单片机原理及应用技术项目化项目10智能小车的设计与制作课件.ppt

项目10智能小车的设计与制作10.1 项目描述项目描述10.2 项目目的与要求项目目的与要求10.3 项目支撑知识链接项目支撑知识链接 10.4 项目实施项目实施 项目拓展技能与练习项目拓展技能与练习 项目10智能小车的设计与制作【项目导入】目前玩具市场上有很多智能控制小车，这些智能小车价格高，智能度低。本项目设计制作的智能寻迹小车，不仅电路简单，成本低，而且可以扩展其他功能，除此之外还可以帮助读者掌握单片机的电机控制技术。项目10智能小车的设计与制作【项目目标】1.知识目标(1)掌握单片机系统开发的流程；(2)掌握单片机硬件系统的设计制作；(3)掌握单片机软件系统的编程。项目10智能小车的设计与制作2.能力目标(1)能根据系统的功能要求，设计系统的功能模块图；(2)能根据电路功能模块要求，通过查找资料设计电路图；(3)能结合硬件，进行软件编程；(4)具有开发单片机控制系统的能力。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作10.2 项目目的与要求项目目的与要求本项目设计主要有三个模块：信号检测模块、主控模块、电机驱动模块。信号检测模块采用红外光对管，用以对黑线进行检测；主控模块采用宏晶公司的STC89C52单片机作为控制芯片；电机驱动模块采用意法半导体集团的L298N专用电机驱动芯片。项目10智能小车的设计与制作信号检测模块的功能是将采集到的路况信号传入STC89C52单片机，经单片机处理后对L298N发出指令，由单片机输出的PWM波控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹的功能。系统设计要求是：完成智能小车系统的整体功能方案设计；完成外围接口应用电路的设计和实现；完成系统的硬件设计和软件设计；进行系统组装和调试。项目10智能小车的设计与制作10.3 项目支撑知识链接项目支撑知识链接10.3.1 直流电机直流电机1直流电机的类型直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类。其中，根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机(将机械能转化为直流电能)、直流电动机(将直流电能转化为机械能)、直流测速发电机(将机械信号转换为电信号)、直流伺服电动机(将控制信号转换为机械信号)。本项目以直流电动机(简称直流电机)作为研究对象来讲述直流电机的基本知识。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作图10-1 直流电机结构项目10智能小车的设计与制作3直流电机的工作原理和技术参数直流电机电路模型如图10-2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈的电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此可通过改变线圈电路的方向来改变电机的方向。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作直流电机的主要额定值有：额定功率Pn：在额定电流和电压下电机的负载能力。额定电压Ue：长期运行的最高电压。额定电流Ie：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间内的电机转动快慢，以r/min为单位。励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作图10-3 直流电机的驱动电路 项目10智能小车的设计与制作另外，现在直流电机的专用驱动芯片很多，没有必要再去设计驱动电路，直接挑选一种符合要求的驱动芯片即可。此处选用L298芯片构成的电路结构基本上与图10-3所示电路的效果一样。由L298芯片组装的驱动电路模块如图10-4所示。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作5直流电机PWM调速原理1)直流电机转速直流电机的数学模型可用图10-5表示。由图10-5可见，电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T1的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。项目10智能小车的设计与制作图10-5 直流电机的数学模型项目10智能小车的设计与制作根据基尔霍夫第二定律，可得电枢电压电动势平衡方程式如下：U=EaIa(Ra+Rc)(1)式中，Ra为电枢回路电阻；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为 (2)式中，Ce为电动势常数，是磁通量。项目10智能小车的设计与制作由式(1)和式(2)得：(3)由式(3)可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0 V时，电机就停止转动，改变电枢电压的极性，电机就反转。项目10智能小车的设计与制作2)PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为图10-6所示的脉动电压(要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数)，则在T不变的情况下，改变t1和t2的宽度，得到的电压将发生变化。下面对这一变化进行进一步的推导。