【正文】 5）實(shí)用性好 :體積小 ,功耗低 ,價(jià)格便宜 ,易于產(chǎn)品化。 因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。例如工廠流水線的智能化管 理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 （ 3）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù) 據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī) 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(shí)現(xiàn)了單片機(jī) 智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車(chē)無(wú)線通信、 再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。此外，單片機(jī)在工商、金融、科研、教育、國(guó)防航空航 天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的是 STC89C52 單片機(jī)作為主處理芯片。它的主要功能特性如下 [6]： MCS51 指令系統(tǒng) 可反 復(fù)擦寫(xiě) (大于 1000 次） Flash ROM； 個(gè)雙向 I/O 口； 內(nèi)部 RAM； 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷； 024MHz； 個(gè)串行中斷，可編程 UART 串行通道； 個(gè)外部中斷源，共 8 個(gè)中斷源； 個(gè)讀寫(xiě)中斷口線， 3 級(jí)加密位； ，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能； PDIP、 PQFP、 TQFP 及 PLCC 等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能時(shí)所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng) [7]。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如下： C1 的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí) 間，一般采用 10~30uF，單片機(jī)最小系統(tǒng)容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。 C C3 一般采用 15~33pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好，不會(huì)受到電路的干擾。但只有信號(hào)不能驅(qū)動(dòng)外加模塊，因此在外接引腳的旁邊另接一排同樣數(shù)量引腳的排母，并且接 5V 的電源，與同樣數(shù)量的接地的排母。但眾所周知，電池在放電 過(guò)程中 ,電壓會(huì)隨著時(shí)間減小 ,運(yùn)行過(guò)程中電壓會(huì)漸漸達(dá)不到要求 ,而充滿電時(shí)電壓又 過(guò)高 ,如圖 35 所示，而單片機(jī)的工作電壓最好為 5V，如果不進(jìn)行降壓穩(wěn)壓處理，會(huì)對(duì)單片機(jī)造成損害 ,故要在電源與單片機(jī)之間加穩(wěn)壓芯片。在最大輸出電流時(shí)， AMS1117 器件的壓差保證最大不超過(guò) ，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。 AMS1117 器件引腳上兼容其他三端 SCSI 穩(wěn)壓器，提供適用貼片安裝的 SOT223， 8引腳 SOIC，和 TO252(DPAK)塑料封裝。對(duì)于固電壓版本，可采用更小的電容，具體可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定。 單片機(jī)需要 5V 的穩(wěn)定電壓，故選擇 AMS1117 的芯片經(jīng)行降壓，芯片的 1 管腳接電池的正極， 2 管腳接單片機(jī)的 VCC 端， 3 管腳與電池的負(fù)極與單片機(jī) GND 相連并接基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)小車(chē) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 地。如圖 36 所示。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。 步進(jìn)電機(jī)也是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)有以下特點(diǎn) [11]： 1．不需要反饋，控制簡(jiǎn)單。 3．沒(méi)有角累積誤差。 5．沒(méi)有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價(jià)較低。 7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動(dòng)。 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 8．難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩 不宜用作高速轉(zhuǎn)動(dòng) 10．在體積重量方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低。 SA 通電時(shí) A 磁極接通，產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子 2 靠近磁極 A；之后 SA 斷開(kāi)， SB 接通，產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子 3 靠近磁極 B；接著 SB斷開(kāi)， SC 接通產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子 4 靠近磁極 C，周而復(fù)始電機(jī)就會(huì)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)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]。因此 ,步進(jìn)電機(jī)可工作于單相通電 ,雙相通電 ,以及雙相交叉通電 [13]。兩相繞組 同時(shí)通電時(shí) ，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生引力。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì) 常用的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片有兩種，一種是 L297，另一種是 L298n[14]。