步进电机智能小车控制系统.docx
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步进电机智能小车控制系统
毕业设计
课题：
步进电机智能小车控制系统
英文题目:
Thecontrolsystemofintelligentcarbasedon
Steppingmotor
姓名：
学号：
专业：
指导老师：
2012年5月20日
东华理工大学机械工程系
摘要
本文设计了智能小车系统，能在跷跷板上前进后退，能够自找平衡点并声光提示。
本设计由电源模块、单片机控制模块、电机驱动电路模块、声光提示模块、光电对管组成的检测模块按键模块、平衡检测模块等7个模块组成。
选择步进电机来带动小车的运动，由LM7805输出+5V电压的电源，用LM7815输出+15V的步进电机驱动电源，用STK672-040组成步进电机的驱动模块，探测模块利用一前一后两个RPR220光电对管元件，用于A、B端检测并传出停止信号，利用APR9600芯片和发光二极管构成声光提示模块，平衡检测模块利用双接头平衡检测仪，通过检测摆针的电信号来控制小车的前进后退，利用一个平衡检测模块来检测平衡位置，并相应的给出红绿信号。
本设计可使小车在检测到信号后自行停止，并相应发出声光提示，且在行驶过程中让小车能自动找到平衡点。
关键词：
单片机；小车；控制
AbSTRACT
ThispaperdesignsacontrolofintelligentcarbasedonSteppingmotorsystemthatcanretreatintheseesaw,andself-inflictedtobalanceandlighthint.
Thisdesignconsistsofpowersupplymodule,single-chipmicrocomputercontrolmodule,motordrivecircuitmodule,lighthintmodule,photoelectricdetectingmoduleofpipeofkeymodule,balancetestingmodule7modules.Choosestepptingmotortodrivethecar,usingLM7805output+5Vvoltagepower,usingLM7815output+15Vsteppingmotordrivingpower,usingSTK672-040compositionsteppingmotordrivermodule,detectingmoduleusingRPR220twophotoelectricelement,usingitdetectingdetectionterminalofA,Bandoutputstopsignalsspreadtostop.usingAPR9600chipandsignallightemittingdiodecompositionhintsmodule,balancetestingmodulesusingdoublejointbalancetesting,throughtestingthesignalstocontrolneedlesetforwardandbackward,thecarusingAbalancetestingmodulestodetectbalanceposition,andthecorrespondingsignalarered,green.
Thisdesigncanmakethecartostop,andaftersignalhint,andAcorrespondingsoundinthecourseofdrivingcarscanbefoundtobalance.
Keywords:
SCM;Intelligentcar;control
绪论
1.1智能小车研究背景
智能小车技术可以应用于无人驾驶机动车,,航空航天等领域。
作为20世纪自动化领域的重大成就,已经和人类社会的生产、生活密不可分。
因此为了使智能小车工作在最佳状态,进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。
智能小车是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的一种智能机器。
其作为现代高科技的集成体，是21世纪的科技制高点之一。
它的发展，应该说是科学技术发展的一个综合性的结果。
同时，它为社会经济发展产生了一门有着重大影响的科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战后各国加强了经济的投入，而对他的研究成果又提高了本国的经济的发展水平。
另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人们在不断探讨自然、认识自然、改造自然过程中，需求一种能够解放人的自动化装置。
那么这种自动化装置就是代替人们能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到的世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
1.2 国内外的研究现状
智能小车技术是一个国家高技术实力的一个重要标准，它涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技。
智能小车是一种高科技的研究项目，各国专家学者想通过对智能小车的研究来不断推进各种智能车的的研究，以及某些特种机器人的研究。
不断改进智能车的寻址速度和算法研究，试图让车更接近智能化，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了智能小车研究的热潮
本毕业设计取材于电子设计竞赛题目，我们要做的是有关于小车的自动化的控制，
