基于步进电机的智能小车设计_学士学位论文(编辑修改稿)

基于步进电机的智能小车设计_学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。 采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。 随着技术和工艺水平的提高，又出现了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS工艺。 CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。 目前生产的 CHMOS 电路已达到 LSTTL 的速度，传输延迟时间小于 2ns，它的综合优势已在于 TTL 电路。 因而，在单片机领域CMOS 正在逐渐取代 TTL 电路。 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。 在单片机家族中， 8051 系 列是其中的佼佼者，加之 Intel公司将其 MCS –51 系列中的 8051 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 IC 制造厂商，如 Philips、 NEC、 Atmel、 AMD、华邦等，这些公司都在保持与 8051 单片机兼容的基础上改善了 8051 的许多特性。 这样， 8051 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为 8051 系列。 8051 单片机已成为单片机发展的主流。 专家认为，虽然世界上的 MCU 品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明， 8051 可能最终形成事实上的标准 MCU 芯 片。 单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把 CPU、存储器、定时器和多种输入 /输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。 就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。 单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。 其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址， CPU 太原工业学院毕业设计（论文） 7 通过它们将地址输出到存储器或 I/O 接口；数据总线的作用是在 CPU 与存储器或I/O 接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括 CPU 发出的控制信号线和外部送入 CPU 的应答信号线等。 单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。 根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型 /专用型、总线型 /非总线型及工控型 /家电型。 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。 它的应用遍及各个领域 ，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。 另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。 从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。 这种软件代替硬件的 控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 单片机芯片 AT89S51 为 ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，其内部程序代码容量为 4KB。 （ 1） AT89S51 主要功能列举如下： 为一般控制应用的 8 位单芯片 ； 晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz） ； 内部程式存储器（ ROM）为 4KB； 内部数据存储器（ RAM）为 128B； 外部程序存储器可扩充至 64KB； 外部数据存储器可扩充至 64KB； 32 条双向输入输出线，且每条均可以单 独做 I/O 的控制 ； 5 个中断向量源 ； 2 组独立的 16 位定时器 ； 1 个全多工串行通信端口 ； 基于步进电机的智能小车设计 8 8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能 ； 单芯片提供位逻辑运算指令 ； （ 2） AT89S51 各引脚功能介绍： 如下图 图 AT89S51 各引脚图 VCC： AT89S51 电源正端输入，接 +5V； VSS：电源地端 ； XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端 ； XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上 接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 30PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机 ； RESET： AT89S51 的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引 脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间， AT89S51 便能完成系统重置的 各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址 0000H 处 太原工业学院毕业设计（论文） 9 开始读入程序代码而执行程序 ； EA/Vpp： EA为英文 External Access的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作， 也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM 中）来执行程序。 因此在 8031 及 8032 中， EA 引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。 如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。 此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM 时，可以利用此引脚来输入 21V 的烧录高压（ Vpp） ； ALE/PROG： ALE 是英文 Address Latch Enable的缩写，表示地址锁存器启用信号。 AT89S51 可以利用这支引脚来触发外部的 8 位锁存器（如 74LS373），将端口 0的地址总线（ A0～ A7）锁进锁存器中，因为 AT89S51 是以多工的方式送出地址及数据。 平时在程序执行时 ALE 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。 此外在烧录 8751 程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用 ； PSEN：此为 Program Store Enable的缩写，其意为程序储存启用，当 8051 被设成为读取外部程序代码工作模式时（ EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到 EPROM 的 OE脚。 AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引脚分 别启用存在外部的 RAM 与 EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用 64K的定址范围 ； PORT0（ ～ ）：端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极（ Open Drain）双向输出入端口，共有 8 个位， 表示位 0， 表示位 1，依此类推。 