許宏福 陳勇志 姚 敏 謝光奇

湘南學(xué)院 湖南郴州 423000

步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)智能化控制

許宏福 陳勇志 姚 敏 謝光奇

湘南學(xué)院 湖南郴州 423000

本設(shè)計(jì)由兩套獨(dú)立的電源模塊供電，利用E18-D80NK紅外避障傳感器和TCRT5000黑白線傳感器采集路況信息，以宏晶科技的8位單片機(jī)STC89C52為核心控制器，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，達(dá)到路徑識(shí)別的目的；并通過LCD1602液晶顯示模塊顯示小車的運(yùn)行狀態(tài)；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的智能控制，達(dá)到小車自主循線和避障的功能。

電源模塊；傳感器；控制器；智能控制

Abstract: This design is supplied by two sets of independent power supply module, using infrared sensors of the E18 - D80NK and black and white lines sensors of the TCRT5000 to collect traff c information. With the purpose of the path recognition, the microcomputer chip of the STC89C52 which is the core controller controlled the step motor driver module. The states of the car are displayed by the LCD1602 LCD module. Intelligent control of the step motor by the microcomputer achieved independent follow line and counterguard function of the car.

Key words: power supply module; sensors; controller; intelligent control

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或線位移的一種特殊的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。它不需要交換，能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移，因而很適合作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。此外，它的轉(zhuǎn)速在電機(jī)的負(fù)載范圍內(nèi)與電脈沖頻率成正比，而與電壓電流等無直接聯(lián)系。計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論與控制技術(shù)的發(fā)展，給步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，應(yīng)用非常廣泛，如數(shù)控機(jī)床、繪圖儀、自動(dòng)記錄儀、遙控裝置和航空系統(tǒng)等，都大量使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本系統(tǒng)以智能小車為載體，以汽車電子為背景，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制原理、傳感器與現(xiàn)代檢測技術(shù)、電子技術(shù)等學(xué)科知識(shí)。通過硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的智能化控制。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示：STC89C52單片機(jī)為控制系統(tǒng)的控制中心，主要負(fù)責(zé)處理傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，將處理的結(jié)果作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)行。并將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)在LCD1602液晶上顯示。傳感器模塊承擔(dān)數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，為控制器決策提供信息支撐。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)兩套相互獨(dú)立的電源分別供電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制測量等電路使用。如圖2所示，7.4V的鎳鎘可充電電池經(jīng)MIC29302穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓后供電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用，經(jīng)LM7805穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓后供控制測量等電路使用。Power為擴(kuò)展的電源接口備用。

1.3 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，主要負(fù)責(zé)處理傳感器測量的數(shù)據(jù)并將處理的結(jié)果送給驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的運(yùn)行。考慮系統(tǒng)的控制要求及性價(jià)比，選擇STC89C52作為系統(tǒng)的主控芯片。主控電路如圖3所示。

圖2 電源電路圖

圖3 主控電路圖

1.4 傳感器測量電路設(shè)計(jì)

傳感器測量的結(jié)果作為控制器的輸入，其測量的精度、靈敏度、響應(yīng)速度等性能指標(biāo)的優(yōu)劣決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。紅外壁障傳感器E18-D80NK的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 E18-D80NK技術(shù)參數(shù)

黑白線檢測傳感器TCRT5000的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 TCRT5000技術(shù)參數(shù)

上述2種傳感器均能滿足測量要求。測量電路如圖4所示。

圖4 傳感器模塊原理圖

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路由兩片L298N H橋式步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片及續(xù)流肖特基二極管組成，輸入端口直接接主控芯片的P1口。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.6 液晶顯示與在線編程接口電路設(shè)計(jì)

液晶顯示與在線編程接口電路如圖6所示，LCD1602用來顯示小車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、行程等信息。串口進(jìn)行燒寫與在線調(diào)試。方便開發(fā)和維護(hù)工作。

圖6 液晶顯示與在線調(diào)試電路圖

2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

2.1 循線算法程序流程圖

小車在循線模式下工作時(shí)：在開放有限的地面空間貼有任意黑色線條，小車在沒有任何人為干預(yù)條件下自主尋找黑色線條。在找到黑色線條后在黑色線條上找到一點(diǎn)使之到小車初始位置的距離最短(最優(yōu)路徑)，在找到最優(yōu)路徑后回到起始點(diǎn)并沿最優(yōu)路徑再次循線。小車循線程序流程圖如圖7所示。

圖7 循線算法程序流程圖

由表3小車尋線實(shí)測數(shù)據(jù)分析，小車在尋線模式下工作時(shí)其誤差在1.2%～5%之間。

表3 小車尋線實(shí)測數(shù)據(jù)(單位：/cm)

2.2 避障算法程序流程圖

小車在避障模式下工作時(shí)：在有限的迷宮內(nèi)小車能夠沿著迷宮內(nèi)的可行駛通道避開各個(gè)方向的障礙物，并且找到一條能駛出迷宮的通道。實(shí)驗(yàn)證明由于小車車體關(guān)系，迷宮的寬度必須大于24cm，高度在10～10.5cm。小車避障程序流程圖如圖8所示。

圖8 避障算法程序流程圖

3 結(jié)束語

以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)為步進(jìn)電機(jī)的智能化控制開辟了新的途徑。引入避障算法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的尋找。硬件與軟件的結(jié)合提高系統(tǒng)的可靠性。通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試，按以上方案系統(tǒng)運(yùn)行良好，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制，定位控制的同時(shí)，能保證最優(yōu)路徑自能化的實(shí)現(xiàn)。為工業(yè)現(xiàn)場控制提供了智能車模型。

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[3] 康光華，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2005

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Intelligent control of the step motor by the microcomputer

Xu Hongfu, Chen Yongzhi, Yao Min, Xie Guangqi
Xiangnan university, Chenzhou, 423000, China

2011-05-06 稿件編號(hào)：1105028

許宏福，在讀本科生。

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)踐項(xiàng)目。