基本信息
- 项目名称：
- 步进电机的单片机智能化控制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本系统由电源管理模块、STC89C52单片机、步进电机驱动模块、红外避障传感器、黑白线检测传感器、1602液晶显示模块、在线调试模块组成。以步进电机作为动力装置，采用STC89C52作为主控制芯片，通过红外避障传感器和黑白线检测传感器的协同工作，将采集得到的数据经主控制芯片分析处理后对步进电机做出指示，并将小车的行程和速度通过1602液晶显示模块显示出来。
- 详细介绍：
- 一、 硬件电路的设计 1.1 总体设计方案 步进电机智能化控制系统由电源管理模块、STC89C52单片机、步进电机模块、红外避障传感器模块、黑白线检测传感器模块、1602液晶显示模块和串口通信模块组成。实现小车自动寻线和自动避障功能，并且通过液晶显示屏显示出基本信息。本系统的设计内容是：1.电源管理模块的设计2. 步进电机驱动电路的设计；3.实现单片机对步进电机的智能控制；4.红外传感器检测电路的设计，实现自动避障； 5.检测黑白线，实现寻线运动；6.异步串行通信模块的设计 7.附加功能及辅助电路设计；8.制作电路板，硬件组装，软件编程。 1.2 电源模块的设计 电源由7.2 V的镍镉电池供电，其供电原理图如图2所示，并经过以下途径分别对弱电和强电进行供电： 1.2.1 经过稳压芯片LM7805稳压后，输出5V电压，分别给单片机、传感器、液晶接口电路和驱动逻辑部分供电。 1.2.2 经过稳压芯片MIC29302稳压成5V给L298和电机供电 （MIC29302是低电压将高电流驱动的稳压芯片最大峰值电流达3A） 1.2.3 备用电池部分以供调试之需 1.3 主控制器设计 该部分是逻辑电路的核心，也是最小系统部分。其中包括晶振电路，采用了12M的外部晶振频率；复位电路部分，在系统上电时能够自动复位，当程序跑飞时能将系统复位到初始状态。 .4步进电机的工作原理与技术参数 1.4.1 工作原理 步进电机的运行原理如图2所示，当A相绕组通电时，转子的稳定平衡位置如图4（a）所示。若使转子偏离这一位置，如转子向右偏离了一个角度，则定转子齿的相对位置及作用转矩的方向 1.4.2 技术参数 1.4.2.1 小车行程近似计算公式：步进电机转轴旋转的转数=counts*小车轮子的直径*3.14 1.4.2.2 小车速度近似计算公式：速度=行程/时间 1.4.2.3 步进电机步矩角：Ø=360°/（2mZ） (m为相数，Z为转子齿数) 1.4.2.4 矩频特性 步进电机作单步运行时的最大负载转矩为 ，但当控制脉冲的频率逐渐增加，步进电机的转速逐渐升高时，步进电机所能带的负载转矩值将逐步下降。 1.4.2.5 步进电机电气技术参数如表一所示： 表一 步进电机电气技术参数 产品型号 驱动系统 驱动电压 步矩角 每相 电阻 每相 电感 转子 齿数 相数 SST420D1070 达林顿 驱动 5.0（VDC） 1.8° 7.6Ω 6.8（mH) 50 2 1.4.2.6 步进电机机械技术参数如表二所示： 表二 步进电机机械技术参数 电机 身长 电机 身宽 螺丝 口径 轴径 轴长 质量 保持转矩 转动惯量 31mm 31mm 0.5mm 0.6mm 55mm 180（g） 186（mn-m） 27（g-cm³) 1.5 步进电机驱动模块的设计 电机驱动采用了L298作为驱动芯片，其供电范围可从3—24供电，最大驱动电流可达3A，因此可以满足设计要求。 STC89C52通过P1口产生的八路PWM信号通过L298引脚L0—L3和R0—R3输入，以调节步进电机对应相的电流。当单片机P1口对应的位输出低电平时，步进电机对应相VS与地导通，电机旋转一个步进角。只要P1口按照单双八扒的触发方式触发，步进电机便能旋转起来，将触发方式翻转过来就能实现步进电机的反转。P1口全给高电平就能实现步进电机的制动。MCU通过改变对应IO口PWM的占空比就可以调节步进电机的调速。 1.6 传感器电路设计 我们选择光电传感器作为循迹传感器。其工作原理如图6所示一个发光二极管作为发送管，一个光敏三极管作为接收管，分别有一个精调电阻，来调节距离和灵敏度。循迹模块是用来识别黑白线的，黑线输出高电平，白线输出高电平。循迹模块一般识别距离为0-3cm。 