步进电机驱动的小车电气控制系统设计

- 1 -步进电机驱动的小车电气控制系统设计摘 要：我们本次设计采用 ATMEL 公司的 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。关键词：AT89S51 单片机；智能小车；步进电机；自动循迹；避障；探测金属The Design of Stepper Motor to Drive The Car Electrical Control System - 2 -Abstract: In this design we use the Atmel companys AT89S51 as control core. On the basis of smallest system, it controls buttons detection to control of the stepper motors turning, inversion, acceleration and stop make intelligent car to follow the black line by automatic tracing. Through peripheral sensor signal when it can follow reasonable obstacle-avoidingand and detecte metal can alarm-immediately, so the intelligent car can realize reasonable progression. Key word: AT89S51; intelligent car; stepping motor; automatic follow tracing; obstacle avoidance;detect metal- 3 -1 前言随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注,新一代智能汽车的研发在国内外受到越来越多的重视。控制电机已经成为现代工业自动化系统、无人驾驶装备中不可缺少的重要组件。它的应用范围非常广泛，例如火炮和雷达的自动定位，舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，遥远目标位置的显示，机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，以及机器人、电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音录像设备等中的自动控制系统。本次设计的智能小车可以自动寻迹、自动避障，金属探测等功能。同时，随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术、新材料以及控制理论和电机本体技术的不断发展进步，用户对电机控制的速度、精度和实时性提出了更高的要求，因此作为微特电机重要分支的控制电机也得到了空前的发展。控制电机已经成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要组件。它的应用范围非常广泛，例如火炮和雷达的自动定位，舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，遥远目标位置的显示，机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，以及机器人、电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音录象设备等中的自动控制系统。本次设计的智能小车可以显示计时和行程，具有自动寻迹、自动避障，金属探测等功能 1。根据设计要求，确定如下方案：在现有的（带有两个步进电机和一个万向轮）小车的基础上，加装光电寻迹、红外线避障及金属探测器，实现对小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测到的数据传送至 AT89S51 单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对小车的智能控制。这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制。目前，国内比较先进的智能车通过观测前方的路况，将路面的信息输入到车内的电脑中，通过计算机控制方向盘的运动，实现自动避障。智能车辆的速度，关键在于它的控制技术，这就涉及到它的避障算法。 16一个好的控制算法如同一个有经验的司机，控制汽车运行。自第一台工业机器人诞生以来，智能小车的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来智能小车水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然地过程中，制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想 2。智能小车要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当于给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，- 4 -并判断障碍物远近 3。步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于步进电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此，她仍然能根据市场的需求，沿着小型、高效、低价的方向发展。