) LS TTL 負(fù)載,同樣地若將端口 1 的輸出設(shè)為高電平,便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用 8052 或是 8032 的話, 又當(dāng)做定時(shí)器 2 的外部脈沖輸入腳,而 可以有 T2EX 功能,可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位 ; PORT3( ~ ):端口 3 也具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口,其輸出緩沖器可以推動(dòng) 4 個(gè) TTL 負(fù)載,同時(shí)還多工具有其他的額外特殊功能,包括串行通信、外部中斷控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?; 其引腳分配如下: : RXD,串行通信輸入 ; : TXD,串行通信輸出 ; : T0,計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器 0 輸入 ; : T1,計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器 1 輸入 ; 單片機(jī)端口分配如下: 端口分配給 液晶顯示器的數(shù)據(jù)端; 端口分配給 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的控制端; 端口分配給液晶顯示器的控制端; 端口分配給三路光電尋跡檢測(cè)電路的信號(hào)端; 端口分配給兩路紅外線避障的檢測(cè)信號(hào)端; 端口為金屬探測(cè)器 的檢測(cè)信號(hào)端; 端口為按鍵控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng); 端口分配給四個(gè)按鍵的控制端; 時(shí)鐘及復(fù)位電路 ( 1) 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)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(gè)高增益反相放大器,當(dāng)外接晶振后,就構(gòu)成了 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 11 自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。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。晶振頻率的典型值為 12MHz(我所選用),采用 6MHz 的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定,實(shí)用電路中實(shí)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(jì)。 ( 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。在系統(tǒng)中,有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)顯示不正常,也為了調(diào)試方便,需要設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)位電路,復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在 運(yùn)行時(shí)用戶的 按鍵復(fù)位功能。 在此系統(tǒng)中單片機(jī)的復(fù)位靠外部電路實(shí)現(xiàn)的, AT89S51 單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳 RST,高電平有效。只要 RST 保持高電平,單片機(jī)便保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí), ALE/PSEN、P0、 P P P3 口都輸出高電平。 RST 變成低電平后,退出復(fù)位狀態(tài), CPU 開始正常工作。需要注意的是,復(fù)位操作不影響片內(nèi) RAM 的內(nèi)容。 復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào),直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后,撤銷復(fù)位信號(hào)。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。 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計(jì) 12 圖 復(fù)位電路 步進(jìn)電機(jī)概述 步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件,它實(shí)際上 是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng),輸出功率一般很小,其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動(dòng),用途很廣。 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。每輸入一個(gè)脈沖到脈沖分配器,電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化,轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過一定的角度(稱為步距角)。 正常情況下,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入 的脈沖數(shù)成正比;連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,不受電壓波動(dòng)和負(fù) 載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入,所以特別適合于微機(jī)控制。 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。從 20 世紀(jì) 80 年代開始開發(fā)出了專用的 IC 驅(qū)動(dòng)電路,今天,在打印機(jī)、磁盤器等的 OA 裝置的位置控制中,步進(jìn)電機(jī)都是不可缺少的組成部分之一??傮w上說,步進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn): ( 1) 不需要反饋,控制簡(jiǎn)單。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 13 ( 2) 與微機(jī)的連 接、速度控制(啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn))及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。 ( 3) 沒有角累積誤差。 ( 4) 停止時(shí)也可保持轉(zhuǎn)距。 ( 5) 沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分,不需要保養(yǎng),故造價(jià)較低。 ( 6) 即使沒有傳感器,也能精確定位。 ( 7) 根椐給定的脈沖周期,能夠以任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)。但是,這種電機(jī)也有自身的缺 點(diǎn)。 ( 8) 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩 ( 9) 不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng) ( 10) 在體積重量方面沒有優(yōu)勢(shì),能源利用率低。 ( 11) 超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步, 高 速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。 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(jiǎn)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。 ( 2) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)( PM) 轉(zhuǎn)
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