【文章內(nèi)容簡介】 ，磁極通電；開關(guān)斷開，磁極斷電。 SA 通電時 A 磁極接通，產(chǎn)生磁場，吸引轉(zhuǎn)子 2 靠近磁極 A；之后 SA 斷開， SB 接通，產(chǎn)生磁場，吸引轉(zhuǎn)子 3 靠近磁極 B；接著 SB斷開， SC 接通產(chǎn)生磁場，吸引轉(zhuǎn)子 4 靠近磁極 C，周而復始電機就會旋轉(zhuǎn)。開關(guān)通電斷電的時間和間隔越長 ，則轉(zhuǎn)子換向需要的時間就越長，即電機轉(zhuǎn)的越慢；反之則電機轉(zhuǎn)的越快。電機的加速旋轉(zhuǎn)與減速旋轉(zhuǎn)也可以又各相定子通斷電的頻率改變 [12]。 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。因此 ,步進電機可工作于單相通電 ,雙相通電 ,以及雙相交叉通電 [13]。 本設(shè)計中選用的是 42HS02 型 兩相四線步進電機，它 有 多 種控制方式 ，本設(shè)計中采用的是 雙二拍整步方式，即采用通電次序兩相，四拍： (+A)(+B)(A)(+B)(A)(B)(+A)(B)— 。兩相繞組 同時通電時 ，同時對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生引力。與單二拍相比，雙二拍不容易產(chǎn)生丟步的現(xiàn)象。 步進電機驅(qū)動器的設(shè)計 常用的步進電機的驅(qū)動芯片有兩種，一種是 L297，另一種是 L298n[14]。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設(shè)計 12 L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。一般的控制芯片起到控制作用，但是驅(qū)動能力不強，而電機（不單是步進電機）所需要的電流一般比較大，控制芯片的 IO 口不能提供大電流，所以一般不能直接驅(qū)動電機。 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。 L297是意大利 SGS半導體公司生產(chǎn)的 步進電機專用控制器，它能產(chǎn)生 4相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。 所以將 L297 與 L298n 同時相連組成的步進電機驅(qū)動電路，無論對硬件的系統(tǒng)集成和控制軟件，都是省時省力的事，因為組合后每只步進電機只需步進脈沖、正反轉(zhuǎn)兩個信號便行。如圖 37 所示。 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。在電路圖中 in in2 與 in3 是分別接收由單片機輸出的信號的端口， in1 接收使能控制信號， in2 接收方向控制信號， in3 接收時鐘控制信號， in in2 與 in3 分別與單片機的 P1^0、P1^ P1^2 口相連。由于設(shè)計中有兩個驅(qū)動器，另外一個驅(qū)動器的三個輸入口分別與 P1^ P1^ P1^5 相連，這樣單片機的 6 個口就可以控制步進電機的運動了。 out out out3 與 out4 分別是步進電機驅(qū)動器的四個輸出口，為了步進電機能按要求轉(zhuǎn)動，這四個輸出口因該按順序與步進電機的四條引線相連。 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。 表 31 電機正轉(zhuǎn)表 A+ B+ A B 驅(qū)動器輸 1 1 0 0 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 出電平 正轉(zhuǎn) 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 表 32 電機反轉(zhuǎn)表 A+ B+ A B 驅(qū)動器輸出電平 反轉(zhuǎn) 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 系統(tǒng)功能設(shè)計 循跡功能 循跡功能是步進電機小車沿著一條黑色固定軌跡前進的功能，小車跟隨軌跡就要用到光電傳感器。 光電傳感器是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的 [15]。 光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它 們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。 發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管 (LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。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]。 光電傳感器是一種能進行非接觸檢測的傳感器 ， 其具有檢測范圍廣 、 檢測距離遠的優(yōu)點 。 其最大檢測距離往往和被檢物的尺寸、形狀、顏色及表面狀態(tài)有關(guān)。對環(huán)境條件要求不嚴格 , 如高溫區(qū)域、被檢物半透明 時均能正確檢測 , 但不適宜用在潮濕結(jié)露或灰塵很大的場合。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 。 被檢物與背景的色差如何周圍環(huán)境光強如何，是否存在自然光或人工照明檢測線路上是否有灰塵，灰塵會大大減小光電傳感器的檢測距離。 檢測方式可分為對射式、反射式、偏振式、鏡面式、漫反射式、會聚式和光幕式等。在本設(shè)計中用到的是反射式檢測。 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。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設(shè)計 14 TCRT5000 光電傳感器模塊是基于 TCRT5000 紅外光電傳感器設(shè)計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，輸出信號經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠 。 應(yīng)用場合： 圖 39 光電傳感器 如圖 39，光電傳感器的發(fā)射頭在小車行駛過程中以一定角度范圍不斷地向地面發(fā)射紅外光，當小車在白色地面行駛 時，紅外光經(jīng)白色反射后 ,被接收管接收；一旦接收管接收到信號，輸出端將輸出低電平；當小車行駛到黑線時，由于黑色對光吸收強，接收管接收到紅外光少，接收管沒有導通，集電極在上拉電阻的作用下輸出高電平，從而實現(xiàn)了檢測黑線的功能。 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。如圖 310 所示。 