步进电动机的原理是基于最基本的电磁铁作用、其原始模型起源于 1830 年至1860 年间。1870 年前后开始以控制为目的的尝试、应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。20 世纪 60 年代后期，在步进电动机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近 30 年间。步进电动机迅速地发展并成熟起来 4。从发展趋向来讲、步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。我国步进电动机的研发及制造起始于本世纪 50 年代后期。从 50 年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70 年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。70 年代中期至 80 年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自 80 年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用 5。美国俄亥俄州立大学智能交通研究所所研发的三辆智能原型车辆，配备不同的传感器来实现数据融合和错误检测技术：基于视觉的系统；雷达系统；激光扫描测距器；其他传感器，如侧向雷达、转向陀螺仪。利用基于视觉的方法实现道路检测。斯特拉斯堡试验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工大学、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。 6根据设计要求，确定如下方案：在现有的（带有两个步进电机和一个万向轮）小车的基础上，加装光电寻迹、红外线避障及金属探测器，实现对小车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测到的数据传送至 AT89S51 单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对小车的智能控制。这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制。- 5 -本次设计采用 ATMEL 公司中的 AT89S51 单片机。以 AT89S51 单片机为控制核心，利用红外线检测道路上的障碍，控制智能小车的自动避障，以反射式光电传感器检测小车要行走的路线，控制小车的自动寻迹，利用金属探测器实现对小车的停止进行控制。2 系统设计2.1 设计要求设计一个步进电机驱动的智能小车。采用 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，控制步进电机的启动、加速和停止，使智能小车可以循着黑线行走，碰到障碍物可以合理避障，探测到金属可以发出报警信号，从而使智能小车实现合理的行走。（1） 智能小车可实现正、反转控制；（2） 智能小车行走速度、位置可控制；（3） 智能小车可实现光电循迹、红外线避障、金属探测传感器的功能；（4） LCD 液晶显示计时和行程。2.2 总体设计方案2.2.1 系统总体设计方案要求设计并制作一个以单片机为控制核心的智能小车。采用步进作动力，小车具有地面黑白线自动寻迹、自动避障、金属探测等功能，操作者可以通过按钮启动小车能按照预定的要求自动运行。本系统采用 AT89S51 单片机为为核心控制芯片，包括自动寻迹电路、金属探测电路、红外检测电路、电机驱动电路。可在小车车身装上 LED显示小车的运行状况并通过汇编完成智能小车的监控装置。总体设计框图， 11如图1 所示。- 6 -液晶显示单片机最小系统光电检测 红外检测 金属探测步进电机驱动电路步进电机按键电源电路图 1 步进电机驱动智能小车总体结构框图Fig1 Stepper motor driven vehicle intelligent overall structure diagram2.2.2 基本模块设计方案（1）车体设计方案 1：制定左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的步进电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个步进电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的 360 度的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有机玻璃。用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。方案 2：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后驱轮动，不能适应该题目，不能方便迅速的实现原地保持坐标转 90 度甚至180 度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调整。而且这种电动车一般价格不菲。因此我们放弃了此方案。综上考虑，我们选择了方案 1。- 7 -(2)电机的选择方案 1：永磁式步进电机，转矩和体积较小，步进角为 7.5 度。