《單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目化教程》課件項(xiàng)目十

模塊10智能小車(chē)的設(shè)計(jì)與制作10.1項(xiàng)目描述10.2項(xiàng)目目的與要求10.3項(xiàng)目支撐知識(shí)鏈接10.4項(xiàng)目實(shí)施項(xiàng)目小結(jié)項(xiàng)目拓展技能與練習(xí)

【項(xiàng)目導(dǎo)入】

目前玩具市場(chǎng)上有很多智能控制小車(chē)，這些智能小車(chē)價(jià)格高，智能度低。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作的智能尋跡小車(chē)，不僅電路簡(jiǎn)單，成本低，而且可以擴(kuò)展其他功能，除此之外還可以幫助讀者掌握單片機(jī)的電機(jī)控制技術(shù)。

【項(xiàng)目目標(biāo)】

1.知識(shí)目標(biāo)

(1)掌握單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的流程；

(2)掌握單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作；

(3)掌握單片機(jī)軟件系統(tǒng)的編程。

2.能力目標(biāo)

(1)能根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能模塊圖；

(2)能根據(jù)電路功能模塊要求，通過(guò)查找資料設(shè)計(jì)電

路圖；

(3)能結(jié)合硬件，進(jìn)行軟件編程；

(4)具有開(kāi)發(fā)單片機(jī)控制系統(tǒng)的能力。

10.1項(xiàng)目描述

單片機(jī)的電機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，比如智能小車(chē)、機(jī)器人、遙控飛機(jī)等。本項(xiàng)目通過(guò)設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能循跡小車(chē)讓大家掌握單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的控制設(shè)計(jì)。

10.2項(xiàng)目目的與要求

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要有三個(gè)模塊：信號(hào)檢測(cè)模塊、主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。信號(hào)檢測(cè)模塊采用紅外光對(duì)管，用以對(duì)黑線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)；主控模塊采用宏晶公司的STC89C52單片機(jī)作為控制芯片；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用意法半導(dǎo)體集團(tuán)的L298N專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。信號(hào)檢測(cè)模塊的功能是將采集到的路況信號(hào)傳入STC89C52單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后對(duì)L298N發(fā)出指令，由單片機(jī)輸出的PWM波控制電動(dòng)小車(chē)的速度及轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求是：完成智能小車(chē)系統(tǒng)的整體功能方案設(shè)計(jì)；完成外圍接口應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；進(jìn)行系統(tǒng)組裝和調(diào)試。

10.3項(xiàng)目支撐知識(shí)鏈接

10.3.1直流電機(jī)

1．直流電機(jī)的類(lèi)型

直流電機(jī)可按其結(jié)構(gòu)、工作原理和用途等進(jìn)行分類(lèi)。其中，根據(jù)直流電機(jī)的用途可分為以下幾種：直流發(fā)電機(jī)(將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能)、直流電動(dòng)機(jī)(將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能)、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)(將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào))、直流伺服電動(dòng)機(jī)(將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào))。本項(xiàng)目以直流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)直流電機(jī))作為研究對(duì)象來(lái)講述直流電機(jī)的基本知識(shí)。

2．直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。在定子上裝有磁極(電磁式直流電機(jī)磁極由繞在定子上的磁繞提供)，其轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，繞組通過(guò)換向片和電刷引出。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖10-1所示。圖10-1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

3．直流電機(jī)的工作原理和技術(shù)參數(shù)

直流電機(jī)電路模型如圖10-2所示，磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線(xiàn)圈abcd。當(dāng)線(xiàn)圈中流過(guò)電流時(shí)，線(xiàn)圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線(xiàn)圈的電流改變方向時(shí)，線(xiàn)圈的受力方向也將改變，因此可通過(guò)改變線(xiàn)圈電路的方向來(lái)改變電機(jī)的方向。圖10-2直流電機(jī)電路模型直流電機(jī)的主要額定值有：

額定功率Pn：在額定電流和電壓下電機(jī)的負(fù)載能力。

額定電壓Ue：長(zhǎng)期運(yùn)行的最高電壓。

額定電流Ie：長(zhǎng)期運(yùn)行的最大電流。

額定轉(zhuǎn)速n：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，以r/min為

單位。

勵(lì)磁電流If：施加到電極線(xiàn)圈上的電流。

4．直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

單片機(jī)本身具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，其中I/O口的電流在10mA左右，像發(fā)光二極管之類(lèi)的小電流器件不需要特殊的驅(qū)動(dòng)電路，而對(duì)于直流電機(jī)這樣的大電流負(fù)載就必須有驅(qū)動(dòng)電路，因此在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是單片機(jī)控制回路中的常用接口電路。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)中，根據(jù)直流電機(jī)的工作原理，可以用常規(guī)電路設(shè)計(jì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，如圖10-3所示。圖10-3直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路另外，現(xiàn)在直流電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片很多，沒(méi)有必要再去設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，直接挑選一種符合要求的驅(qū)動(dòng)芯片即可。此處選用L298芯片構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)基本上與圖10-3所示電路的效果一樣。由L298芯片組裝的驅(qū)動(dòng)電路模塊如圖10-4所示。圖10-4L298芯片構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