其他三个 I/O 端口（ P P P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路， P0 在当做 I/O 用时可以推动 8 个 LS 的 TTL 负载。 如果当 EA 引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器）， P0 就以多工方式提供地址总线（ A0～ A7）及数据总线（ D0～ D7）。 设计者必须外加一锁存 器 将端口 0 送出的地址栓锁住成为 A0～ A7，再配合端口 2 所送出的 A8～ A15 合成一完整的 16 位地址总线，而定址到 64K 的外部存储器空间 ； PORT2（ ～ ）：端口 2 是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，每一个引脚 可以推动 4 个 LS 的 TTL 负载，若将端口 2 的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。 P2 除了当做一般 I/O 端口使用外，若是在 AT89S51 扩充外接程序存储器 基于步进电机的智能小车设计 10 或数据存储器时，也提供地址总线的高字节 A8～ A15，这个时候 P2 便不能当做 I/O 来使用了 ； PORT1（ ～ ）：端口 1 也是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4 个 LS TTL 负载，同样地若将端口 1 的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。 如果是使用 8052 或是 8032 的话， 又当做定时器 2 的外部脉冲输入脚，而 可以有 T2EX 功能，可以做外部中断输入的触发脚位 ； PORT3（ ～ ）：端口 3 也具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4 个 TTL 负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存 储器内容的读取或写入控制等功能 ； 其引脚分配如下： ： RXD，串行通信输入 ； ： TXD，串行通信输出 ； ： T0，计时计数器 0 输入 ； ： T1，计时计数器 1 输入 ； 单片机端口分配如下： 端口分配给 液晶显示器的数据端； 端口分配给 步进电机驱动板的控制端； 端口分配给液晶显示器的控制端； 端口分配给三路光电寻迹检测电路的信号端； 端口分配给两路红外线避障的检测信号端； 端口为金属探测器 的检测信号端； 端口为按键控制电机正反转动； 端口分配给四个按键的控制端； 时钟及复位电路 （ 1） 时钟电路的设计 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。 由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了 太原工业学院毕业设计（论文） 11 自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 内部振荡方式的外部电路如图 所示： 图 时钟电路 图中，电容器 C C2 起稳 定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在 530pF， 我选用 30pF。 晶振频率的典型值为 12MHz（我所选用），采用 6MHz 的情况也比较多。 内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中实用电路中使用较多。 也有外部振荡方式，我选用内部振荡方式设计。 （ 2） 复位电路的设计 单片机在启动运行时都需要复位，复位使 CPU 和系统中的其他部件都处于一个确定的工作状态，并从这个状态开始工作。 在系统中，有时也会出现显示不正常，也为了调试方便，需要设计一个复位电路，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在 运行时用户的 按键复位功能。 在此系统中单片机的复位靠外部电路实现的， AT89S51 单片机有一个复位引脚 RST，高电平有效。 只要 RST 保持高电平，单片机便保持复位状态。 此时， ALE/PSEN、P0、 P P P3 口都输出高电平。 RST 变成低电平后，退出复位状态， CPU 开始正常工作。 需要注意的是，复位操作不影响片内 RAM 的内容。 复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。 图 为基本 RC 复位电路，其电路为高电平复位有效， S1 为手动复位开关，可以实现上述基本功能。 基于步进电机的智能小车设计 12 图 复位电路 步进电机概述 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上 是一种单相或多相同步电动机。 单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。 多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。 使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。 每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入 的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负 载变化的影响。 由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 步进电机 的特性 步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。 从 20 世纪 80 年代开始开发出了专用的 IC 驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的 OA 装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。 总体上说，步进电机有如下优点： （ 1） 不需要反馈，控制简单。 太原工业学院毕业设计（论文） 13 （ 2） 与微机的连 接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。 （ 3） 没有角累积误差。 （ 4） 停止时也可保持转距。 （ 5） 没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。 （ 6） 即使没有传感器，也能精确定位。 （ 7） 根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。 但是，这种电机也有自身的缺 点。 （ 8） 难以获得较大的转矩 （ 9） 不宜用作高速转动 （ 10） 在体积重量方面没有优势，能源利用率低。 （ 11） 超过负载时会破坏同步， 高 速工作时会发出振动和噪声。 步进电机 的种类 目前常用的步进电机有三类： （ 1） 反应式 步进电动机（ VR） 采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。 （ 2） 永磁式步进电动机（ PM） 转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。 用转子和定子之间 的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是。 它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。 （ 3） 混合步进电动机（ HB） 这是 PM 和 VR 的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的。