方案 2：反应式步进电机，一般为三相，可以实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和震动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰。综上考虑我们选择了方案 1步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。(3)电机驱动模块由于电动车采用了后面使用万向轮，两个后轮各一个电机驱动的驱动方式，所以可使电动车旋转 360 度，这样即使前后方都碰到障碍物的时候，电动车也可以通过在原地不断旋转的方式找到避免撞击障碍物的线路。利用 LM298 及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。单片机控制口接两个 LM298的八个输入控制端。两个 LM298 的八个输出端接步进电机。3 硬件电路设计3.1 电源电路模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下几种方案为系统供电。方案 1：采用 5 节 1.5V 干电池供电，电压达到 7.5V，经 7805 稳压后给支流电机供电，然后将 7.2V 电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案 2：采用 8V 蓄电池为电机供电，将 8V 电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃了此方案。方案 3：:选用一个简单的电源电路，为电源模块提供了+7.2V、+5V，也可为其他电路系统供电，达到有效的利用。220V 的交流电压通过整流桥，经过滤波，再通过LM2940C 集成稳压管得到稳定的+7.2V 的直流稳压电源，通过 LM2940C 集成稳压管得到稳定的+5V 的直流稳压电源。因此综上考虑，我们选择了方案 3。电路原理图如图2 所示：- 8 -图 2 电源电路Fig2 Power supply circuit3.2 光电寻迹模块图 3 所示电路中，智能小车共采用 3 路光电检测电路，检测信号分别由P1.0、P1.1、P1.2 输入。R6 起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R7 的上端变为高电平，此时 VT1 饱和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1 截至，其集电极输出高电平。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我选择此电路作为我的传感器检测与调理电路。此光电对管电路简单，工作性能稳定。- 9 -图 3 光电循迹电路检测Fig3 Photoelectric tracking circuit detection3.3 金属探测传感器设计金属探测器我选用接近开关，接近开关属于非接触型检测装置。当金属检测体接近开关的感应区域时，开关就能无接触物压力无火花发出信号，简单易行，准确且抗干扰性能优越。金属探测电路原理图如图 4 所示。在车前中部安装一个金属探测传感器，可选用电涡流传感器 LJK-D4N，将其检测面对准运行路面，当小车通过金属块时，输出一个高电平信号，然后送至单片机 P3.0，查询判断后控制电动机产生相应动作，使小车车速减慢并可进行声光提示。本模块操作简单，准确且抗干扰性能越优。- 10 -图 4 金属探测电路Fig4 Metal detecting circuit3.4 红外避障模块图 5 所示电路采用红外线壁障，利用一管发射一管接收，接受管对外界红外线的接收有无来判断障碍物，这种方式干扰小，而且易于实现。由于红外线受到外界可见光的影响较大，因此用 38KHz 调制信号，红外发射二极管发射红外线，在没有遇到障碍物时会输出一个高电平信号，送至单片机中 P3.6，如果遇到障碍物后，光线反射回来，接收的光电二极管就会导通，这时候就会输出一个低电平，送至单片机 P3.6。- 11 -图 5 红外避障检测电路Fig5 Infrared obstacle avoidance detection circuit3.5 单片机 AT89S51 核心模块3.5.1 主要性能 91、 4k Bytes Flash 片 内 程 序 存 储 器 ； 2、 128 bytes 的 随 机 存 取 数 据 存 储 器 RAM3、 32 个 外 部 双 向 输 入 /输 出 （ I/O） 口 ； 4、 5 个 中 断 优 先 级 、 2 层 中 断 嵌 套 中 断 ；5、 6 个 中 断 源 ； 6、 2 个 16 位 可 编 程 定 时 器 /计 数 器 ；7、 2 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ； 8、 看 门 狗 电 路 ；9、 片 内 振 荡 器 和 时 钟 电 路 ；10、 与 MCS-51 兼 容 ； 11、 全 静 态 工 作 ： 0Hz-33MHz； - 12 -12、 三 级 程 序 存 储 器 保 密 锁 定 ； 13、 可 编 程 串 行 通 道 ； 14、 低 功 耗 的 闲 置 和 掉 电 模 式 。 3.5.2 功能特性AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4K Bytes ISP 的反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，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 位中央处理器和 ISP Flash 存储器单元，AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到了广泛的应用。