5．直流電機(jī)PWM調(diào)速原理

1)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速

直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖10-5表示。由圖10-5可見(jiàn)，電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，

Ea為反電動(dòng)勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩T1的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖10-5直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，可得電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式如下：

U=Ea－Ia(Ra+Rc)(1)

式中，Ra為電樞回路電阻；Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)

電阻。

由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為

(2)

式中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Φ是磁通量。

由式(1)和式(2)得：

(3)由式(3)可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速由電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

2)?PWM電機(jī)調(diào)速原理

對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果加在電樞兩端的電壓為圖10-6所示的脈動(dòng)電壓(要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù))，則在T不變的情況下，改變t1和t2的寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。下面對(duì)這一變化進(jìn)行進(jìn)一步的推導(dǎo)。圖10-6施加在電樞兩端的脈動(dòng)電壓設(shè)電機(jī)接全電壓U時(shí)，其轉(zhuǎn)速最大為Umax。若施加到電樞兩端的脈動(dòng)電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為

U平=U·D(4)

由式(3)可得到：

在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下，式中K=U/(CeΦ)，是常數(shù)。圖10-7為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖10-7占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖10-7可看出，轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全的線(xiàn)性關(guān)系(圖中為實(shí)線(xiàn))，其原因是電樞本身有電阻，不過(guò)一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近似為線(xiàn)性關(guān)系。由此可見(jiàn)，改變施加在電樞兩端的電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是直流電機(jī)的PWM調(diào)速原理。

綜上所述，脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)是一種利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的技術(shù)，其實(shí)質(zhì)就是利用對(duì)數(shù)字脈沖占空比的調(diào)節(jié)來(lái)控制可控元件(如三極管、可控硅等)的通斷，從而達(dá)到對(duì)單位時(shí)間里受控負(fù)載的輸入功率的控制。

6．單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)控制應(yīng)用

設(shè)計(jì)以一塊單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)一部直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)的控制。硬件部分由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、顯示電路、鍵盤(pán)電路、電源、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成，具體設(shè)計(jì)框圖和硬件電路原理圖分別見(jiàn)圖10-8和圖10-9。圖10-8系統(tǒng)整體框圖圖10-9單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的控制

C51程序如下：

/*********************************/

#include<reg51.h>

#include<intrins.h>

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

sbitS1=P3^0; //電機(jī)正轉(zhuǎn)控制鍵

sbitS2=P3^1; //電機(jī)反轉(zhuǎn)控制鍵

sbitS3=P3^2; //電機(jī)停止控制鍵

sbitLED1=P0^0; //電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈

sbitLED2=P0^1;

//電機(jī)反轉(zhuǎn)指示燈

sbitLED3=P0^2; //電機(jī)停轉(zhuǎn)指示燈

sbitMA=P1^0;

sbitMB=P1^1;

voidmain(void)

{LED1=1;

LED2=1;

LED3=0;

while(1)

{

if(S1==0) //電機(jī)正轉(zhuǎn)

if(S3==0) //電機(jī)停轉(zhuǎn)

{while(S1==0);

LED1=1;

LED2=1;

LED3=0;

MA=0;

MB=0;

}

}

}10.3.2步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)(steppingmotor)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步矩角”。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

1．步進(jìn)電機(jī)類(lèi)型

目前較為常用的步進(jìn)電機(jī)有三種類(lèi)型，它們分別是永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)等。

(1)永磁式。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好，輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大(一般為7.5°或15°)。

(2)反應(yīng)式。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子上有繞組，轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，步矩角小，可達(dá)1.2°，但動(dòng)態(tài)性能差，效率低，發(fā)熱大，可靠性難保證。

(3)混合式?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組，轉(zhuǎn)子采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大，動(dòng)態(tài)性能好，步矩角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。

常見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)的外形構(gòu)造如圖10-10所示。圖10-10常見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)的外形構(gòu)造