P-RE0,P-RE1,P-RE2为E18-D80NK 红外避障传感器，该传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器，主要用于障碍物的检测。P_GD0，和P_GD1为TK黑白线检测传感器。这五个传感器通过分别通过各自的输出信号线与单片机端口相连接，实现对障碍物的判别和对黑白线的检测。 1.7 串行通信接口电路的设计 串行通信接口电路的作用是使STC89C52可以和PC机的RS—232串行接口连接并进行通信 二.、系统软件设计 2.1 避障部分软件的设计 系统上电后，先对STC89C52单片机端口、相关寄存器等进行初始化，避障传感器正常工作，液晶显示屏准备接收数据，主控制芯片将小车行驶路程、时间和速度数字化处理后，以字符形式显示在1602液晶显示屏上。随后MCU对P3.2、P3.3、P3.4口进行循环扫描，以判断外部传感器的工作状况，实时反映路面状况。其工作原理如下所叙。 左边红外传感器与单片机的P3.2口相连，中间红外传感器与P3.3口连，右边红外传感器与P3.4口相连。当前面无障碍物时，P3.3口返回高电平时，小车往前走。当小车前面与左边有障碍物时，单片机P3.3和P3.4端口返回低电平，小车向右转90度；当小车前方和右方有障碍物时，单片机P3.3和P3.2端口返回低电平，小车向左转90度；当小车前方、左方和右方有障碍物时，单片机P3.2、P3.3、P3.4端口返回低电平，小车向反转180度。 2．2循迹部分软件的设计 系统上电后，先对STC89C52单片机端口、相关寄存器等进行初始化，循迹传感器正常工作，液晶显示屏准备接收数据，主控制芯片将小车行驶路程、时间和速度数字化处理后，以字符形式显示在1602液晶显示屏上。随后MCU对P3.5、P3.6口进行循环扫描，以判断外部传感器的工作状况，右边光电传感器与P3.5口相连，左边传感器与P3.6相连，工作原理如下所叙。 系统初始化设定小车的寻线范围，当在设定寻线范围内未找到黑线时，系统自动扩大寻线范围，直到找到黑线为止。找到黑线后寻找离出发点最近的点，然后自动寻线。 进入寻线模式后，当小车没有检测到黑线时，P3.5和P3.6端口保持低电平，小车往前走；当小车左侧黑白寻线传感器检测到黑线时，P3.6返回高电平，小车向左偏转7.2度；当小车右侧黑白寻线传感器检测到黑线时，P3.6返回高电平，小车向右偏转7.2度。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目最大的创新点是电源模块的设计：由于步进电机型号为SST42D1070重量大，耗电量大。同时电机是感性负载且工作在单双八拍的模式下，会造成供电部分电压的波动，影响单片机和传感器的正常工作。在此情形下，我们有意地将强电和弱电部分分离开来，用7.2V镍镉电池经LM7805稳压后给单片机、传感器和1602液晶供电；7.2V镍镉电池经MIC29302稳压后给L298和步进电机供电，提高系统运行的稳定性。 创新点之二是我们在以往硬件设计的基础上加上了异步串行通信模块（MAX232），提高了程序调试的灵活性，缩短了开发周期。
科学性、先进性
- 本项目最大的创新点是电源模块的设计：由于步进电机型号为SST42D1070重量大，耗电量大。同时电机是感性负载且工作在单双八拍的模式下，会造成供电部分电压的波动，影响单片机和传感器的正常工作。在此情形下，我们有意地将强电和弱电部分分离开来，用7.2V镍镉电池经LM7805稳压后给单片机、传感器和1602液晶供电；7.2V镍镉电池经MIC29302稳压后给L298和步进电机供电，提高系统运行的稳定性。 创新点之二是我们在以往硬件设计的基础上加上了异步串行通信模块（MAX232），提高了程序调试的灵活性，缩短了开发周期。
获奖情况及鉴定结果
- 湖南省大学生研究性学习与创新性实践项目 2010年湘南学院第四届挑战杯二等奖
作品所处阶段
- 结题阶段
技术转让方式
- 洽谈
作品可展示的形式
- 实物和演示文档
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 智能汽车作为一种智能化的交通工具，体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。寻迹避障小车可以看作是缩小化的智能汽车，它实现的基本功能是沿着指定轨道自动寻迹行驶和避开周围的障碍物。
同类课题研究水平概述
- 无
