基于步进电机的智能小车设计.docx
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基于步进电机的智能小车设计
学位论文
基于步进电机的智能小车设计
学科专业：
电子信息工程
太原工业学院
TaiyuanInstituteofTechnology
诚信声明
本人申明：
本人所提交的毕业论文《基于步进电机的智能小车设计》的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的论文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本论文和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
特此申明。
本人签名：
年月日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
基于步进电机的智能小车设计
系部：
电子工程系专业：
电子信息工程学号：
092022135-
学生：
谭加加指导教师（含职称）：
楼国红（副教授）专业负责人：
郭彩萍
1．设计（论文）的主要任务及目标
课题目标：
（1）通过此次设计，熟悉单片机硬件电路，电源回路、时钟回路、复位电路、键盘电路、存储器扩展和LCD显示等方面的知识，加深对单片机的认识和硬件电路的设计。
（2）掌握单片机软件设计的编程方法，明确设计任务。
设计编程时，可用C语言或汇编语言或两者结合的混合编程来实现算法。
（3）熟练掌握单片机集成开发环境KeilC51μVision4及其使用。
μV4采用Windows风格界面，集编辑、编译、程序调试和仿真于一体，支持汇编语言和C51高级语言的程序设计，是目前最流行的开发51单片机的软件工具。
（4）课题目标更着重在于对软件的设计，好的程序不仅节省硬件资源，而且又不易出现错误，要求各部份程序可靠地完成设计要求。
（5）学习使用Proteus仿真软件，并对本系统的软硬件包括外围电子器件进行总体仿真。
2．设计（论文）的基本要求和内容
（1）用单片机芯片实现，要有完整的硬件设计电原理图。
（2）建议使用KeilC51μVision4集成开发环境进行软件设计。
（3）使用编程语言推荐使用汇编语言或C语言编程。
（4）要求小车自动的前进。
（5）要求小车自动的左右转弯。
（6）要求小车自动后退。
（7）要考虑数据的存储保存、显示问题。
3．主要参考文献
（1）欧伟明等.单片机原理与应用系统设计[M].北京:
电子工业出版社,2009.
（2）江世明.基于Proteus的单片机应用技术[M].北京:
电子工业出版社,2009.
（3）张靖武等.单片机系统的Proteus设计与仿真[M].北京:
电子工业出版社,2007.
（4）张友德.单片微型计算机原理、应用与实验[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2003.
（5）周明德.单片机原理与技术[M].北京:
人民邮电出版社,2008.
（6）何立民.单片机高级教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2000.
（7）KEILSoftwareInc.RTX51Real-timeKernel.
/rtx51,2004
（8）徐爱钧等.KeilCx51V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践.北京：
电子工业出版社，2005.
（9）杨振江等.单片机应用与实践指导.西安：
西安电子科技大学出版社,2010.
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅资料，复习有关专业知识，明确设计要求。
—13-03-03
2
确定总体设计方法，进行方案的可行性论证，并完成开题报告。
13-03-04—13-03-17（第1、2周）
3
选定具体实施方案，设计硬件及软件程序框图。
13-03-18—13-03-31（第3、4周）
4
绘制硬件电路图，用Proteus验证电路的可行性，编写程序。
13-04-01—13-04-14（第5、6周）
5
完成硬件设计、程序设计并调试。
（接受中期检查）
13-04-15—13-04-28（第7、8周）
6
完成系统的软件设计部份。
13-04-29—13-05-12（第9、10周）
7
系统总调，程序整合并根据实际效果改进电路。
13-05-13—13-05-28（第11、12周）
8
完善设计，并撰写论文。
13-05-29—13-06-09（第13、14周）
9
完善论文，并完成打印装订工作，准备答辩材料。
13-06-10—11-06-16（第15周）
10
答辩并总结设计工作。
11-06-17—11-06-23（第16周）
4．进度安排
基于步进电机的智能小车设计
摘要
我本次设计采用ATMEL公司中的AT89S51单片机为控制核心，在最小系统的基础上，通过对外围传感器信号和控制按键的检测，控制步进电机的正转、反转、加速和停止使智能小车可以循着黑线自动循迹，碰到障碍物可以合理的避障，探测到金属可以发出报警信号，从而使智能小车实现合理行进。
该智能小车主要分为检测和控制两个部分，包括单片机最小系统、光电检测电路、红外检测电路、金属检测电路、步进电动机、步进电动机驱动电路、4个控制按钮、液晶显示等电路。
关键词：
AT89S51单片机、智能小车、步进电机、自动循迹
Basedonthesteppingmotoroftheintelligentcardesign
ABSTRACT
WethisdesignUSEStheATMELcompanyAT89S51ascontrolcore,thesmallestsystemofbasis,throughperipheralsensorsignalandthecontrolbuttonsdetection,thecontrolofthesteppermotorareturning,inversion,accelerationandstopmakeintelligentcarcanfollowtheblacklineautomatictracing,encounterobstaclescanfollowreasonableobstacle-avoidinganddetectingmetalcanalarm-immediately,thusmakeintelligentcarrealizereasonableprogression.
Thesmartcarismainlydividedintotestandcontroltwoparts,photoelectricdetectioncircuit,infrareddetectioncircuitconsistsofsinglechipmicrocomputerminimumsystemmetaldetectioncircuitsteppermotordrivecircuitofthesteppingmotor,acontrolbuttonontheLCDdisplaycircuitandsoon
Keywords:
AT89S51,intelligentcar,steppingmotor,automaticfollowtracing
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CMOS 8位单片机，片内含4k的可反复擦写1000次的Flash程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制
造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位的内部
中央处理器和ISPFlash存储单元，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21V的烧录高压（Vpp）；
ALE/PROG：
ALE是英文"AddressLatchEnable"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"ProgramStoreEnable"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（P0.0～P0.7）：
端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。
其他三个I/O端口（P1、P2、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（P2.0～P2.7）：
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
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（P1.0～P1.7）：
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LSTTL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，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位；
PORT3（P3.0～P3.7）：
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：
P3.0：
RXD，串行通信输入；
P3.1：
TXD，串行通信输出；
P3.4：
T0，计时计数器0输入；
P3.5：
T1，计时计数器1输入；
单片机端口分配如下：
P0.0-P0.7端口分配给液晶显示器的数据端；
P1.0-P1.7端口分配给步进电机驱动板的控制端；
P3.5-P3.7端口分配给液晶显示器的控制端；
P2.0-P2.2端口分配给三路光电寻迹检测电路的信号端；
P2.3-P2.4端口分配给两路红外线避障的检测信号端；
P2.5端口为金属探测器的检测信号端；
P2.6-P2.7端口为按键控制电机正反转动；
P3.0-P3.3端口分配给四个按键的控制端；
3.1.2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
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3.2所示：
图3.2时钟电路
图中，电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF，
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
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