2．步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一定角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度時(shí)，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，前進(jìn)一步。電機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。因此可通過(guò)控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在此以四相步進(jìn)電機(jī)為例講述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理如圖10-11所示，定子上有4組相對(duì)的磁極，每對(duì)磁極纏有同一繞組，形成一相。定子和轉(zhuǎn)子上分布著大小、間距相同的多個(gè)小齒，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的某一相通電形成磁場(chǎng)后，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行推動(dòng)到最大磁導(dǎo)率(或最小磁阻)的位置。圖10-11四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開(kāi)，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。

當(dāng)開(kāi)關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線(xiàn)和1、4號(hào)齒之間磁力線(xiàn)的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊，而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類(lèi)推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3．步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)就是根據(jù)電磁感應(yīng)原理使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的過(guò)程，也稱(chēng)為勵(lì)磁。常見(jiàn)的有以下幾種方式。

1)?1相勵(lì)磁法

1相勵(lì)磁法在每一瞬間只有一個(gè)線(xiàn)圈導(dǎo)通，其他線(xiàn)圈不得電。其特點(diǎn)是勵(lì)磁方法簡(jiǎn)單，耗電低，精確度良好。但是力矩小，振動(dòng)大，每次勵(lì)磁信號(hào)走的角度是標(biāo)稱(chēng)角度。

2)?2相勵(lì)磁法

2相勵(lì)磁法在每一瞬間有兩個(gè)線(xiàn)圈導(dǎo)通，其他線(xiàn)圈不得電。其特點(diǎn)是力矩大，振動(dòng)較小，每次勵(lì)磁轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是標(biāo)稱(chēng)角度。

3)?1-2相勵(lì)磁法

1-2相勵(lì)磁法在1相和2相輪流交替導(dǎo)通，精度高，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑。每送一個(gè)勵(lì)磁信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)二分之一標(biāo)稱(chēng)角度，因此稱(chēng)為半步驅(qū)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。上面步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式中，第一種方式是單四拍工作方式，第二種方式是雙四拍工作方式，第三種方式是八拍工作方式。單四拍與雙四拍的步矩角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步矩角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，又可以提高控制精度。

單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖10-12(a)、(b)、(c)所示。圖10-12步進(jìn)電機(jī)的工作時(shí)序波形圖

4．步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)以一塊單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)的控制。硬件部分由晶振電路、復(fù)位電路、顯示電路、鍵盤(pán)電路、電源、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。具體設(shè)計(jì)要求如下：當(dāng)按下S1開(kāi)關(guān)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，同時(shí)LED燈D1亮；當(dāng)按下S2開(kāi)關(guān)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)LED燈D2亮；當(dāng)按下S3開(kāi)關(guān)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)LED燈D3亮。設(shè)計(jì)分析：由于單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)電流較小，一般無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此可采用ULN2003A作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003A工作電壓高，工作電流大，并且能夠承受50V的電壓，輸出可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。單片機(jī)可以通過(guò)P1口發(fā)送數(shù)據(jù)，由ULN2003A來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，此處采用P3.0連接開(kāi)關(guān)S1，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)；采用P3.1連接開(kāi)關(guān)S2，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)；采用P3.2連接開(kāi)關(guān)S3，實(shí)現(xiàn)停止控制。把P0.0、P0.1、P0.2分別與LED燈D1、D2和D3連接，顯示步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過(guò)上述分析，設(shè)計(jì)的硬件電路如圖10-13所示。圖10-13步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制電路步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制程序如下：

/***********writer:shopping.w***********/

#include<reg52.h>

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

ucharcodeFFW[]=

{0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09

};

ucharcodeREV[]={

0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01

};

sbitS1=P3^0;

sbitS2=P3^1;

sbitS3=P3^2;

voidDelayMS(uintms)

{uchari;

while(ms--)

{

for(i=0;i<120;i++);

}

}voidSETP_MOTOR_FFW(ucharn)

{uchari,j;

for(i=0;i<5*n;i++)

{for(j=0;j<8;j++)

{if(S3==0) break;

P1=FFW[j];

DelayMS(25);

}

}

}

voidSETP_MOTOR_REV(ucharn){

uchari,j;

for(i=0;i<5*n;i++)

{

for(j=0;j<8;j++)

{if(S3==0) break;

P1=REV[j];

DelayMS(25);

}

}

}

voidmain(){ucharN=3;

while(1)

{

if(S1==0)

{P0=0xfe;

SETP_MOTOR_FFW(N);

if(S3==0)break;

}

elseif(S2==0)

{

P0=0xfd;

SETP_MOTOR_REV(N);

if(S3==0)break;

}

else

{P0=0xfb;

P1=0x03;

