基于单片机的步进电机小车控制系统设计.docx
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基于单片机的步进电机小车控制系统设计
基于单片机的步进电机小车驱动系统设计
摘要
本设计以STC89C52单片机最小系统为核心，设计了一种两相四线步进电机的驱动器电路。
整个系统通过单片机控制步进电机驱动器的输出信号，对步进电机的动作进行控制，进而实现小车的行走动作。
文章包括了步进电机正转、反转、加速、减速这些基本旋转，以及在此基础之上同时控制两个步进电机，实现小车的前进、后退、左转与右转。
并在小车上增加一些传感器模块，使单片机正常驱动步进电机，带动小车执行相应任务的同时，根据传感器模块的反馈，不断修正，直到任务实现小车循迹与避障功能。
至此来证明所设计的驱动电路的可行性。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
文章中不仅包括了在步进电机驱动电路基础上的单片机扩展电路，也包括了专门为单片机供电的5V稳压电路的分析与设计，以及使单片机串口与计算机USB接口直接进行通信的上位机电路的设计。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
关键词：
STC89C52；步进电机；步进电机驱动电路；循迹；避障
SteppingmotorvehiclesdrivesystemdesignbasedonSingle-ChipMicrocomputer残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
Abstract
ThisdesignwithSTC89C52SCMsmallestsystemasthecore,designedatwophasefour-wiresteppingmotordrivecircuit. Thewholesystembysinglechipmicrocomputercontrolsteppingmotordrivestheoutputsignal,tocontrolthemotionofthesteppermotor,andrealizesthecartowalk.Articlesincludingthesteppermotorareturning,inversion,acceleration,deceleration,thesebasicrotation,andonthisbasisatthesametimecontroltwosteppermotors,implementthecarmoveforward,backward,turnleftandturnright.Andaddsomeonthecarsensormodule,MCUtonormaldrivingsteppingmotor,drivecarcorrespondingtasksatthesametime,accordingtothefeedbackofsensormodule,thecorrectionunceasingly,untilthetasktorealizethecartrackingandobstacleavoidancefunction.Atthispointtoprovethefeasibilityofthedesigneddrivercircuit.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
Notonlyincludedinthearticlebasedonstepmotordrivecircuitofsinglechipmicrocomputerextendedcircuit,alsoincludedforMCUpowersupply5vvoltageregulatorcircuitanalysisanddesign,andmakethemicrocontrollerserialportandthecomputerUSBinterfacedirectlycommunicatesuperiormechanicalandelectricaldesignoftheroad.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
Keywords:
STC89C52;steppermotor;steppermotordrivecircuit;tracking;obstacleavoidance謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
第1章绪论
1.1课题背景
步进电机是自动控制系统中常用的执行部件。
步进电机的输入信号为脉冲电流，它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型的角位移或直线位移，因而步进电机可看作是一个串行的数/模转换器。
由于步进电机能够直接接受数字信号，而不需数/模转换，所以使用微机控制步进电机显得非常方便[1]。
步进电机有以下优点:
茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
（1）通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制;
（2）位置误差不会积累;
（3）与数组设备兼容,能够直接接收数字信号;
（4）可以快速启停。
步进电机的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式（也称反应式或变磁阻式）电机、混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。
步进电机不需位移传感器就可精确定位，所以在精确定位系统中应用广泛。
目前打字机、计算机外部设备、数控机床、传真机等设备都使用了步进电机。
随着电子计算机技术的发展，步进电机必将发挥它的控制方便、控制准确的特点，在工业控制等领域取得更为广泛的应用[2]。
鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
1.2课题研究的内容
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。
它是用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。
籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
本次毕业设计选用的步进电机是两相步进电机，通过软件和硬件的结合首先实现步进电机的启停、正转、反转、调速功能，在此基础上实现循迹、避障。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而精确地控制转动角度；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的角度和加速度，从而达到调速的目的。
預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
第2章系统总体设计
2.1系统设计要求
基于单片机的步进电机小车系统，就是在单片机最小系统的基础上，增加一些模块，使单片机正常驱动步进电机，带动小车执行相应任务的同时，根据传感器模块的反馈，不断修正，直到任务实现。
为了实现任务，还需设计一些为系统服务的模块。
渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
2.2系统框图
本系统单片机电路部分由供电电路、时钟电路、复位电路与I/O电路部分组成，再由单片机控制电机实现循迹功能与避障功能。
铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
本系统设计各部分框图如图2-1所示：
图2-1系统框图
2.3设计规划
由于整个系统基于单片机，首先应该了解单片机的特点以及应用领域与应用方法。
其次，单片机包括很多种类，在大致了解单片机之后应该为设计选择一款合适的单片机，之后再对这款单片机经行深入研究，了解这款单片机的各项参数与内部构造，才能知道单片机与其他芯片的连接方法。
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度是一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的正反与速度及两个电机之间的协调配合，从而达到控制目的。
贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
但单片机不能直接驱动步进电机，最好的解决方法是设计一种步进电机驱动器，由单片机控制驱动器，再由驱动器驱动步进电机。
单片机作为总控制芯片要有稳定合适的电压输入，所以在单片机与电源之间要接稳压电路。
另外，为了能更方便的让计算机与单片机通信，还要设计一种上位机软件。
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