一般的控制芯片起到控制作用，但是驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，而電機(jī)（不單是步進(jìn)電機(jī)）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(dòng)電機(jī)。 L297是意大利 SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生 4相控制信號(hào)，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。如圖 37 所示。在電路圖中 in in2 與 in3 是分別接收由單片機(jī)輸出的信號(hào)的端口， in1 接收使能控制信號(hào)， in2 接收方向控制信號(hào)， in3 接收時(shí)鐘控制信號(hào)， in in2 與 in3 分別與單片機(jī)的 P1^0、P1^ P1^2 口相連。 out out out3 與 out4 分別是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的四個(gè)輸出口，為了步進(jìn)電機(jī)能按要求轉(zhuǎn)動(dòng)，這四個(gè)輸出口因該按順序與步進(jìn)電機(jī)的四條引線相連。 表 31 電機(jī)正轉(zhuǎn)表 A+ B+ A B 驅(qū)動(dòng)器輸 1 1 0 0 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 出電平 正轉(zhuǎn) 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 表 32 電機(jī)反轉(zhuǎn)表 A+ B+ A B 驅(qū)動(dòng)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(jì) 循跡功能 循跡功能是步進(jìn)電機(jī)小車(chē)沿著一條黑色固定軌跡前進(jìn)的功能，小車(chē)跟隨軌跡就要用到光電傳感器。 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(cè)電路。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。 光電傳感器是一種能進(jìn)行非接觸檢測(cè)的傳感器 ， 其具有檢測(cè)范圍廣 、 檢測(cè)距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn) 。對(duì)環(huán)境條件要求不嚴(yán)格 , 如高溫區(qū)域、被檢物半透明 時(shí)均能正確檢測(cè) , 但不適宜用在潮濕結(jié)露或灰塵很大的場(chǎng)合。 被檢物與背景的色差如何周?chē)h(huán)境光強(qiáng)如何，是否存在自然光或人工照明檢測(cè)線路上是否有灰塵，灰塵會(huì)大大減小光電傳感器的檢測(cè)距離。在本設(shè)計(jì)中用到的是反射式檢測(cè)。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)小車(chē) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 TCRT5000 光電傳感器模塊是基于 TCRT5000 紅外光電傳感器設(shè)計(jì)的一款紅外反射式光電開(kāi)關(guān)。 應(yīng)用場(chǎng)合： 圖 39 光電傳感器 如圖 39，光電傳感器的發(fā)射頭在小車(chē)行駛過(guò)程中以一定角度范圍不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)小車(chē)在白色地面行駛 時(shí)，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(hào)，輸出端將輸出低電平；當(dāng)小車(chē)行駛到黑線時(shí)，由于黑色對(duì)光吸收強(qiáng)，接收管接收到紅外光少，接收管沒(méi)有導(dǎo)通，集電極在上拉電阻的作用下輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)黑線的功能。如圖 310 所示。設(shè)高電平為 1，低電平為 0。 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(cè)距離遠(yuǎn) (最遠(yuǎn)可達(dá)到 80 cm)、受可見(jiàn)光干擾小、體 積小、功耗低、應(yīng)用方便等特點(diǎn) .而且它檢測(cè)障礙物的距離可以根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)尾部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，非常適用于小車(chē)避障 . 在本設(shè)計(jì)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(cè)到的開(kāi)關(guān)信號(hào)直接送入單片機(jī)處理即可，無(wú)障礙物時(shí)傳感器輸出高電平，有障礙物時(shí)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(jì)中為避障功能設(shè)計(jì)了三個(gè)紅外傳感器，分別放置在車(chē)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(chē)的前方任何范圍，提高小車(chē)反應(yīng)及增強(qiáng)避障的能力。下圖是傳感器的驅(qū)動(dòng)及接受電路，其中偵測(cè)前方障礙的距離，可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，經(jīng)比較處理后，將對(duì)應(yīng)的電壓輸出給紅外發(fā)射管，達(dá)到調(diào)節(jié)距離的目的。 上位機(jī)電路設(shè)計(jì) 對(duì)于一些需要計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通信的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，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(jìn)行調(diào)試，很多儀器必須通過(guò)串口進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換 [17]。 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(gè)串口，解決無(wú)串口的苦惱 [18]。它可以穩(wěn)定下載，并可以支持多種操作系統(tǒng)。 這是 PL2303 芯片開(kāi)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 。為了防止高速信號(hào)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(gè)阻值為 18Ω左右的終端匹配電阻。