【正文】 子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間 的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動步的角度一般是 。它的出力大，動態(tài)性能好；但步距角一般比較大。 （ 3） 混合步進(jìn)電動機(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)。此類電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較 好的一類步進(jìn)電動機(jī)，在計算機(jī)相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機(jī)。 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計 14 永磁 步進(jìn)電機(jī) 的控制 在本設(shè)計中，我們以常用的永磁式步進(jìn)電機(jī)為例。來介紹如何用單片機(jī)控制步進(jìn) 電機(jī)。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，四組線圈的一個端點連在一起引出，這樣一共有 5 根引出線。要使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，只要輪流給各引出端通電即可。將 COM 端標(biāo)識為 C，只要 AC、 AC、 BC、 B C，輪流加電就能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)，加電的方式 可以有多種，如果將 COM 端接正電源，那么只要用開關(guān)元件（如三極管） ，將 A、 A、 B、 B 輪流接地。表 列出了該電機(jī)的一些典型參數(shù)： 表 35BY 型永磁步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 型號 步距角 相數(shù) 電壓 電流 電阻 最大靜轉(zhuǎn)距 定位轉(zhuǎn)距 轉(zhuǎn)動慣量 35BY48S03 4 12 47 180 65 有了這些參數(shù)，不難設(shè)計出控制電路，因其工作電壓為 12V，最大電流為 ， 因 此用一塊開路輸出達(dá)林頓驅(qū)動器（ ULN2803）作為驅(qū)動，通過 ~ 來控制各線圈的接通與切斷。開機(jī)時， ~ 均為高電平，依次將 ~ 切換為低電平即可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運行，注意在切換之前將前一個輸出引腳變?yōu)楦唠娖?。如果要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度只要改變兩次接通之間的時間，而要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，只要改變各線圈接通的順序。改變轉(zhuǎn)速，只要改變 ~ 輪流變低電平的時間即可達(dá)到要 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 求，這個時間不應(yīng)采用延時來實現(xiàn)，因為會影響到其他功能的實現(xiàn)。這里以定時的方式來實現(xiàn)。下 面首先計算一下定時時間。 按要求，最低轉(zhuǎn)速為 20 轉(zhuǎn) /分，而上述步進(jìn)電機(jī)的步距角為 ，即每 48 個脈沖為 1 周，即在最低轉(zhuǎn)速時，要求為 960 脈沖/分，相當(dāng)于 。而在最高轉(zhuǎn)速時，要求為 100 轉(zhuǎn) /分，即 48000 脈沖 /分，相當(dāng)于 ?？梢粤谐鱿卤?： 表中不僅計算出了 TH0 和 TL0，而且還計算出了在這個定時常數(shù)下，真實的定時時間，可以根據(jù)這個計算值來估算真實速度與理論速度的誤差值。 表中 TH0 和TL0 是根據(jù)定時時間算出來的定時初值，這里用到的晶振 是 12M。有了上述表格，程序就不難實現(xiàn)了，使用定時 /計數(shù)器 T0 為定時器，定時時間到后切換輸出腳即可。 與直流電機(jī)的比較 輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的 電機(jī) 。當(dāng)它作電動機(jī)運行時是直流電動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運行時是 直流發(fā)電機(jī) ，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。 在此我們只討論直流電動機(jī)。 表 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定時器定時常數(shù)關(guān)系 轉(zhuǎn)速 單步時間 (ms) TH0 TL0 20 1F 0 21 29 B6 22 33 74 23 3C 59 24 44 80 25 50 4C 0 26 52 EC 27 59 55 28 5F 49 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計 16 (1)直流電動機(jī)的分類 直流電機(jī)的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的 問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類型： ① 他勵直流電機(jī) 勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵直流電機(jī)，永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī)。 ② 并勵直流電機(jī) 并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián) 。 作為并勵發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機(jī)來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直 流電動機(jī)相同。 ③ 串勵直流電機(jī) 串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源。這種直流電機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。 ④ 復(fù)勵直流電機(jī) 復(fù)勵直流電機(jī)有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。 （ 2） 直流電動機(jī)的特點 ① 調(diào)速性能好 所謂 “調(diào)速性能 ”，是指電動機(jī)在一定負(fù)載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。 ② 起動力矩大 可以均勻而經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負(fù)載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷揚機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都用直流電動機(jī)拖動。 ③ 可逆運行 當(dāng) 直流電 動機(jī)驅(qū)動電樞繞組在主磁極 N、 S 之間旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組上感生出電動勢，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載（或電網(wǎng)），對外供電，此時直流電動機(jī)可 作 為 直流發(fā)電機(jī)運行。 （ 3） 直流電動機(jī)的工作原理 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 大致應(yīng)用了 “通電導(dǎo)體在磁場中受力的作用 ”的原理，勵磁線圈兩個端線 通 有相 反方向的電流，使整個線圈產(chǎn)生繞軸的扭力，使線圈轉(zhuǎn)動。要使電樞受到一個方向不變的電轉(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地加以變換， 即進(jìn)行所謂 ―換向 ‖。 為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器配合電刷可保證每個極下線圈邊中電流始終是一方向，就可以使電動機(jī)能連續(xù)的旋轉(zhuǎn) ,這就是直流電動機(jī)的工作原理。 轉(zhuǎn)動方向控制 ， 轉(zhuǎn)動方向控制有兩種方法：改變磁場方向；改變電流方向（即改 變電源的正負(fù)極）。