由光電傳感器的自身構(gòu)造可知檢測到黑色物體時 輸出為高電平，檢測到白色物體時輸出為低電平。設(shè)高電平為 1，低電平為 0。 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。 紅外反射式傳感器是集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器 .具有探測距離遠 (最遠可達到 80 cm)、受可見光干擾小、體 積小、功耗低、應(yīng)用方便等特點 .而且它檢測障礙物的距離可以根據(jù)實際要求通過尾部的電位器旋鈕進行調(diào)節(jié)，非常適用于小車避障 . 在本設(shè)計中選用紅外反射式傳感器，它的使用非常方便，只需將傳感器檢測到的開關(guān)信號直接送入單片機處理即可，無障礙物時傳感器輸出高電平，有障礙物時輸出低電平，并且傳感器尾部指示燈亮起 . 圖 311 紅外傳感器位置圖 本設(shè)計中為避障功能設(shè)計了三個紅外傳感器，分別放置在車身的正前方、左前方和右前方，水平互成 60o角，如圖 311 所示，這樣就可以把發(fā)射的紅外線排布在小車的前方任何范圍，提高小車反應(yīng)及增強避障的能力。當三個中的一個或多個（障礙物較大）接收部分的傳感器，就能根據(jù)反射回來的紅外線進行自動的調(diào)整，從而使小車的運行軌跡達到自動避障的目的。下圖是傳感器的驅(qū)動及接受電路，其中偵測前方障礙的距離，可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，經(jīng)比較處理后，將對應(yīng)的電壓輸出給紅外發(fā)射管，達到調(diào)節(jié)距離的目的。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。 上位機電路設(shè)計 對于一些需要計算機與單片機通信的場合來說，電腦的串口非常重要，例如很多設(shè)備都必須采用串口和電腦端軟件連接，很多電路模塊可以非常直觀方便地利用串口調(diào)試軟件進行調(diào)試，很多儀器必須通過串口進行通訊和數(shù)據(jù)交換 [17]。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設(shè)計 16 但是目前筆記本電腦因為空間的限制和其他方面考慮的原因都沒有串口，甚至一些臺式電腦也取消了串口配置，這就很大程度的限制了串口的應(yīng)用。 USB 轉(zhuǎn)串口模塊全稱為 USB to Serial port Module，它可以將 USB 接口虛擬成一個串口，解決無串口的苦惱 [18]。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。它可以穩(wěn)定下載，并可以支持多種操作系統(tǒng)。 PL2303HX 的特點是： 28 腳貼片 SOIC 封裝 12MHZ USB 規(guī)范 ，可以直接將 USB 信號轉(zhuǎn)換成串口信號 75～ 1228800，有 22 種波特率可以選擇，并支持 16 共 5種數(shù)據(jù)比特位，是一款相當不 錯的 USB 轉(zhuǎn)串口芯片。 這是 PL2303 芯片開發(fā)的 USB 轉(zhuǎn)串口模塊，引腳電平為 TTL，引腳定義如下： TXD 、 RXD、 GND 地線 。 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。為了防止高速信號在端口附近產(chǎn)生反射現(xiàn)象 , 需要在 USB 端口引腳 D1 和 D2 上分別接上一個阻值為 18Ω左右的終端匹配電阻。 D1 接一個上拉電阻以幫助實現(xiàn)枚舉功能。此外考慮到防止 USB 口短路問題，串入 R24，從而保護 USB 口 [19]。如圖 312 所示 。 這個模塊的接 線如下： 1. 地連接，要將 PL2303 的 GND 與單片機的 GND 共地； 2. PL2303 芯片的 TXD 管腳與單片機的 管腳連接 ； 3. PL2303 芯片的 RXD 管腳與單片機的 管腳連接 ； 4. 電腦端的 USB 電源作為單片機系統(tǒng)的電源。 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計 17 圖 312 USB 轉(zhuǎn)串口電路圖 圖 313 STC 單片機的串口燒寫軟件 電路連接準備好之后，打開 STC 單片機的串口燒寫軟件 STC_ISP，如圖 313 所示。下載的步驟如下 ： 1. 選擇 STC 單片機型號（ STC89C52）。 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）。 3. 下載串口選擇。 4. 點擊下載，此時單片機需要冷啟動。 在下載完程序之后，單片機就可以按設(shè)想運行了。 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。 具體程序見附錄Ⅰ。 開 始延 遲產(chǎn) 生 脈 沖e n 是 否 高 電 平c w 位 的 電 位c w = 1 c w = 0電 機 正 轉(zhuǎn) 電 機 正 轉(zhuǎn)是 否 結(jié) 束NNYY結(jié) 束 圖 41 電機控制流程圖 電機方向控制 電機旋轉(zhuǎn)方向受方向控制位 cw 控制。例如 cw_left=1 可使電機順時針旋轉(zhuǎn)，只要將旋轉(zhuǎn)的子函數(shù)中 cw_left=0，電機就變?yōu)槟鏁r針旋轉(zhuǎn)。方向控制主函數(shù)如下： while(1) { move_left(10,0,1)。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設(shè)計 20 } 方向控制子函數(shù)： void move_left(uint speed_l,uchar cw,uchar en) { speed=speed_l。 //speed_l 速度控制變量 cw 方向控制變量 en 使能控制變量 if(cw==1) { cw_left=1。 } else { cw_left=0。 } if(en==1) { en_left=1。 } else { en_left=0。 } } 電機 速度控制 在中斷中， n 不斷累加，當你增加到預設(shè)的數(shù)之后 clk_left 與 clk_right 就會置為高電平，就會發(fā)出一個脈沖，使兩個電機旋轉(zhuǎn)一步；或 clk_left 與 clk_right 置 為 低電平，這時電機不轉(zhuǎn)。之后 n 被置為 0，重新開始累加，進入下一輪循環(huán)。 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]。 void timer1_serve() interrupt 3 { TH1=(65536100)/256。 TL1=(65536100)%256。 n=n+1。 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計 21