到这里只是能让步进电机执行预定的动作，并没有体现单片机控制步进电机的灵活性。
因此还可以让小车设计实现循迹与避障两个功能，让小车在接收传感器反馈信号的情况下，完成预想的任务。
蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
第3章系统硬件设计
3.1单片机介绍
3.1.1单片机概述
单片微型计算机简称单片机，又称为微控制器（MCUSingle-ChipMicrocomputer），它的出现是计算机发展史上的一个重要里程碑，它以体积小、功能全、性价比高等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。
51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一[3]。
買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
经过20多年的推广与发展，51系列单片机形成了以个规模庞大、功能齐全、资源丰富的产品群。
随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍接受及应用，51单片机的发展又进入了以个新的阶段。
许多专用功能芯片的内核集成了51单片机，与51系列单片机兼容的微控制器以IP核的方式不断地出现在FPGA的片上系统中。
近年来，基于51单片机的嵌入式实时操作系统的出现与推广，表明了51系列单片机在今后的许多年中依然会活跃如故，而且在很长一段时间中将占据嵌入式系统产品的低端市场。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
3.1.2单片机的特点
单片机就是将CPU，RAM，ROM，定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机[4]。
其主要特点如下:
驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
（1）片内存储容量较小:
原因是受集成度的限制。
ROM一般小于8KB，RAM一般小于256B，但可以在外部扩展.通常ROM，RAM可分别扩展至64KB。
猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
（2）可靠性高:
因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。
系统软件（如:
程序指令,常数,表格）固化在ROM中，不易受病毒破坏。
许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。
锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
（3）便于扩展:
片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的（总线,并行和串行的输入/输出）管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。
構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
（4）控制功能强:
具有丰富的控制指令:
如条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。
（5）实用性好:
体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化。
3.1.3单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴[5]：
輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
（1）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
（2）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
（3）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
（4）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
3.1.4单片机选用
目前应用广泛的单片机为51系列单片机，89C52单片机的内部RAM、ROM要大于89C51单片机，能允许更大的程序运行，并且其它一些指标要优于后者，故本设计选用了前者作为主控制芯片。
鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
本系统设计应用的是STC89C52单片机作为主处理芯片。
这个芯片是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
它的主要功能特性如下[6]：
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
1.兼容MCS51指令系统
2.8k可反复擦写（大于1000次）Flash ROM；
3.32个双向I/O口；
4.256x8bit内部RAM；
5.3个16位可编程定时/计数器中断；
6.时钟频率0-24MHz；
7.2个串行中断，可编程UART串行通道；
8.2个外部中断源，共8个中断源；
9.2个读写中断口线，3级加密位；
10.低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
11.有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。
本设计为了能让单片机的引脚更加容易接出，采用的是PDIP封装，它的引脚图与实物图如图3-1与3-2所示：
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
图3-2STC89C52实物图
图3-1STC89C52引脚图
3.1.5控制电路设计
本系统是在单片机最小系统上进行设计的。
单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统[7]。
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等。
单片机最小系统电路设计如下：
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
1.单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
2.单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
3.单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好，不会受到电路的干扰。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
单片机最小系统图如图3-3所示：
图3-3单片机最小系统图
在本设计中为了能更方便的实现较多的功能[8]，单片机的引脚可方便的与外部电路相连，在电路图中外加了排母，将单片机的所有引脚引到了排母上。
但只有信号不能驱动外加模块，因此在外接引脚的旁边另接一排同样数量引脚的排母，并且接5V的电源，与同样数量的接地的排母。
单片机的扩展电路如图3-4所示：
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
图3-4单片机的扩展电路图
3.1.6单片机供电模块设计
本设计采用6V可充电镍氢充电电池组作为单片机的电源,这种电源的优点是电容量大,可以支持步进电机的长时间运转。
但众所周知，电池在放电过程中,电压会随着时间减小,运行过程中电压会渐渐达不到要求,而充满电时电压又过高,如图3-5所示，而单片机的工作电压最好为5V，如果不进行降压稳压处理，会对单片机造成损害,故要在电源与单片机之间加稳压芯片。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
图3-5电池电压与电量的关系
本设计中采用常见的AMS1117作为单片机的稳压芯片，它的概述如下：
AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。
在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252（DPAK）塑料封装。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
AMS1117芯片的特性如下：
1.三端口可调节或固定输出电压1.5V,1.8V,2.5V,2.85V,3.3V和5.0V
2.输出电流1A，工作压差低至1V
3.线荷载调节：
0.2%Max负载调节：
0.4% Max.