3.5.3 引脚的分析介绍 9VCC： 电 源 电 压 输 入 端 。GND:电 源 地 。P0 口 ： P0 口 为 一 个 8 位 开 路 双 向 I/O 口 ， 每 脚 可 吸 收 8TTL 门 电 流 。 当 P1口 的 管 脚 第 一 次 写 1 时 ， 被 定 义 为 高 阻 输 入 。 P0 能 够 用 于 外 部 程 序 数 据 存 储 器 ，它 可 以 被 定 义 为 数 据 /地 址 的 低 八 位 。 在 Flash 编 程 时 ， P0 口 作 为 原 码 输 入 口 ，当 Flash 进 行 校 验 时 ， P0 输 出 原 码 ， 此 时 P0 外 部 必 须 被 拉 高 。P1 口 ： P1 口 是 一 个 内 部 提 供 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 口 缓 冲 器 能 接收 输 出 4TTL 门 电 流 。 P1 口 管 脚 写 入 1 后 ， 被 内 部 上 拉 为 高 ， 可 用 作 输 入 ， P1 口被 外 部 下 拉 为 低 电 平 时 ， 将 输 出 电 流 ， 这 是 由 于 内 部 上 拉 的 缘 故 。 在 Flash 编 程和 校 验 时 ， P1 口 作 为 第 八 位 地 址 接 收 。表 1 P1 口 第 二 功 能Table1 P1 second function P1 口 引 脚 第 二 功 能P1.0 T2（ 定 时 /计 数 器 T2 的 外 部 计 数 输 入 /时 钟 输 出 ）P1.1 T2EX（ 定 时 器 /计 数 器 T2 的 捕 获 触 发 和 双 向 控 制 ） P1.5 MOSI（ 主 机 输 出 线 ， 用 于 ISP 在 系 统 编 程 ）P1.6 MISO（ 主 机 输 入 线 ， 用 于 ISP 在 系 统 编 程 ）P1.7 SCK（ 串 行 时 钟 线 ， 用 于 ISP 在 系 统 编 程 ）P2 口 ： P2 口 为 一 个 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P2 口 缓 冲 器 可 接 收 ， 输 出4 个 TTL 门 电 流 ， 当 P2 口 被 写 “1”时 ， 其 管 脚 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 ， 且 作 为 输入 。 并 因 此 作 为 输 入 时 ， P2 口 的 管 脚 被 外 部 拉 低 ， 将 输 出 电 流 。 这 是 由 于 内 部 上拉 的 缘 故 。 P2 口 当 用 于 外 部 程 序 存 储 器 或 16 位 地 址 外 部 数 据 存 储 器 进 行 存 取 时 ，- 13 -P2 口 输 出 地 址 的 高 八 位 。 再 给 出 地 址 “1”时 ， 它 利 用 内 部 上 拉 优 势 ， 当 对 外 部八 位 地 址 数 据 存 储 器 进 行 读 写 时 ， P2 口 输 出 其 特 殊 功 能 寄 存 器 的 内 容 。 P2 口 在Flash 编 程 和 校 验 是 接 收 高 八 位 地 址 信 号 和 控 制 信 号 。 P3 口 ： P3 口 管 脚 是 8 个 带 内 部 上 拉 电 阻 的 双 向 I/O 口 ， 可 接 收 输 出 4 个TTL 门 电 流 。 当 P3 口 写 入 “1”后 ， 它 们 被 内 部 上 拉 为 高 电 平 ， 并 用 作 输 入 。 作为 输 入 ， 由 于 外 部 下 拉 为 低 电 平 ， P3 口 将 输 出 电 流 （ TLL） 这 是 由 于 上 拉 的 缘 故 。P3 口 除 了 作 为 普 通 I/O 口 ， 还 有 第 二 功 能 ：P3.0 RXD(串 行 输 入 口 )P3.1 TXD（ 串 行 输 出 口 ）P3.2 /INT0(外 部 中 断 0)P3.3 /INT1（ 外 部 中 断 1）P3.4 T0(T0 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 )P3.5 T1（ T1 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ）P3.6 /WR (外 部 数 据 存 储 器 的 写 选 通 )P3.7 /RD（ 外 部 数 据 存 储 器 的 读 选 通 ）P3 口 同 时 为 闪 烁 编 程 和 编 程 校 验 接 收 一 些 控 制 信 号 。表 2 P3 口 第 二 功 能Table2 P3 second functionP3 口 引 脚 第 二 功 能P3.0 RXD（ 串 行 口 接 收 ）P3.1 TXD(串 行 口 发 送 )P3.2 INT0(外 部 中 断 0 输 入 )P3.3 INT1（ 外 部 中 断 1 输 入 ）P3.4 T0（ 定 时 /计 数 器 0 输 入 ）P3.5 T1(定 时 /计 数 器 0 输 入 端 )P3.6 WR(片 外 数 据 存 储 器 写 选 通 )P3.7 RD（ 片 外 数 据 存 储 器 读 选 通 ）I/O 口 作 为 输 入 口 时 有 两 种 工 作 方 式 ， 即 所 谓 的 读 端 口 与 读 引 脚 。 读 端 口 时 实际 上 并 不 从 外 部 读 入 数 据 ， 而 是 把 端 口 锁 存 器 的 内 容 读 入 到 内 部 总 线 ， 经 过 某 种 运算 或 变 换 后 再 写 回 到 端 口 锁 存 器 。 