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 （ 1） 本系統(tǒng)的設(shè)計目的為了高效控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，因此需要將脈沖轉(zhuǎn)化為步進(jìn)角度，才能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，我們在這里采用 ULN2803 為步進(jìn)電 機(jī)提供脈沖信號。 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。廣泛用于計算機(jī)，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。 ULN2803 的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn) TTL 系列兼容。它的管腳連接圖如 下 圖 所示 : 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的工作過程是：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) 連接的四個管腳中只有一個管腳處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他管腳處于斷開狀態(tài)。這樣就使得與 ULN2803 連接的步進(jìn)電機(jī)只有一個引出端導(dǎo)通。通過循環(huán)左移或右移 P1 口的輸出值，輪流給步進(jìn)電機(jī)各引腳輸 出端通電，即可實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計 18 圖 ULN2803 管腳連接圖 （ 2） 驅(qū)動電路設(shè)計 驅(qū)動電路的性能直接關(guān)系到步進(jìn)電機(jī)走步的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。本電路 采用驅(qū)動芯片ULN2803。 ULN2803 是一種 大電流高電壓型器件 ，外電路簡單 ，如圖 圖 驅(qū)動電路 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 4 外圍模塊 光電尋跡模 塊 圖 所示電路中， R3 起限流電阻的作用，當(dāng)有光反射回來時，光電對管中的三極管導(dǎo)通， R4 的上端變?yōu)楦唠娖剑藭r VT1 飽和導(dǎo)通，三極管集電極輸出低電平。 當(dāng)沒有光反射回來時，光電對管中的三極管不導(dǎo)通， VT1 截至，其集電極輸出高 電平。 而且經(jīng)試驗驗證給此電路供電的電池的壓降較小。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。此光電對管電路簡單，工作性能穩(wěn)定。 圖 4. 1 光電循跡電路檢測 金屬探測傳感器模塊 如下 圖 所示電路中，我們選用型號： LJKD4N 金 屬探測傳感器，將其檢測面對準(zhǔn)運行路面，當(dāng)小車距離金屬塊 20mm~30mm 時，輸出一個低電平信號，然后送至 單 片機(jī) ,查詢判斷后控制電動機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)動作，使小車車速減慢，并可進(jìn)行聲光提示。 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計 20 本模塊操作簡單，準(zhǔn)確且抗干擾性能越優(yōu)。 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， 是一個電壓比較器。 利用一管發(fā)射一管接收，接 收 管對外界紅外線的接收有無來判斷障礙物，這種方式干擾小，而且易于實現(xiàn)。 由于紅外線受到外界可見光的影響較大，因此用 38KHz 調(diào)制信號，紅 外發(fā)射二極管發(fā)射紅外線，在沒有遇到障礙物時會輸出一個高電平信號，送至單片機(jī)中 ，如 果遇到障礙物后，光線反射回來，接收的光電二極管就會導(dǎo)通，這時候就會輸出一個低電平，送至單片機(jī) 圖 紅外避障檢測電路 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 LED 數(shù)碼顯示電路 發(fā)光二極管 LED 是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。 LED 數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的 1 種新型顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。 LED 數(shù)碼顯示器是 1 種由 LED 發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了 8 個 LED 發(fā)光二極管，其中 7 個用于顯示字符， 1 個用于顯示小數(shù)點。 LED 數(shù)碼顯示器 有兩種連接方法： （ 1）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽 極接 +5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平時，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入高電平時則不點亮。 （ 2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極端輸入高電平時，段發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入低電平時則不點亮。 在本設(shè)計中所采用的是共陽極 LED 數(shù)碼顯示器， 如下圖 ： 圖 LED 數(shù)碼顯示器 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計 22 鍵盤控制 電路 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實質(zhì)是一組按鍵開關(guān)的集合。鍵盤所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點的合、斷作用。 一個電壓信號在機(jī)械觸點的斷開、閉合過程中，都會產(chǎn)生抖動，一般為 5—10ms；兩次抖動之間為穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態(tài)。 按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。在本設(shè)計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。并且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應(yīng)增加了發(fā)光二極管，按鍵斷開時，發(fā)光二極管滅，當(dāng)有鍵閉合時，相應(yīng)的發(fā)光二極管變亮。 為了確保單片機(jī)對一次按鍵動作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動通常采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計中沒有采 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。其原理是在第一 次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時 10ms 的子程序后在確 認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平， 如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影 圖 鍵盤控制電路 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 LCD 顯示電路 采用型號為 LCD1602 的液晶顯示器進(jìn)行小車行車時間和行程的顯示，其電路如 下圖 所示。 圖 LCD 顯示電路 基于步進(jìn)電機(jī)的智能小車設(shè)計 24 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 主程序流程圖 本設(shè)計的主設(shè)計流程圖如 下 圖 所示，當(dāng)接通電源時，必須按下啟動按鍵小車才能運動，在行駛過程中，結(jié)合查詢方式查詢小車是否偏離黑線，并根據(jù)偏離方向執(zhí)行 相應(yīng)的控制程序；若 為低電平，測探測到金屬，執(zhí)行對應(yīng)的報警程序；當(dāng)檢測到障礙物時，會產(chǎn)生中斷，執(zhí)行對應(yīng)的避障程序。 N Y Y N