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作设电机接全电压U时，其转速最大为Umax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为U平=UD (4)由式(3)可得到：在假设电枢内阻转小的情况下，式中K=U/(Ce)，是常数。图10-7为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。项目10智能小车的设计与制作图10-7 占空比与电机转速的关系项目10智能小车的设计与制作由图10-7可看出，转速与占空比D并不是完全的线性关系(图中为实线)，其原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近似为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端的电压就能改变电机的转速，这就是直流电机的PWM调速原理。综上所述，脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)是一种利用数字输出对模拟电路进行控制的技术，其实质就是利用对数字脉冲占空比的调节来控制可控元件(如三极管、可控硅等)的通断，从而达到对单位时间里受控负载的输入功率的控制。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作图10-8 系统整体框图项目10智能小车的设计与制作图10-9 单片机对直流电机的控制项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作sbit MA =P10;sbit MB =P11;void main(void)LED1=1;LED2=1;LED3=0;while(1)if(S1=0)/电机正转 项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作 if(S3=0)/电机停转 while(S1=0);LED1=1;LED2=1;LED3=0;MA =0;MB =0;项目10智能小车的设计与制作10.3.2 步进电机步进电机步进电机(stepping motor)是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制的步进电机件。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。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步矩角”。项目10智能小车的设计与制作它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。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速度和加速度，从而达到调速的目的。项目10智能小车的设计与制作1步进电机类型目前较为常用的步进电机有三种类型，它们分别是永磁式步进电机(PM)、反应式步进电机(VR)、混合式步进电机(HB)等。(1)永磁式。永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好，输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大(一般为7.5或15)。项目10智能小车的设计与制作(2)反应式。反应式步进电机定子上有绕组，转子由软磁材料组成，其结构简单，成本低，步矩角小，可达1.2，但动态性能差，效率低，发热大，可靠性难保证。(3)混合式。混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组，转子采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大，动态性能好，步矩角小，但结构复杂，成本相对较高。常见步进电机的外形构造如图10-10所示。项目10智能小车的设计与制作图10-10 常见步进电机的外形构造项目10智能小车的设计与制作2步进电机的工作原理步进电机由定子和转子两部分组成，步进电机的转子为永久磁铁，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一个磁场，该磁场带动转子旋转一定角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度时，转子也随着该磁场旋转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度，前进一步。电机输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，改变绕组通电的顺序，电机就会反转。因此可通过控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电动机的转动。项目10智能小车的设计与制作在此以四相步进电机为例讲述步进电动机的工作原理。四相步进电机的工作原理如图10-11所示，定子上有4组相对的磁极，每对磁极缠有同一绕组，形成一相。定子和转子上分布着大小、间距相同的多个小齿，当步进电机的某一相通电形成磁场后，在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率(或最小磁阻)的位置。项目10智能小车的设计与制作图10-11 四相步进电机的工作原理项目10智能小车的设计与制作开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐，而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。