只 有 读 端 口 时 才 真 正 地 把 外 部 的 数 据 读 入 到 内 部总 线 。 89C51 的 P0、 P1、 P2、 P3 口 作 为 输 入 时 都 是 准 双 向 口 。 除 了 P1 口 外P0、 P2、 P3 口 都 还 有 其 他 的 功 能 。 - 14 -RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在 Flash 编程期间，次引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6.因此它可用作外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可以再 SFR8EH 地址上置 0.此时，ALE 只是在执行 MOVX,MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。EA/VPP：外部程序存储器访问允许。当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 断保持高电平时，此间内部程序存储器。在 Flash 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。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；P1.1、P1.4、P1.5 为液晶显示器的信号控制端；P1.4-P1.6 为三路光电检测信号端；P2.0-P2.3 为四个按键控制端；P2.0-P2.7 为两个步进电动机的驱动信号分配控制端；P3.0 为启动按钮 /金属探测器的检测信号端（复用） ；启动后 P3.0 用于接收金属探测信号；P3.6、P3.7 为两路红外避障的检测信号端。 ；P2.6-P2.7 端口分配给步进电机驱动电路板中的两块驱动芯片 L298N 的使能端。其中，实验时可用 P1.0-P1.3 外接 4 个控制按钮分别控制步进电动机的正转、反转、加速、停止：0#键：由单片机 P1.0 检测，作为步进电动机正转的启动键，按一次后指定的速度正转。- 15 -1#键：由单片机 P1.1 检测，作为步进电动机反转的启动键，按一次后指定的速度反转。2#键：由单片机 P1.2 检测，作为步进电动机的加速键，按一次使电动机转速提高一倍。3#键：由单片机 P1.3 检测，作为步进电动机的停止键，按一次后，步进电动机停止转动。3.5.4 时钟及复位电路时钟电路的设计：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 7 所示：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，实用电路中使用较多。也有外部振荡方式，我选用内部振荡方式设计。复位电路的设计：当 MCS-51 系列单片机的复位引脚 RST（全称 RESET）出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。如图8 所示：电源接通后，单片机自动复位，并且单片机运行期间，用开关 S1 操作也能使单片机复位。总结时钟及复位电路如图 9 所示：3.6 按键控制这次设计中，我采用了四个独立式按键对小车进行四种不同模式的控制。按键电路如图 10 所示，按键检测信号由单片机的 P2.0-P2.3 端口采集，输出低电平时说明有键按下。- 16 -图 6 单片机最小系统电路Fig6 MCU minimum system circuit- 17 -图 7 时钟电路Fig7 Clock circuit图 8 复位电路Fig8 Reset circuit- 18 -图 9 时钟及复位电路Fig9 Clock and reset circuit- 19 -图 10 按键电路图Fig10 Key circuit diagramS2 键：由单片机 P2.0 检测，作为步进电机正转的启动键。S3 键：由单片机 P2.1 检测，作为步进电机反转的启动键。S4 键：由单片机 P2.2 检测，作为步进电机的加速键。S5 键：由单片机 P2.3 检测，作为步进电机的停止键。3.7 LCD 液晶显示器3 .7. 1 性能介绍 10液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。这里向大家介绍一款 LCD1602 液晶显示模块，它可以显示两行，每行 16 个字符，采用+5V 电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。LCD1602 外观如图 11 所示- 20 -图 11 LCD1602 外观图Fig11 The appearance of the LCD1602 diagram其引脚介绍如表 3：表 3 LCD1602 引脚介绍Table3 The LCD1602 pin is introduced引脚号 符号 状态 功能1 Vss 电源地2 VDD 电源+53 RS 输入 寄存器选择4 R/W 输入 读写操作5 DB0 输入 数据总线6 DB1 三态 数据总线7 DB2 三态 数据总线8 DB4 三态 数据总线- 21 -引脚号 符号 状态 功能9 DB5 三态 数据总线10 DB6 三态 数据总线11 DB7 三态 数据总线12 DB3 三态 数据总线13 BLK 输入 背光地14 BLA 输入 背光+515 E 输入 使能信号16 V0 对比度控制端3.7.2 LCD 主要管脚介绍 13V0：液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生鬼影，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比。