4.可选SOT-223,TO-252和SO-8封装的结温
5.片内过热切断保护电路提供了过载和过热保护，以防止环境温度造成过高
6.为了确保AMS1117的稳定性，对可调电压版本，输出需要连接一个至少22μF的钽电容。
对于固电压版本，可采用更小的电容，具体可根据实际应用确定。
通常线性调压器的稳定性随着输出电流增加而降低。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
单片机需要5V的稳定电压，故选择AMS11175.0的芯片经行降压，芯片的1管脚接电池的正极，2管脚接单片机的VCC端，3管脚与电池的负极与单片机GND相连并接地。
在工作时单片机的VCC端有5V的电压，所以电路图中的发光二极管会导通并发亮，指示电路正在工作状态。
如图3-6所示。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
图3-6单片机稳压电路图
3.2步进电机介绍
3.2.1步进电机的概述
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构[9]。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的[10]。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
步进电机也是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
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。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
3.2.2步进电机的特点
步进电机有以下特点[11]：
1．不需要反馈，控制简单。
2．与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。
3．没有角累积误差。
4．停止时也可保持转距。
5．没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。
6．即使没有传感器，也能精确定位。
7．根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。
但是，这种电机也有自身的缺点。
8．难以获得较大的转矩
9、不宜用作高速转动
10．在体积重量方面没有优势，能源利用率低。
3.2.3步进电机的工作原理
下面以四相步进电机最简单的四拍工作方式来说明步进电机的工作原理：
图3-7步进电机的工作原理
以四相步进电机为例，SA、SB、SC与SD分别是四相步进电机的四个相的开关，开关接通时，磁极通电；开关断开，磁极断电。
SA通电时A磁极接通，产生磁场，吸引转子2靠近磁极A；之后SA断开，SB接通，产生磁场，吸引转子3靠近磁极B；接着SB断开，SC接通产生磁场，吸引转子4靠近磁极C，周而复始电机就会旋转。
开关通电断电的时间和间隔越长，则转子换向需要的时间就越长，即电机转的越慢；反之则电机转的越快。
电机的加速旋转与减速旋转也可以又各相定子通断电的频率改变[12]。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
3.2.4步进电机选用
步进电机是以脉冲信号依次使定子激励,以数字电压输入来控制转速与转动方向。
因此,步进电机可工作于单相通电,双相通电,以及双相交叉通电[13]。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
本设计中选用的是42HS02型两相四线步进电机，它有多种控制方式，本设计中采用的是双二拍整步方式，即采用通电次序两相，四拍：
（+A）（+B）--（-A）（+B）--（-A）（-B）--（+A）（-B）—。
两相绕组同时通电时，同时对转子产生引力。
与单二拍相比，双二拍不容易产生丢步的现象。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
3.3步进电机驱动器的设计
常用的步进电机的驱动芯片有两种，一种是L297，另一种是L298n[14]。
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
一般的控制芯片起到控制作用，但是驱动能力不强，而电机（不单是步进电机）所需要的电流一般比较大，控制芯片的IO口不能提供大电流，所以一般不能直接驱动电机。
L298n是驱动芯片，可以将控制芯片的输出转换成较高的电压和能够输出较大的电流。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
所以将L297与L298n同时相连组成的步进电机驱动电路，无论对硬件的系统集成和控制软件，都是省时省力的事，因为组合后每只步进电机只需步进脉冲、正反转两个信号便行。
如图3-7所示。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
图3-8步进电机驱动电路
在设计中，这样的步进电机有驱动器两个，分别驱动左右两个步进电机。
在电路图中in1、in2与in3是分别接收由单片机输出的信号的端口，in1接收使能控制信号，in2接收方向控制信号，in3接收时钟控制信号，in1、in2与in3分别与单片机的P1^0、P1^1、P1^2口相连。
由于设计中有两个驱动器，另外一个驱动器的三个输入口分别与P1^3、P1^4、P1^5相连，这样单片机的6个口就可以控制步进电机的运动了。
out1、out2、out3与out4分别是步进电机驱动器的四个输出口，为了步进电机能按要求转动，这四个输出口因该按顺序与步进电机的四条引线相连。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
单片机输出对应驱动器输入驱动器输出如表3-1，表3-2所示。
表3-1电机正转表
A+
B+
A-
B-
驱动器输出电平
正转
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
1
表3-2电机反转表
A+
B+
A-
B-
驱动器输出电平
反转
1
1
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
3.4系统功能设计
3.4.1循迹功能
循迹功能是步进电机小车沿着一条黑色固定轨迹前进的功能，小车跟随轨迹就要用到光电传感器。
光电传感器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的[15]。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号[16]。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
光电传感器是一种能进行非接触检测的传感器，其具有检测范围广、检测距离远的优点。
其最大检测距离往往和被检物的尺寸、形状、颜色及表面状
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