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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)智能化控制
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本系統(tǒng)由電源管理模塊、STC89C52單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外避障傳感器、黑白線檢測(cè)傳感器、1602液晶顯示模塊、在線調(diào)試模塊組成。以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置，采用STC89C52作為主控制芯片，通過(guò)紅外避障傳感器和黑白線檢測(cè)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(duì)步進(jìn)電機(jī)做出指示，并將小車的行程和速度通過(guò)1602液晶顯示模塊顯示出來(lái)。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、 硬件電路的設(shè)計(jì) 1.1 總體設(shè)計(jì)方案 步進(jìn)電機(jī)智能化控制系統(tǒng)由電源管理模塊、STC89C52單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)模塊、紅外避障傳感器模塊、黑白線檢測(cè)傳感器模塊、1602液晶顯示模塊和串口通信模塊組成。實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋線和自動(dòng)避障功能，并且通過(guò)液晶顯示屏顯示出基本信息。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容是：1.電源管理模塊的設(shè)計(jì)2. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；3.實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的智能控制；4.紅外傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障； 5.檢測(cè)黑白線，實(shí)現(xiàn)尋線運(yùn)動(dòng)；6.異步串行通信模塊的設(shè)計(jì) 7.附加功能及輔助電路設(shè)計(jì)；8.制作電路板，硬件組裝，軟件編程。 1.2 電源模塊的設(shè)計(jì) 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(guò)以下途徑分別對(duì)弱電和強(qiáng)電進(jìn)行供電： 1.2.1 經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片LM7805穩(wěn)壓后，輸出5V電壓，分別給單片機(jī)、傳感器、液晶接口電路和驅(qū)動(dòng)邏輯部分供電。 1.2.2 經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片MIC29302穩(wěn)壓成5V給L298和電機(jī)供電 （MIC29302是低電壓將高電流驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)壓芯片最大峰值電流達(dá)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(jì) 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(shí)能夠自動(dòng)復(fù)位，當(dāng)程序跑飛時(shí)能將系統(tǒng)復(fù)位到初始狀態(tài)。 .4步進(jìn)電機(jī)的工作原理與技術(shù)參數(shù) 1.4.1 工作原理 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理如圖2所示，當(dāng)A相繞組通電時(shí)，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(gè)角度，則定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)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(jì)算公式：步進(jìn)電機(jī)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(jì)算公式：速度=行程/時(shí)間 1.4.2.3 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)作單步運(yùn)行時(shí)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸升高時(shí)，步進(jìn)電機(jī)所能帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值將逐步下降。 1.4.2.5 步進(jìn)電機(jī)電氣技術(shù)參數(shù)如表一所示： 表一 步進(jìn)電機(jī)電氣技術(shù)參數(shù) 產(chǎn)品型號(hào) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)電壓 步矩角 每相 電阻 每相 電感 轉(zhuǎn)子 齒數(shù) 相數(shù) SST420D1070 達(dá)林頓 驅(qū)動(dòng) 5.0（VDC） 1.8° 7.6Ω 6.8（mH) 50 2 1.4.2.6 步進(jìn)電機(jī)機(jī)械技術(shù)參數(shù)如表二所示： 表二 步進(jìn)電機(jī)機(jī)械技術(shù)參數(shù) 電機(jī) 身長(zhǎng) 電機(jī) 身寬 螺絲 口徑 軸徑 軸長(zhǎng) 質(zhì)量 保持轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 31mm 31mm 0.5mm 0.6mm 55mm 180（g） 186（mn-m） 27（g-cm3) 1.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用了L298作為驅(qū)動(dòng)芯片，其供電范圍可從3—24供電，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3A，因此可以滿足設(shè)計(jì)要求。 STC89C52通過(guò)P1口產(chǎn)生的八路PWM信號(hào)通過(guò)L298引腳L0—L3和R0—R3輸入，以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)相的電流。當(dāng)單片機(jī)P1口對(duì)應(yīng)的位輸出低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)對(duì)應(yīng)相VS與地導(dǎo)通，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角。只要P1口按照單雙八扒的觸發(fā)方式觸發(fā)，步進(jìn)電機(jī)便能旋轉(zhuǎn)起來(lái)，將觸發(fā)方式翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。