此外考慮到防止 USB 口短路問(wèn)題，串入 R24，從而保護(hù) USB 口 [19]。 這個(gè)模塊的接 線如下： 1. 地連接，要將 PL2303 的 GND 與單片機(jī)的 GND 共地； 2. PL2303 芯片的 TXD 管腳與單片機(jī)的 管腳連接 ； 3. PL2303 芯片的 RXD 管腳與單片機(jī)的 管腳連接 ； 4. 電腦端的 USB 電源作為單片機(jī)系統(tǒng)的電源。下載的步驟如下 ： 1. 選擇 STC 單片機(jī)型號(hào)（ STC89C52）。 3. 下載串口選擇。 在下載完程序之后，單片機(jī)就可以按設(shè)想運(yùn)行了。 具體程序見(jiàn)附錄Ⅰ。例如 cw_left=1 可使電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，只要將旋轉(zhuǎn)的子函數(shù)中 cw_left=0，電機(jī)就變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)小車(chē) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 } 方向控制子函數(shù)： void move_left(uint speed_l,uchar cw,uchar en) { speed=speed_l。 } else { cw_left=0。 } else { en_left=0。之后 n 被置為 0，重新開(kāi)始累加，進(jìn)入下一輪循環(huán)。 void timer1_serve() interrupt 3 { TH1=(65536100)/256。 n=n+1。 clk_right=~clk_right。 } 循跡 動(dòng)作表 由光電傳感器的自身構(gòu)造可知檢測(cè)到黑色物體時(shí)輸出為高電平 ,檢測(cè)到白色物體時(shí)輸出為低電平。具體 具體程序見(jiàn)附錄Ⅰ。具體 具體程序見(jiàn)附錄Ⅰ。既然是轉(zhuǎn)彎，則轉(zhuǎn)彎的過(guò)程要消耗一定時(shí)間，因此在程序中加入了 delay()這個(gè)延時(shí)子程序，延時(shí)越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎角度越大。 delay(400)是轉(zhuǎn) 90176。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)小車(chē) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 開(kāi) 始初 始 化啟 動(dòng) 小 車(chē) 前 行是 否 遇 到 障 礙前 方 有 障 礙避 前 方 障礙 子 程 序右 前 方 有 障 礙左 前 方 有 障 礙避 右 前 方 障礙 子 程 序避 左 前 方 障礙 子 程 序NY是 否 結(jié) 束NY結(jié) 束 圖 42 避障流程圖 第 5 章總結(jié)與展望 23 第 5 章總結(jié)與展望 總結(jié) 本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了 STC89C52 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，由電機(jī)的基本正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，到小車(chē)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，再到最后根據(jù)傳感器的反饋控制步進(jìn)電機(jī)小車(chē)進(jìn)行循跡與避障，并為實(shí)現(xiàn)這些功能設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路與上位機(jī)電路，最終實(shí)現(xiàn)了任務(wù)。讓我對(duì)單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)有了更深的認(rèn)識(shí)，并將其緊密結(jié)合在一起，鍛煉了自己獨(dú)立處理問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)要一絲不茍 ，要以積極的態(tài)度對(duì)待問(wèn)題，不能有僥幸心理，一但遇到問(wèn)題，必須嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)待，所以我學(xué)到了課本上沒(méi)有的知識(shí)。 展望 克服了很多困難之后，雖然勉強(qiáng)完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，但其中還是存在許多不足，例如：沒(méi)有考慮到小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中，由于打滑對(duì)行進(jìn)的影響；沒(méi)有精確測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速與小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中的速度，同時(shí)反饋給單片機(jī)經(jīng)行調(diào)節(jié)；避障距離不夠精確，只能由肉眼設(shè)定，如果用其他更先進(jìn)的傳感器或者避障理論，是否可以經(jīng)行精確避障；使用的元器件是否可以更精確等等， 這都是值得注意的地方。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)小車(chē) 控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 參考文獻(xiàn) [1]劉寶廷 .步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) [M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1997 [2]陳理壁 .步進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用 [M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， [3]宏晶科技 STC89C51 芯片技術(shù)資料 .： // [4]郭文川 .單片機(jī)原理與接口技術(shù) [M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社， [5]李蒙 .毛建東 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M].中國(guó)輕工業(yè)出版社， [6]張友德，趙志英，涂時(shí)亮 .單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)（第三版） [M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版