项目10智能小车的设计与制作3步进电机的驱动方式驱动步进电机就是根据电磁感应原理使发动机转子形成旋转磁场的过程，也称为励磁。常见的有以下几种方式。1)1相励磁法1相励磁法在每一瞬间只有一个线圈导通，其他线圈不得电。其特点是励磁方法简单，耗电低，精确度良好。但是力矩小，振动大，每次励磁信号走的角度是标称角度。项目10智能小车的设计与制作2)2相励磁法2相励磁法在每一瞬间有两个线圈导通，其他线圈不得电。其特点是力矩大，振动较小，每次励磁转动的角度是标称角度。3)1-2相励磁法1-2相励磁法在1相和2相轮流交替导通，精度高，运转平滑。每送一个励磁信号转动二分之一标称角度，因此称为半步驱动。项目10智能小车的设计与制作四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。上面步进电机的驱动方式中，第一种方式是单四拍工作方式，第二种方式是双四拍工作方式，第三种方式是八拍工作方式。单四拍与双四拍的步矩角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步矩角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩，又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图10-12(a)、(b)、(c)所示。项目10智能小车的设计与制作图10-12 步进电机的工作时序波形图项目10智能小车的设计与制作4步进电机的应用设计以一块单片机为控制核心，实现对一台步进电机的正转、停止、反转的控制。硬件部分由晶振电路、复位电路、显示电路、键盘电路、电源、单片机、电机驱动电路等组成。具体设计要求如下：当按下S1开关时，步进电机正转，同时LED灯D1亮；当按下S2开关时，步进电机反转，同时LED灯D2亮；当按下S3开关时，步进电机停止转动，同时LED灯D3亮。项目10智能小车的设计与制作设计分析：由于单片机的I/O口驱动电流较小，一般无法直接驱动步进电机，因此可采用ULN2003A作为步进电机的驱动芯片。ULN2003A工作电压高，工作电流大，并且能够承受50 V的电压，输出可以在高负载电流并行运行。单片机可以通过P1口发送数据，由ULN2003A来驱动电机运转。另外，此处采用P3.0连接开关S1，实现正转；采用P3.1连接开关S2，实现反转；采用P3.2连接开关S3，实现停止控制。把P0.0、P0.1、P0.2分别与LED灯D1、D2和D3连接，显示步进电机的正转、停止、反转的运行状态。经过上述分析，设计的硬件电路如图10-13所示。项目10智能小车的设计与制作图10-13 步进电机的正、反转控制电路项目10智能小车的设计与制作步进电机的正、反转控制程序如下：/*writer:shopping.w */#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code FFW=0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x0c,0 x08,0 x09;uchar code REV=项目10智能小车的设计与制作 0 x09,0 x08,0 x0c,0 x04,0 x06,0 x02,0 x03,0 x01;sbit S1=P30;sbit S2=P31;sbit S3=P32;void DelayMS(uint ms)uchar i;while(ms-)for(i=0;i120;i+);项目10智能小车的设计与制作void SETP_MOTOR_FFW(uchar n)uchar i,j;for(i=0;i5*n;i+)for(j=0;j8;j+)if(S3=0)break;P1=FFWj;DelayMS(25);void SETP_MOTOR_REV(uchar n)项目10智能小车的设计与制作 uchar i,j;for(i=0;i5*n;i+)for(j=0;j8;j+)if(S3=0)break;P1=REVj;DelayMS(25);void main()项目10智能小车的设计与制作 uchar N=3;while(1)if(S1=0)P0=0 xfe;SETP_MOTOR_FFW(N);if(S3=0)break;else if(S2=0)项目10智能小车的设计与制作 P0=0 xfd;SETP_MOTOR_REV(N);if(S3=0)break;else P0=0 xfb;P1=0 x03;项目10智能小车的设计与制作10.4 项项 目目 实实 施施10.4.1 项目硬件设计项目硬件设计基于单片机的智能循迹小车由单片机、循迹红外光对管、电源、电机驱动等模块组成，见图10-14。项目10智能小车的设计与制作图10-14 循迹小车功能框图项目10智能小车的设计与制作1主要元器件选型1)单片机选型针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器小的单片机，D/A、A/D功能也不必选用。根据这些分析选定了STC89C52 单片机作为本设计的主控芯片，其形状见图10-15(a)。项目10智能小车的设计与制作2)电源系统采用4节普通1.5 V干电池单电源供电，但6 V的电压太小，不能同时给单片机与电机供电。电机在运行过程中产生的反向电动势可能会影响单片机的正常工作，所以决定独立供电，即单片机控制系统和光对管与电机分开供电。由于单片机为低功耗元件，因而可采用普通1.5 V电池(共4节)供电，电机为大功耗器件，因而单独采用锂电，见图10-15(b)。项目10智能小车的设计与制作3)电机驱动芯片在电机驱动电路中往往采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性驱动的电路结构和原理简单，加速能力强。采用由达林顿管组成的H形桥式电路结构复杂，需要用分立元件设计制作桥式电路。