P1口全給高電平就能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的制動(dòng)。MCU通過(guò)改變對(duì)應(yīng)IO口PWM的占空比就可以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。 1.6 傳感器電路設(shè)計(jì) 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(gè)發(fā)光二極管作為發(fā)送管，一個(gè)光敏三極管作為接收管，分別有一個(gè)精調(diào)電阻，來(lái)調(diào)節(jié)距離和靈敏度。循跡模塊是用來(lái)識(shí)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(shí)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(cè)。P_GD0，和P_GD1為TK黑白線檢測(cè)傳感器。這五個(gè)傳感器通過(guò)分別通過(guò)各自的輸出信號(hào)線與單片機(jī)端口相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的判別和對(duì)黑白線的檢測(cè)。 1.7 串行通信接口電路的設(shè)計(jì) 串行通信接口電路的作用是使STC89C52可以和PC機(jī)的RS—232串行接口連接并進(jìn)行通信 二.、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 2.1 避障部分軟件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)上電后，先對(duì)STC89C52單片機(jī)端口、相關(guān)寄存器等進(jìn)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(shí)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(duì)P3.2、P3.3、P3.4口進(jìn)行循環(huán)掃描，以判斷外部傳感器的工作狀況，實(shí)時(shí)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(jī)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(wú)障礙物時(shí)，P3.3口返回高電平時(shí)，小車往前走。當(dāng)小車前面與左邊有障礙物時(shí)，單片機(jī)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(shí)，單片機(jī)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(shí)，單片機(jī)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(jì) 系統(tǒng)上電后，先對(duì)STC89C52單片機(jī)端口、相關(guān)寄存器等進(jìn)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(shí)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(duì)P3.5、P3.6口進(jìn)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(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)擴(kuò)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(diǎn)最近的點(diǎn)，然后自動(dòng)尋線。 進(jìn)入尋線模式后，當(dāng)小車沒(méi)有檢測(cè)到黑線時(shí)，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(cè)到黑線時(shí)，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(cè)到黑線時(shí)，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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本項(xiàng)目最大的創(chuàng)新點(diǎn)是電源模塊的設(shè)計(jì)：由于步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為SST42D1070重量大，耗電量大。同時(shí)電機(jī)是感性負(fù)載且工作在單雙八拍的模式下，會(huì)造成供電部分電壓的波動(dòng)，影響單片機(jī)和傳感器的正常工作。在此情形下，我們有意地將強(qiáng)電和弱電部分分離開來(lái)，用7.2V鎳鎘電池經(jīng)LM7805穩(wěn)壓后給單片機(jī)、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(jìn)電機(jī)供電，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 創(chuàng)新點(diǎn)之二是我們?cè)谝酝布O(shè)計(jì)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(jìn)性
- 本項(xiàng)目最大的創(chuàng)新點(diǎn)是電源模塊的設(shè)計(jì)：由于步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為SST42D1070重量大，耗電量大。同時(shí)電機(jī)是感性負(fù)載且工作在單雙八拍的模式下，會(huì)造成供電部分電壓的波動(dòng)，影響單片機(jī)和傳感器的正常工作。在此情形下，我們有意地將強(qiáng)電和弱電部分分離開來(lái)，用7.2V鎳鎘電池經(jīng)LM7805穩(wěn)壓后給單片機(jī)、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(jìn)電機(jī)供電，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 創(chuàng)新點(diǎn)之二是我們?cè)谝酝布O(shè)計(jì)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(jiǎng)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(shí)踐項(xiàng)目 2010年湘南學(xué)院第四屆挑戰(zhàn)杯二等獎(jiǎng)
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(shí)物和演示文檔
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 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(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。尋跡避障小車可以看作是縮小化的智能汽車，它實(shí)現(xiàn)的基本功能是沿著指定軌道自動(dòng)尋跡行駛和避開周圍的障礙物。
同類課題研究水平概述
- 無(wú)
