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基本信息
- 項目名稱：
- 步進電機的單片機智能化控制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本系統(tǒng)由電源管理模塊、STC89C52單片機、步進電機驅(qū)動模塊、紅外避障傳感器、黑白線檢測傳感器、1602液晶顯示模塊、在線調(diào)試模塊組成。以步進電機作為動力裝置，采用STC89C52作為主控制芯片，通過紅外避障傳感器和黑白線檢測傳感器的協(xié)同工作，將采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控制芯片分析處理后對步進電機做出指示，并將小車的行程和速度通過1602液晶顯示模塊顯示出來。
- 詳細介紹：
- 一、 硬件電路的設(shè)計 1.1 總體設(shè)計方案 步進電機智能化控制系統(tǒng)由電源管理模塊、STC89C52單片機、步進電機模塊、紅外避障傳感器模塊、黑白線檢測傳感器模塊、1602液晶顯示模塊和串口通信模塊組成。實現(xiàn)小車自動尋線和自動避障功能，并且通過液晶顯示屏顯示出基本信息。本系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容是：1.電源管理模塊的設(shè)計2. 步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計；3.實現(xiàn)單片機對步進電機的智能控制；4.紅外傳感器檢測電路的設(shè)計，實現(xiàn)自動避障； 5.檢測黑白線，實現(xiàn)尋線運動；6.異步串行通信模塊的設(shè)計 7.附加功能及輔助電路設(shè)計；8.制作電路板，硬件組裝，軟件編程。 1.2 電源模塊的設(shè)計 電源由7.2 V的鎳鎘電池供電，其供電原理圖如圖2所示，并經(jīng)過以下途徑分別對弱電和強電進行供電： 1.2.1 經(jīng)過穩(wěn)壓芯片LM7805穩(wěn)壓后，輸出5V電壓，分別給單片機、傳感器、液晶接口電路和驅(qū)動邏輯部分供電。 1.2.2 經(jīng)過穩(wěn)壓芯片MIC29302穩(wěn)壓成5V給L298和電機供電 （MIC29302是低電壓將高電流驅(qū)動的穩(wěn)壓芯片最大峰值電流達3A） 1.2.3 備用電池部分以供調(diào)試之需 1.3 主控制器設(shè)計 該部分是邏輯電路的核心，也是最小系統(tǒng)部分。其中包括晶振電路，采用了12M的外部晶振頻率；復(fù)位電路部分，在系統(tǒng)上電時能夠自動復(fù)位，當(dāng)程序跑飛時能將系統(tǒng)復(fù)位到初始狀態(tài)。 .4步進電機的工作原理與技術(shù)參數(shù) 1.4.1 工作原理 步進電機的運行原理如圖2所示，當(dāng)A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置如圖4（a）所示。若使轉(zhuǎn)子偏離這一位置，如轉(zhuǎn)子向右偏離了一個角度，則定轉(zhuǎn)子齒的相對位置及作用轉(zhuǎn)矩的方向 1.4.2 技術(shù)參數(shù) 1.4.2.1 小車行程近似計算公式：步進電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)=counts*小車輪子的直徑*3.14 1.4.2.2 小車速度近似計算公式：速度=行程/時間 1.4.2.3 步進電機步矩角：?=360°/（2mZ） (m為相數(shù)，Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)) 1.4.2.4 矩頻特性 步進電機作單步運行時的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 ，但當(dāng)控制脈沖的頻率逐漸增加，步進電機的轉(zhuǎn)速逐漸升高時，步進電機所能帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值將逐步下降。 1.4.2.5 步進電機電氣技術(shù)參數(shù)如表一所示： 表一 步進電機電氣技術(shù)參數(shù) 產(chǎn)品型號 驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動電壓 步矩角 每相 電阻 每相 電感 轉(zhuǎn)子 齒數(shù) 相數(shù) SST420D1070 達林頓 驅(qū)動 5.0（VDC） 1.8° 7.6Ω 6.8（mH) 50 2 1.4.2.6 步進電機機械技術(shù)參數(shù)如表二所示： 表二 步進電機機械技術(shù)參數(shù) 電機 身長 電機 身寬 螺絲 口徑 軸徑 軸長 質(zhì)量 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動慣量 31mm 31mm 0.5mm 0.6mm 55mm 180（g） 186（mn-m） 27（g-cm3) 1.5 步進電機驅(qū)動模塊的設(shè)計 電機驅(qū)動采用了L298作為驅(qū)動芯片，其供電范圍可從3—24供電，最大驅(qū)動電流可達3A，因此可以滿足設(shè)計要求。 STC89C52通過P1口產(chǎn)生的八路PWM信號通過L298引腳L0—L3和R0—R3輸入，以調(diào)節(jié)步進電機對應(yīng)相的電流。當(dāng)單片機P1口對應(yīng)的位輸出低電平時，步進電機對應(yīng)相VS與地導(dǎo)通，電機旋轉(zhuǎn)一個步進角。只要P1口按照單雙八扒的觸發(fā)方式觸發(fā)，步進電機便能旋轉(zhuǎn)起來，將觸發(fā)方式翻轉(zhuǎn)過來就能實現(xiàn)步進電機的反轉(zhuǎn)。P1口全給高電平就能實現(xiàn)步進電機的制動。MCU通過改變對應(yīng)IO口PWM的占空比就可以調(diào)節(jié)步進電機的調(diào)速。 