步进电机的智能小车设计 精品.docx

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步进电机的智能小车设计精品

基于步进电机的智能小车设计

1引言

智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。

本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。

如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。

随着计算机、微电子、信总处理及智能控制的快速发展，机器人技术也在逐步深入和细化。

随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。

因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。

移动机器人的研究不仅可以推动科学技术的向前发展，同时其应用必将带来巨大的经济效益和社会效益。

智能人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。

它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。

随着电子技术的不断发展人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人，自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等多个领域。

近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式，随着它在人类生活领域中的应用不断扩大，将会给人们的生产生活带来了巨大的影响。

在国外机器人的发展有如下趋势。

一方面机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，并向着技术和装备成套化的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展，如表演型机器人，服务机型器人，机器人玩具等。

国外研究机构正试图将机器人应用于人类活动的各个领域。

智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。

与普遍意义上的机器人相比智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。

全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。

本题目设计的是具有自动避障功能的智能小车，其设计思想与一些日常生活迫切需要的机器人（如测距机器人，搜索机器人，管道探伤机器人）类似。

由于采用了光电传感器，能耗低，灵敏度高，即使在较复杂的环境内也可以工作。

智能小车系统的设计采用了模块化的设计方法，电路结构简单，调试方便，有很大的扩展空间，稍加改动便可应用于实际生产生活中，也可作为高校学生以及广大机器人爱好者学习研究使用。

2总体设计方案

2.1步进电机的选择

方案一：

选择反应式步进电动机（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。

方案二：

选择永磁式步进电动机（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7.50。

它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

方案三：

选择混合步进电动机（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，定子则为齿状的突起结构。

此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

由于永磁式步进电机的动态性能比较好，而且结构相对比较简单，价格适中，是电子业余爱好者中常用的步进电机。

故在此选用永磁式步进电机。

2.2单片机的选择

方案一：

选择ARM7TDMIS3C44BOX单片机

S3C44BOX单片机包含ARM7TDMI处理器。

ARM7TDMI处理器是ARM公司通用的32位微处理器家族的成员之一，是一种高性能、廉价、低功耗的RISC处理器，同时又具有非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。

方案二：

选择AT89S51单片机

AT89S51是一个低功耗，高性能 8位，片内含4k的可反复擦写1000次的，器件采用的高密度、非易失性存储技术制

造，兼容标准MCS-51及80C51结构，芯片内集成了通用8位的内部

和ISPFlash，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

由于AT89S51的结构简单、价格适中、高性能，故在此选择AT89S51单片机。

2.3步进电机驱动电路的选择

方案一：

使用多个功率放大器件驱动电机

通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。

但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。

方案二：

使用ULN2803八NPN达林顿连接晶体管驱动电机

ULN2803八NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和大电流高电压要求的灯、继电器、打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。

广泛用于计算机，工业和消费类产品中。

所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。

ULN2803的设计与标准TTL系列兼容。

由于ULN2803八NPN达林顿连接晶体管的结构简单而且能为步进电机提供脉冲信号，进而将脉冲转化为步进角度，从而能控制步进电机转动。

故选择ULN2803八NPN达林顿连接晶体管作为所需单片机。

2.4数码管显示电路的选择

方案一：

共阳极接法。

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。

当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

方案二：

共阴极接法。

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共

阴极接地。

每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。

当阳极端输入高电平时，

段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。

在本设计中，数码显示电路通过交替向P3.0、P3.1和P3.2输出低电平，使得与

这两个端口连接的三极管交替导通，从而为数码管提供电源，也实现了数码管的动态扫描。

通过P1口输出段选信号，控制了数码管显示的内容。

因为共阳数码管供电稳定，控制也很稳定，所以在本设计中所采用的是共阳极LED数码显示器。

3单片机AT89S51模块与步进电机

3.1单片机概述

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

下面是单片机的主要发展趋势。

近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。

CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。

这也是今后以80S51取代8051为标准MCU芯片的原因。

因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。

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

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。

3.1.1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；

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3.1

图3.1AT89S51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

开始读入程序代码而执行程序；

EA/Vpp：

"EA"为英文"ExternalAccess"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2