RS:寄存器选择高电平时选择数据寄存器；低电平时选择指令寄存器。R/W：读写信号线，高电平平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址：当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。E：使能断，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。3.7.3 LCD1602 指令控制介绍LCD1602 有 11 个控制指令，如表 4 所示：表 4 LCD1602 控制指令Table4 LCD1602 control instruction指令 功能清屏 清 DDRAM 和 AC 值归位 AC=0，光标、画面回 HOME 位载入方式设置 设置光标、画面移动方式显示开关控制 设置显示、光标及闪烁开、关光标、画面位移 光标、画面移动，不影响 DDRAM功能设置 工作方式设置（初始化指令）- 22 -指令 功能CGRAM 地址设置 设置 CGRAM 地址。A5-A0=0-3FHDDRAM 地址设置 DDRAM 地址设置读 BF 及 AC 值 读忙标志 BF 值和地址计数器 AC 值写数据 数据写入 DDRAM 或 CGRAM 内读数据 从 DDRRAM 或 CGRAM 数据读出表 5 清屏功能Table5 Clear screen functionRS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 0 0 0 0 1表 6 显示开关程序Table6 Demonstrate switch procedureRS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 0 1 D C B功能：设置显示、光标及闪烁开、关。其中：D 表示显示开关：D=1 为开，D=0 为关；C 表示光标开关：C=1 为开，C=0 为关；B 表示闪烁开关：B=1 为开，B=0 为关。表 7 光标、画面位移Table7 Cursor,image displacementRS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 0 1 S/C R/L * *功能：光标、画面移动，不影响 DDRAM 其中：S/C=1：画面平移一个字符位；SIC=0：光标平移一个字符位；R/L=1：右移；R/L=0：左移。表 8 功能设置Table8 Function settingRS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 1 DL N F * 功能介绍：工作方式设置（初始化指令） 。其中：DL=1,8 位数据接口；DL=0，四位数据接口 N=1，两行显示；N=0，一行显示；F=1,510 点阵字符；F=0，57 点阵字符。- 23 -3.8 步进电机驱动设计电路采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片。L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑准位信号，可驱动46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号。L298N 之接脚如图12 所示L298N 驱动芯片的输入脚接到单片机的引脚来对步进电机进行开始、停止、左转、右转等功能。- 24 -图12 L298引脚图Fig12 The L298 pin diagram- 25 -图 13 步进电机驱动电路Fig13 Stepper motor drive circuit- 26 -4 系统软件设计硬件设计完成后，一般可以分模块对硬件进行简单的测试，排除硬件上可能存在的故障或错误。在软件设计时，也可以先分模块进行单独调试。本系统控制程序主要包括主程序、键盘检测及步进电动机方向和速度控制程序、传感器（光电检测、金属探测、红外避障）检测及控制程序。4.1 主程序流程图本设计的主程序流程图如图 14 所示，当接通电源时，必须按下启动按键小车才能运动，在行驶过程中，结合查询方式查询小车是否偏离黑线，并根据偏离方向执行相应的控制程序；若 P3.0 为低电平，则探测到金属，执行对应的报警程序；当检测到障碍物时，会产生中断，执行对应的避障程序。4.2 步进电机方向及速度控制程序流程图图 15 所示流程图中，表示如果给步进电动机发一个控制脉冲，它就转一步，再给一个脉冲，它就会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电动机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电动机进行调速。在这个程序中主要实现对一个步进电动机脉冲的分配、根据键盘选择正反转方向控制、速度控制等，并且两个步进电机的方向及速度控制可根据以下程序清单自行修改实现。同时它主要完成两项工作：一是黑白线信号检测采集，二是根据检测信号控制小车的向左转或向右转，使小车始终沿着黑线行进。4.3 金属探测及控制设计流程图图 16 所示流程图，当金属探测器通上+7.2V 的电源时，碰到金属，则金属探测器的指示灯会发亮报警了，同时输送一个低电平给单片机模块。4.4 红外避障及控制设计流程图红外避障检测机控制子程序流程图如图 17 所示。