【正文】 6 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。如果要設計這樣一種電路，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。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設計 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用。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。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。 第 3 章系統(tǒng)硬件設計 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。 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。 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。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 。 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，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。 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。如何選擇檢測方式應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 。 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。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號 [16]。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。 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]。 單片機輸出對應驅(qū)動器輸入驅(qū)動器輸出如表 31，表 32 所示。由于設計中有兩個驅(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。 圖 38 步進電機驅(qū)動電路 在設計中，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。 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。 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。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設計 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。與單二拍相比，雙二拍不容易產(chǎn)生丟步的現(xiàn)象。 本設計中選用的是 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)— 。 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。開關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。 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，開關接通時，磁極通電；開關斷開，磁極斷電。 但是，這種電機也有自身的缺點。 6．即使沒有傳感器，也能精確定位。 4．停止時也可保持轉(zhuǎn)距。 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 計比較簡單。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。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，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。可以通過控制脈沖個數(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 [10]。 圖 36 單片機穩(wěn)壓電路圖 步進電機介紹 步進電機的概述 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) [9]。在工作時單片機的 VCC 端有 5V 的電壓，所以電路圖中的發(fā)光二極管會導通并發(fā)亮，指示電路正在工作狀態(tài)。通常線性調(diào)壓器的穩(wěn)定性隨著輸出電流增加而降低。 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。 AMS1117 的片上微調(diào)把基準電壓調(diào)整到 %的誤差以內(nèi)，而且電流限 制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。 圖 35 電池電壓與電量的關系 本設計中采用常見的 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，設計用于提供 1A 輸出電流且工作壓差可低至 1V。單片機的擴展電路如圖 34 所示： 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設計 8 圖 34 單片機的擴展電路圖 第 3 章系統(tǒng)硬件設計 9 單片機供電模塊設計 本設計采用 6V可充電 鎳氫充電電池組作為單片機的電源 ,這種電源的優(yōu)點是電容量大 ,可以支持步進電機的長時間運轉(zhuǎn)。 單片機最小系統(tǒng)圖如圖 33 所示： 第 3 章系統(tǒng)硬件設計 7 圖 33 單片機最小系統(tǒng)圖 在本設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。 Y1 也可以采用 6MHz 或者 ，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振， 51 單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。對 51 系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、時鐘電路、復位電路、輸入 /輸出設備等。 本設計為了能讓單片機的引腳更加容易接出，采用的是 PDIP 封裝 ，它的引腳圖與實物圖如圖 31 與 32 所示： 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設計 6 圖 32 STC89C52 實物圖 圖 31 STC89C52 引腳圖 控制電路設計 本系統(tǒng)是在單片機最小系統(tǒng)上進行設計的。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 。 單片機選用 目前應用 廣泛的單 片機為 51 系列單片機， 89C52 單片機的內(nèi)部 RAM、 ROM 要大于 89C51 單片機，能允許更大的程序運行，并且其它一些指標要優(yōu)于后者，故本設計選用了前者作為主控制芯片。 （ 4）單片機在醫(yī)用設備領域中的應用 單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超 聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 （ 2）在家用電器中的應用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。單片機廣泛應用于家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專 用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇 [5]： 第 3 章系統(tǒng)硬件設計 5 （ 1）在工業(yè)控制中的應用 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)。 單片機的應用領域 目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。 （ 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。許多信號的通道均在一個芯片內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 （ 2）可靠性高 :因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC機。 其主要特點如下 : （ 1）片內(nèi)存儲容量較小 :原因是受集成度的限制。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。隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和普遍接受及應用， 51 單片機的發(fā)展又進入了以個新的階段。 51 系列單片機 是國 內(nèi)目前應用最廣泛的一種 8 位單片機之一 [3]。因此還可以讓小車設計實現(xiàn)循跡與避障兩個功能，讓小車在接收傳感器反饋信號的情況下，完成預想的任務。另外，為了能更方便的讓計算機與單片機通信，還要設計一種上位機軟件。 但單片機 不能 直接 驅(qū)動 步進電機，最好的解決方法是設計一種步進電機驅(qū)動器，由單片機控制驅(qū)動器，再由驅(qū)動器驅(qū)動步進電機。當步進驅(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。 其次，單片機包括很多種類，在大致了解單片機之后應該為設計選擇一款合適的單片機，之后再對這款單片機經(jīng)行深入研究，了解這款單片機的各項參數(shù)與內(nèi)部構(gòu)造，才能知道單片機與其他芯片的連接方法。 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。 基于單片機的步進電機小車 控制 系統(tǒng)設計 2 第 2 章 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)設計要求 基于單片機的步進電機小車系統(tǒng)，就是在單片機最小系統(tǒng)的基礎上，增加一些模塊，使單片機正常驅(qū)動步進電機，帶動小車執(zhí)行相應任務的同時，根據(jù)傳感器模塊的反饋，不斷修正，直到任務實現(xiàn)。 本次畢業(yè)設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，在此基礎上實現(xiàn)循跡、避障。它是用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移或線位移的微電動機 ，它最突出的優(yōu)點是可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制及制動等，并且用其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，又非?？尚?，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領域有著極其廣泛的應用。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、控制準確的特點 ， 在工業(yè)控制等領域取得更為廣泛的應用 [2]。 步進電機不需位移傳感器就可精確定位 ， 所以在精確定位系統(tǒng)中應用廣泛。 （ 4） 可以快速啟停。 （ 2） 位置誤差不會積累 。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]。 obstacle avoidance I 目 錄 第 1 章緒論 ......................................................................... 1 課題背景 ..................................................................... 1 課題研究的內(nèi)容 .............................................................. 1 第 2 章 系統(tǒng)總體設計 .............................................................. 2 系統(tǒng)設計要求 ................................................................ 2 系統(tǒng)框圖 ..................................................................... 2 設計規(guī)劃 ..................................................................... 2 第 3 章系統(tǒng)硬件設計 ................................................................ 4 單片機介紹 .............................................