}

}

}

10.4項(xiàng)目實(shí)施

10.4.1項(xiàng)目硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能循跡小車(chē)由單片機(jī)、循跡紅外光對(duì)管、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊組成，見(jiàn)圖10-14。圖10-14循跡小車(chē)功能框圖

1．主要元器件選型

1)單片機(jī)選型

針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)——多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)器小的單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析選定了STC89C52單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控芯片，其形狀見(jiàn)圖10-15(a)。

2)電源系統(tǒng)

采用4節(jié)普通1.5V干電池單電源供電，但6V的電壓太小，不能同時(shí)給單片機(jī)與電機(jī)供電。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)可能會(huì)影響單片機(jī)的正常工作，所以決定獨(dú)立供電，即單片機(jī)控制系統(tǒng)和光對(duì)管與電機(jī)分開(kāi)供電。由于單片機(jī)為低功耗元件，因而可采用普通1.5V電池(共4節(jié))供電，電機(jī)為大功耗器件，因而單獨(dú)采用鋰電，見(jiàn)圖10-15(b)。

3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中往往采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)。采用由達(dá)林頓管組成的H形橋式電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要用分立元件設(shè)計(jì)制作橋式電路?，F(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等，在此選用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，如圖10-15(c)所示。

4)循跡模塊

小車(chē)循跡原理是：小車(chē)在貼有黑膠帶的地板上行駛，由于黑色和白色對(duì)光線(xiàn)的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”—黑線(xiàn)。在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法—紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法利用紅外線(xiàn)在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收，如果遇到黑線(xiàn)則紅外光被吸收，此時(shí)小車(chē)上的接收管接收不到信號(hào)。市場(chǎng)上有很多紅外傳感器，在此選用常用的TCRT5000型光對(duì)管，見(jiàn)圖10-15(d)。

5)機(jī)械系統(tǒng)

本項(xiàng)目要求小車(chē)的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活、簡(jiǎn)單，因此采用前驅(qū)，后輪采用兩個(gè)萬(wàn)向輪。小車(chē)上裝有電池、電機(jī)、電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車(chē)能夠順利啟動(dòng)且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在直流電機(jī)和輪車(chē)軸之間加裝了三級(jí)減速齒輪。圖10-15主要元器件實(shí)物圖

2．接口電路設(shè)計(jì)

1)信號(hào)檢測(cè)模塊

為了防止因傳感器太少引起的誤動(dòng)作，在車(chē)體前段安

裝了5個(gè)紅外光對(duì)管(見(jiàn)圖10-16)，有效地減少了誤動(dòng)作的發(fā)生，減小了小車(chē)沖出跑道的幾率。圖10-165路光對(duì)管

2)驅(qū)動(dòng)電路

本模塊主要用于對(duì)單片機(jī)傳送過(guò)來(lái)的高低電平信號(hào)進(jìn)行處理，控制電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)。其原理圖如圖10-17所示。圖10-17驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

3)主控電路和硬件

本模塊主要用于對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)控制電機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)。其原理圖如圖10-18所示。該模塊包括電源模塊、串口電平轉(zhuǎn)換模塊以及I/O擴(kuò)展模塊。電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，串口電平轉(zhuǎn)換模塊可以將電腦與單片機(jī)串口相連，從而實(shí)現(xiàn)程序的下載以及串口打印debug調(diào)試功能。I/O擴(kuò)展模塊將單片機(jī)的引腳引出，可以實(shí)現(xiàn)靈活的擴(kuò)展功能。圖10-18主控電路圖

4)系統(tǒng)原理圖和印刷電路板的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路圖和印刷電路板的設(shè)計(jì)分別見(jiàn)圖10-19和圖10-20。圖10-19系統(tǒng)硬件電路原理圖圖10-20印刷電路板設(shè)計(jì)10.4.2項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)

循跡小車(chē)的控制流程圖見(jiàn)圖10-21。圖10-21系統(tǒng)流程圖

#defineinput1P1_0

#defineinput2P1_1

#defineinput3P1_2

#defineinput4P1_3

#defineinput5P1_4

/*************************************

*4路電機(jī)控制

*************************************/

#defineDIR1P2_0

#definePWM1P2_1

#defineDIR2P2_2

#definePWM2P2_3

voiddelayMS(uchart);

voidgo_forward();

voidturn_left();

voidturn_right();

voidmain()

{

go_forward(); //啟動(dòng)直走

while(1){while(input3==1) //中間光對(duì)管檢測(cè)到黑線(xiàn)，直走

{go_forward();}

if(input1==1) //左側(cè)光對(duì)管檢測(cè)到黑線(xiàn)，左轉(zhuǎn)

{turn_left();

delayMS(1);