先将跷跷板固定为水平状态，电动车从起始端A位置出发，行驶跷跷板的全程）。
停止5秒后，电动车再从跷跷板的B端倒退回至跷跷板的起始端A。
电动车从起始端A出发，行驶跷跷板的全程。
停止5秒后，电动车再从跷跷板的B端倒退回至跷跷板的起始端A。
要其拥有检测到信号时自动停止，能够自动寻找跷跷板的平衡点，并且能够提供声光提示。
本设计的难点在于如何使得小车在行进中自动寻找平衡点，并声光提示，以及如何用程序实现此功能在整个设计中，共有二人参加设计，本人主要负责资料的搜索与整理、硬件设计、电路原理图的绘制、流程图的绘制以及报告的撰写，队友易利平主要负责显示程序的编写、步进电机程序编写，最终在30天的奋斗后完成设计，并达到竞赛要求。
1系统设计
本课题是设计一个步进电机智能小车控制系统，要使得小车能够在跷跷板上自行运动,并能自动检测其平衡位置，进行声光提示。
1.1设计任务及要求
1.1.1任务
设计并制作一个电动车跷跷板，要求跷跷板起始端一侧装有可移动的配重物体，配重物体位置可调范围不小于400mm。
电动车从起始端出发，按要求自动在跷跷板上行驶。
1.1.2要求
（1）基本要求
先将跷跷板固定为水平状态，电动车从起始端A位置出发，行驶跷跷板的全程（全程的含义：
电动车从起始端A出发至车头到达跷跷板顶端B位置）。
停止5秒后，电动车再从跷跷板的B端倒退回至跷跷板的起始端A。
电动车从起始端A出发，行驶跷跷板的全程。
停止5秒后，电动车再从跷跷板的B端倒退回至跷跷板的起始端A。
（2）发挥部分
在可移动范围内电动车从起始端A出发，当跷跷板达到平衡时，保持时间为5秒，同时发出声光提示。
1.1.3说明
（1）跷跷板长1600mm、宽300mm。
为便于携带也可将跷跷板制成折叠形式。
（2）跷跷板中心固定在直径不大于40mm的圆轴上，圆轴两端支撑在两个支架上，与支架圆滑接触。
跷跷板在平衡状态下，跷跷板底距地面或
桌面的距离为70mm。
（3）电动车（含车体上的其它装置）的外形尺寸规定：
长≤300mm，宽≤200mm。
测试过程中电动车外形尺寸不允许变动。
（4）电动车行驶距离的测量以车尾为基准。
（5）平衡状态是：
当平衡检测部分输出为0时可视为跷跷板达到平衡点。
1.2总体设计方案
1.2.1设计思路
题目要求设计一个电动车跷跷板，要求在电动车可从起始端出发按要求自动在跷跷板上行驶，设计分为几个部分。
为了能控制小车的速度，在直流电机和步进电机之间选择了后者，通过STK672-040驱动模块来控制小车的行驶速度，从而保证小车能进行自我微调；语音报警模块通过语音录放芯片APR9600来提示平衡位置的到达；平衡检测仪是本设计的一个特色，采用了一个双向摇摆接头检测模块，依次得到接近与平衡点的位置，让小车能自动找到平衡点。
1.2.2方案论证与比较
（1）单片机选择
方案一：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I\O资源丰富、易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高，而且从使用及经济的角度考虑放弃此方案。
方案二：
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断能力强等特点。
处理速度高，尤其用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机应用语音
处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其他任务的速度和能力降低。
方案三：
采用使用8031单片机。
因为此单片机端口丰富，支持在线编程，功能强，其容量适中，价格实惠，由于小车设计对容量的要求不是很大，所以用此单片机的优越性很突出。
方案选择：
由于本设计要求不高，采用一般的8031最小系统即可完成，所以选择方案三。
（2）电机选择及驱动选择
方案一：
采用直流电机作为执行元件。
直流电机工作在开环状态时，电路相对简单，但其定位性能比较差。
直流电机工作在闭环状态时，其定位性能精确，但是相对于开环状态又要增加很多检测器件，使用的元器件多，电路非常复杂。
方案二：
采用步进电机作为执行元件。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统,其方框图如下：
图1-1步进电机动作原理
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
1、反应式步进电机：
也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电机。
其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。
一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到六分之一度）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。
2、永磁式步进电机：
通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。
一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。
3混合式步进电机：
也叫永磁反应式、永磁感应式步进电机，混合了永磁式和反应式的优点。
其定子和四相反应式步进电机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。
一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电机。
两相四拍步进电机正转：
AB-
B-
-A
反转：
AB-A
-
-
B.