可以在小车车头的左右各装一个红外检测避障电路，单片机的 P3.6 和 P3.7 在收到的红外检测电路输出信号后，利用单片机控制电动机在有遇到障碍物时使小车转弯。- 27 -NNNNYYY开始路程程序避障子程序报警子程序转向控制子程序启动按键按下?是否遇到黑线?是否遇到金属?是否遇到障碍?小车运动Y图 14 系统软件主流程图Fig14 The main process diagram of system software- 28 -YNNNYNYYYNN开始有按键按下?真的有按键按下?正转?反转?停止?电机正转电机反转电机停转加速? 加速转动原速转动Y延时去抖动图 15 步进电机方向及速度控制流程图Fig15 Stepper motor direction and speed control flow chartYN金属探测子程序读取 P2.5 状态有金属?报警图 16 金属探测控制流程图Fig16 Metal detection control flow chart- 29 -YNYN红外避障子程序读取红外传感器值左边检测到障碍物?右转,避障右边检测到障碍物?左转,避障图 17 红外避障检测及控制程序流程图Fig17 Infrared obstacle avoidance detection and control program flow chart5 系统调试5.1 硬件调试5.1.1 单元模块的测试（1）电源电路测试：设计并搭好电源电路，并用万用表进行检测电路连接情况，在确定电路没问题后，同电源端通上 7.2V 的电源，按下开关，观察发光二极管是否发生变化。（2）光电寻迹模块测试：在以连接好的光电寻迹电路中，通电后，在反射式光电传感器上面放一张白纸，用电压表测量 LM393 的输出端 1 号引脚是不是为高电平；在放一张贴有黑胶布的纸张或者是黑色的物品放在反射式光电传感器的感应部分，看电压表的的电压是否为低电平；来回移动带有黑胶布的纸张或黑色物品，看电压表的电压值是否高低电平的变化。（3）红外避障电路测试：首先在搭接好的电路中用万用表测量可调电阻的阻值将其调到 10K 欧姆；再用万用表在输出端测量未碰到障碍物时电压值是否为高电平，当碰到障碍物时，观察电压值是否为变为低电平。（4）金属探测电路测试：首先采用 LJK-D4N 金属探测传感器，给它导入 7.2V 的电源，并在接电源端和输出端之间接个 4.7K 欧姆电阻；再用万用表测量尚未碰到金属时输出端是否为高电平；当碰到金属时，指示灯是否亮，这时候再用万用表测量此- 30 -时的输出端是否为低电平。5.2 软件调试当保证硬件电路正常工作的前提下，对软件开始进行调试。通过 Medwin3 软件将主流程框图的步骤一步一步的将各个部分程序写好，通过仿真软件 proteus 在线下载调试，观察仿真情况是否和预计的要求一致。慢慢的完善了整个系统程序，在确定无误时，用编程将正确的程序写入 AT89S51 中，然后将芯片放入电路中使用，完成了软件的调试。6 结论测试表明，小车能够较好的完成实验的基本要求和发挥部分。液晶显示屏幕能够比较准确的显示小车的运行时间，寻迹误差较小、避障功能良好、传感器检测较灵敏。7 结束语我们的步进电动机驱动的智能小车在完成要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡，兼顾了美观、廉价、稳固、可靠等各方面的因素，具有较高的稳定和推广意义。参考文献1 谭浩强 .C 程序设计.北京：清华大学出版社，19992 李正军 .计算机控制系统.北京：机械工业出版社，2005 3 欧青立.何克忠.室外智慧移动机器人的发展及其关键技术研究.机器人，2000,2(6)：519-526 4 何希才.传感器及其应用电路M.北京：电子工业出版社，2001 5 王晓明.电动机的单片机控制.北京：航空航天大学出版社，2003 6 Ramon Pallas-Areny，John G.Webster(美). 传感器和信号调节，第二版，张伦译.北京：清华大学出版社，2003 7 李华. MCS-51 系列单片机实用接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，20068 赵负图. 传感器集成电路手册；第一版.化学工业出版社，20049 张虹. 单片机原理及应用M.北京：中国电力出版社，200910 秦曾煌. 电工学M.北京：高等教育出版社，200911 何立民. 单片机应用系统设计M.北京：航空航天大学出版社，200512 李广弟. 单片机基础.北京：航空航天大学出版社，200113 何希才. 新型实用电子电路400例.电子工业出版社，2000- 31 -14 Busono S Studies on the mechanical harvesting of peanuts，4：Peanut harvester improvementN，199015 张毅刚. 彭喜元. 新编 MCS-51 单片机应用设计；第一版.哈尔滨工业大学出版社，200316 李运华. 机电控制.北京：航空航天大学出版社，200317 Fred G.Martin；机器人探索M.北京：电子出版社，200418 白井，良明. 机器人工程.科学出版社，200519 陈懂，刘蓉，金世俊 .智能小车的多传感器资料融合.现代电子技术(电子元器件)，200520 赵明. 工厂电气控制设备.北京：机械工业出版社，201121 钱晓捷.微机原理与接口技术.北京：机械工业出版社，2010附录附录 1：避障程序附录 2：寻迹程序附录 3：LCD1602 液晶显示程序- 32 -25 吨水平定向钻机推进机构设计250t 单梁桥式起重机小车运行机构设计450t 门式起重机金