1.6 傳感器電路設(shè)計 我們選擇光電傳感器作為循跡傳感器。其工作原理如圖6所示一個發(fā)光二極管作為發(fā)送管，一個光敏三極管作為接收管，分別有一個精調(diào)電阻，來調(diào)節(jié)距離和靈敏度。循跡模塊是用來識別黑白線的，黑線輸出高電平，白線輸出高電平。循跡模塊一般識別距離為0-3cm。 P-RE0,P-RE1,P-RE2為E18-D80NK 紅外避障傳感器，該傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，主要用于障礙物的檢測。P_GD0，和P_GD1為TK黑白線檢測傳感器。這五個傳感器通過分別通過各自的輸出信號線與單片機端口相連接，實現(xiàn)對障礙物的判別和對黑白線的檢測。 1.7 串行通信接口電路的設(shè)計 串行通信接口電路的作用是使STC89C52可以和PC機的RS—232串行接口連接并進行通信 二.、系統(tǒng)軟件設(shè)計 2.1 避障部分軟件的設(shè)計 系統(tǒng)上電后，先對STC89C52單片機端口、相關(guān)寄存器等進行初始化，避障傳感器正常工作，液晶顯示屏準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，主控制芯片將小車行駛路程、時間和速度數(shù)字化處理后，以字符形式顯示在1602液晶顯示屏上。隨后MCU對P3.2、P3.3、P3.4口進行循環(huán)掃描，以判斷外部傳感器的工作狀況，實時反映路面狀況。其工作原理如下所敘。 左邊紅外傳感器與單片機的P3.2口相連，中間紅外傳感器與P3.3口連，右邊紅外傳感器與P3.4口相連。當(dāng)前面無障礙物時，P3.3口返回高電平時，小車往前走。當(dāng)小車前面與左邊有障礙物時，單片機P3.3和P3.4端口返回低電平，小車向右轉(zhuǎn)90度；當(dāng)小車前方和右方有障礙物時，單片機P3.3和P3.2端口返回低電平，小車向左轉(zhuǎn)90度；當(dāng)小車前方、左方和右方有障礙物時，單片機P3.2、P3.3、P3.4端口返回低電平，小車向反轉(zhuǎn)180度。 2．2循跡部分軟件的設(shè)計 系統(tǒng)上電后，先對STC89C52單片機端口、相關(guān)寄存器等進行初始化，循跡傳感器正常工作，液晶顯示屏準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，主控制芯片將小車行駛路程、時間和速度數(shù)字化處理后，以字符形式顯示在1602液晶顯示屏上。隨后MCU對P3.5、P3.6口進行循環(huán)掃描，以判斷外部傳感器的工作狀況，右邊光電傳感器與P3.5口相連，左邊傳感器與P3.6相連，工作原理如下所敘。 系統(tǒng)初始化設(shè)定小車的尋線范圍，當(dāng)在設(shè)定尋線范圍內(nèi)未找到黑線時，系統(tǒng)自動擴大尋線范圍，直到找到黑線為止。找到黑線后尋找離出發(fā)點最近的點，然后自動尋線。 進入尋線模式后，當(dāng)小車沒有檢測到黑線時，P3.5和P3.6端口保持低電平，小車往前走；當(dāng)小車左側(cè)黑白尋線傳感器檢測到黑線時，P3.6返回高電平，小車向左偏轉(zhuǎn)7.2度；當(dāng)小車右側(cè)黑白尋線傳感器檢測到黑線時，P3.6返回高電平，小車向右偏轉(zhuǎn)7.2度。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本項目最大的創(chuàng)新點是電源模塊的設(shè)計：由于步進電機型號為SST42D1070重量大，耗電量大。同時電機是感性負(fù)載且工作在單雙八拍的模式下，會造成供電部分電壓的波動，影響單片機和傳感器的正常工作。在此情形下，我們有意地將強電和弱電部分分離開來，用7.2V鎳鎘電池經(jīng)LM7805穩(wěn)壓后給單片機、傳感器和1602液晶供電；7.2V鎳鎘電池經(jīng)MIC29302穩(wěn)壓后給L298和步進電機供電，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 創(chuàng)新點之二是我們在以往硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上加上了異步串行通信模塊（MAX232），提高了程序調(diào)試的靈活性，縮短了開發(fā)周期。
科學(xué)性、先進性
- 本項目最大的創(chuàng)新點是電源模塊的設(shè)計：由于步進電機型號為SST42D1070重量大，耗電量大。同時電機是感性負(fù)載且工作在單雙八拍的模式下，會造成供電部分電壓的波動，影響單片機和傳感器的正常工作。在此情形下，我們有意地將強電和弱電部分分離開來，用7.2V鎳鎘電池經(jīng)LM7805穩(wěn)壓后給單片機、傳感器和1602液晶供電；7.2V鎳鎘電池經(jīng)MIC29302穩(wěn)壓后給L298和步進電機供電，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 創(chuàng)新點之二是我們在以往硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上加上了異步串行通信模塊（MAX232），提高了程序調(diào)試的靈活性，縮短了開發(fā)周期。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實踐項目 2010年湘南學(xué)院第四屆挑戰(zhàn)杯二等獎
作品所處階段
- 結(jié)題階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 洽談
作品可展示的形式
- 實物和演示文檔
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來汽車發(fā)展的趨勢。尋跡避障小車可以看作是縮小化的智能汽車，它實現(xiàn)的基本功能是沿著指定軌道自動尋跡行駛和避開周圍的障礙物。
同類課題研究水平概述
- 無