方案选择：
通过比较认为步进电机的转换精度高，驱动电路简单，非常适合本设计系统，并采用步距角为1.8°的两相四拍的混合式步进电机，并使用STK672-040芯片驱动能较好的满足系统的要求，因此我们选择了方案二。
（3）传感器模块
方案一：
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化二变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化经过比较器就可以输出高低电平。
但是，这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
方案二：
用RPR220型光电对管。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接受器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
当发光二极管发出的光反射回来的时，三极管导通输出低电平。
此光电对管电路简单，工作性能稳定。
方案选择：
通过比较，认为本设计相对需要较稳定相对电路简单的传感器，这样可以省下一些时间，因此，选择了方案二。
（4）平衡装置选择
方案一：
采用橡胶管中套钢珠的方法，让钢珠在管中随坡度的增加而来回滚动，从而触发信号，让单片机控制小车的运动，但是经过实际检测，发现其灵敏度不好，因此放弃此方案。
方案二：
采用RPR220型光电对管加重锤的方案，RPR220型光电对管的高灵敏度加上重锤的特性，应该能很好的得到信号，在检测过程中，发现重锤偏重，本身小车的重量较轻，造成小车倾斜，且重锤在小车上坡和下坡的过程中左右晃动，影响信号的准确性。
方案三：
双摇摆接头平衡检测仪，通过平衡检测仪的摇摆接头输出的信号来检测与判断小车是否达到平衡位置，在没有达到平衡时，小车能自动寻找平衡位置，直至平衡，该方案准确性强，灵敏度高，而且材料易的。
方案选择：
由于准确性灵敏度以及价格的优势，选择第三种方案。
1.2.3系统组成
系统主要分为控制和检测两大模块。
其中控制部分有STK672-040步进电机驱动、声光提示模块、按键处理及单片机的总控制作用。
检测部分由自制U型管液体平衡检测仪、RPR220型光电对管组成。
综合前述分析，小车控制系统框图如图1-2所示。
图1-2小车控制系统框图
2单元电路设计
以下部分介绍了此系统的各个模块的电路原理图及其分析，总共为七个模块，STK672-040步进电机驱动模块、APR9600语音芯片、8031单片机系统、平衡检测与显示部分、终点位置检测以及电源模块。
2.1控制部分电路的设计
2.1.1STK672-040驱动组成
图2-1STK672-040驱动模块连接图
STK672-040的内部结构如下图所示
图2-2芯片内部原理电路图
下面介绍其各个引脚的功能：
一、输入引脚功能如下
表2-1：
引脚功能表
引脚号
标示符
功能
引脚电路模式
14
CLK
时钟信号
内置上拉电阻COMS施密特触发器输入
15
CWB
运转控制设置
内置上拉电阻COMS施密特触发器输入
17
RETURN
返回上此相序
内置上拉电阻COMS施密特触发器输入
18
ENABLE
切断输出
内置上拉电阻COMS施密特触发器输入
9,10,11
M1,M2,M3
激励模式
内置上拉电阻COMS施密特触发器输入
12,13
M4,M5
矢量位置控制
内置上拉电阻COMS施密特触发器输入
16
RESET
系统复位
内置上拉电阻COMS施密特触发器输入
8
Verf
电流设定
运算放大器输入
信号输入功能和时间设定
CLK（时钟信号）：
输入信号的界限频率为50KHZ，最小脉冲宽度为10us。
引脚电路类型为内置上拉电阻（20K）COMS施密特触发器结构。
内置多级噪音消除电路。
功能：
1.当M3为高电平或断开时，在每个CLK上升沿的边缘处激励此相位。
2.当M3为低电平时，在CLK信号上升或下降的边缘处移动此相位，每个周期总共为两次。
CWB（转向方式的控制）：
引脚电路类型为内置上拉电阻（20K）COMS施密特触发器结构
功能：
1.当CWB为低电平时，步进电机顺时钟转动，即正转。
2.当CWB为高电平时，步进电机逆时钟转动，即反转。
注意：
当M3为低电平，CWB的输入必须在6.25us之内不被改变，在一个CLK上升沿或下降沿的边缘之前或是之后。
RETURN（把当前相序转回上一相序）：
引脚电路类型为内置上拉电阻（20K）COMS施密特触发器结构，内置噪音消除电路。
注意：
把此输入由低电平转变为高电平就能把当前的驱动相位强行转变为初始相位。
通常，如果此输入功能不用的话，其引脚必须被断开或者连接到VCC2S上。
ENABLE（控制A,
B和
的开/关驱动输出以及操作选择，或者此集成电路的内部状态的持续）：
引脚电路类型为内置上拉电阻（20K）COMS施密特触发器结构。
功能：
1.当ENABLE为高电平或者断开时，为正常工作状态。
2.当ENABLE为低电平时，此集成电路将保持原有状态，驱动输出被强行关闭。
在这种方式下，集成电路的系统时钟是停止的，除了复位输入对集成电路状态有点影响外没有其他输入了。
M1,M2,andM3（驱动模式和CLK输入边缘时间选择）：
引脚电路类型为内置上拉电阻（20K）COMS施密特触发器结构。
功能如下：
表2--2：
M1,M2,M3功能表
M2
0
0
1
1
励磁驱动
M3M1
0
1
0
1
时钟边设置
1
2励磁驱动
1-2励磁驱动
W1-2励磁驱动
2W1-2励磁驱动
仅上升沿
0
1-2励磁驱动
W1-2励磁驱动
2W-2励磁驱动
4W1-2励磁驱动
上升或下降沿
有效时间设定方式：
应用时，在一个CLK信号的上升或下降沿的边缘之前或之后的5us时间内必须不能改变其方式。
RESET（系统所有部分复位）：
引脚电路类型为内置上拉电阻（20K）COMS施密特触发器结构。
功能：
当给定RESET低电平信号后电路所有部分都设定成最初始的状态。
（注意：
此脉冲宽度至少得为10us.）。
在这个时候即使是在激励状态下A和
相也都被设定为初始状态，复位之后输出电流变为之前值的71%。
Verf（为衡流检测设置一个当前值作为参考）：
引脚电路类型为模拟输入结构。
功能：
1.衡流控制可以被应用到在马达当前驱动100%而当前应用电压为一个少于控制系统电源电压VCC2到2.5V的电压。
2．使用者可以应用衡流控制Verf电压比例，在2.5V上限值的范围内。
二、输出引脚功能如下
表2--3：
输出引脚功能
引脚号
标识符
功能
引脚电路模式
19
M0I
初始驱动相位监控
标准CMOS配置
20/21
M01,M02
初始驱动状态监控
标准CMOS配置
输出信号的功能和时间设定：
A,
B和
（马达激励相位输出）。
功能：
在4相和两相驱动方式下，要在A和
和B和
之间设定一个3.75us的时间间隔作为输出信号的过渡时间。
M01,M02和M0I（驱动相位状态监控）。
引脚电路类型为标准COMS结构。
功能：
输出当前驱动相位的输出状态。
如下
表2--4M01,M02功能表
相协调
A相
B相
相
相
M01
1
0
0
1
M02
0
1
0
1
当每一相都为初始状态时MOI输出为0，否则M0I输出为1
图2-4电机运转相序
如上图2-4所示，此驱动电路M1,M2接地，M3接+5V电源，即为0，0，1。
当CWB为低电平时电动机的运转相序为（其中图中AB=
BB=
）:
在1/4—1/2周期内A,B为高电平有效，即输出为AB；在1/2—3/4周期内
，B为高电平有效，即为
B；在3/4—1周期内
，
为高电平有效，即输出为
；在1—5/4周期内A,
为高电平有效，即输出为A
；在5/4—3/2周期内又变为A,B高电平有效，即输出为AB，此相序处于循环中。
因为CWB为0时电机正转，所以步进电机正转的时序为AB-
B-
-A
。
当M1,M2,M3为0,0,1，CWB为1时电机运转的相序为：
图中从CWB变为1后A的第一个上升沿开始计算。
在0—1/4周期内A，B两相为高电平，即输出为AB；在1/4—1/2周期内A，
两相为高电平，即输出为A
；在1/2—3/4周期内
，
两相为高电平，即输出为
；在3/4—1周期内
，B两相为高电平，即输出为
B；在1—5/4周期内A，B两相为高电平，即输出为AB；此相序循环。
因为当CWB为1时电机转，所以电机反转的相序为：
AB-A
-
-
B。
在次系统中用到的两相混合式步进电机的参数如下:
表2--5110BYG250B-SAKRMT-0602技术参数
2.1.2语音录放芯片
APR9600语音录放芯片，是继美国ISD公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放32～60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。
与ISD同类芯片相比它具有：
价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点，同时保留了ISD2500芯片的一些特点，都是DIP28双列直插塑料封装，在管脚排列上也基本相同。
在APR9600芯片的内部，录音时外部音频信号可以通过话筒输入和线路输入方式进入，话筒可采用普通的驻极体话筒，在芯片内话筒放大器（Pre-Amp）中自带自动增益调节（AGC），可由外接阻容件设定响应速度和增益范围。
如果信号幅度在100mV左右即可直接进入线路输入端，音频信号由内部滤波器、采样电路处理后以模拟量方式存入专用快闪存储器FLASHRAM中。
由于FLASHRAM是非易失器件，断电等因素不会使存储的语音丢失。
放音时芯片内读逻辑电路从FLASHRAM中取出信号，经过一个低通滤波器送到功率放大器中，然后直接推动外部的喇叭放音。
厂家要求外接喇叭为16欧姆，实际试验用8～16欧姆均可，输出功率约12.2mW（16欧）。
采用APR9600语音录放芯片，价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点。
图2-3APR9600语音录放芯片连接图
如图2-3中所示，/RE为低电平有效，接到8031单片机的P3.3引脚。
/CE也为低电平有效，接到单片机P1.7引脚。
M1端口亦为低电平有效，/M1通过一个按键直接与地连接。
当处于录音功能时其三者必须配合使用：
在小车不启动时预先录音：
按下/RE键的同时按下/CE按钮,此时按下M1时会立即听到“嘀”一声BUSY指示灯亮起，此时可以通过话筒将音录入芯片，当录音满后会听到“嘀嘀”两声，BUSY指示灯随即熄灭，此时松开此三个按钮即停止录音，每段录音最长不超过15S，如果未录音满时要停止录音只需要松开M1键即可。
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