现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等，在此选用L298N作为电机驱动芯片，如图10-15(c)所示。项目10智能小车的设计与制作4)循迹模块小车循迹原理是：小车在贴有黑胶带的地板上行驶，由于黑色和白色对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法红外探测法。红外探测法利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收，如果遇到黑线则红外光被吸收，此时小车上的接收管接收不到信号。市场上有很多红外传感器，在此选用常用的TCRT5000型光对管，见图10-15(d)。项目10智能小车的设计与制作5)机械系统本项目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，因此采用前驱，后轮采用两个万向轮。小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。项目10智能小车的设计与制作图10-15 主要元器件实物图项目10智能小车的设计与制作2接口电路设计1)信号检测模块为了防止因传感器太少引起的误动作，在车体前段安装了5个红外光对管(见图10-16)，有效地减少了误动作的发生，减小了小车冲出跑道的几率。项目10智能小车的设计与制作图10-16 5路光对管项目10智能小车的设计与制作2)驱动电路本模块主要用于对单片机传送过来的高低电平信号进行处理，控制电机启停、正反转。其原理图如图10-17所示。项目10智能小车的设计与制作图10-17 驱动模块原理图项目10智能小车的设计与制作3)主控电路和硬件本模块主要用于对采集信号进行分析，同时控制电机启停、正反转。其原理图如图10-18所示。该模块包括电源模块、串口电平转换模块以及I/O扩展模块。电源模块为系统提供稳定的电源，串口电平转换模块可以将电脑与单片机串口相连，从而实现程序的下载以及串口打印debug调试功能。I/O扩展模块将单片机的引脚引出，可以实现灵活的扩展功能。项目10智能小车的设计与制作图10-18 主控电路图项目10智能小车的设计与制作4)系统原理图和印刷电路板的设计系统硬件电路图和印刷电路板的设计分别见图10-19和图10-20。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作图10-19 系统硬件电路原理图项目10智能小车的设计与制作图10-20 印刷电路板设计项目10智能小车的设计与制作10.4.2 项目软件设计项目软件设计循迹小车的控制流程图见图10-21。图10-21 系统流程图项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作#define input1 P1_0#define input2 P1_1#define input3 P1_2#define input4 P1_3#define input5 P1_4/*4路电机控制*/#define DIR1 P2_0#define PWM1 P2_1#define DIR2 P2_2项目10智能小车的设计与制作#define PWM2 P2_3void delayMS(uchar t);void go_forward();void turn_left();void turn_right();void main()go_forward();/启动直走 while(1)项目10智能小车的设计与制作 while(input3=1)/中间光对管检测到黑线，直走 go_forward();if(input1=1)/左侧光对管检测到黑线，左转 turn_left();delayMS(1);if(input2=1)/左侧光对管检测到黑线，左转 turn_left();delayMS(1);项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作10.4.3 项目综合仿真与调试项目综合仿真与调试1使用Keil C51编译源程序Keil C51是51系列单片机的开发系统，利用它可以编辑、编译、汇编、连接C程序和汇编程序，从而可以生成在单片机中进行烧录的.hex文件，对此在项目1中已经作了详细介绍，本项目最终生成的烧录文件如图10-22所示。项目10智能小车的设计与制作图10-22 编辑成功后生成可烧录的.hex文件项目10智能小车的设计与制作2使用Proteus系统仿真软件调试并验证系统运行的结果Proteus是一款优秀的EDA软件，使用它可以绘制电路原理图、PCB图，进行交互式电路仿真。在单片机开发中可以使用此软件检查系统仿真运行的结果。其仿真的详细步骤见项目1。本项目在Proteus下画的原理图如图10-23所示。项目10智能小车的设计与制作图10-23 Proteus下的硬件系统图项目10智能小车的设计与制作点击单片机芯片，在里面加载“智能循迹小车.hex”文件，并点击下面仿真控制按钮的第一个“三角形”箭头后，就能看到直流电机的旋转情况，如图10-24所示。项目10智能小车的设计与制作图10-24 直流电机运转效果图项目10智能小车的设计与制作3动手做在完成系统仿真后，可以按照本系统硬件设计部分给出的原理图和制成的印刷板，在印刷电路板上进行电子元器件的连接和调试，元器件清单见表10-1。采用螺丝将循迹板及电机等安装组合成车体，通过改变光对管可调电位器的大小来调试红外光对管的灵敏度，通过改变延时程序来改变速度。项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作项目10智能小车的设计与制作项项 目目 小小 结结此项目的设计以单片机为核心，利用了红外光对管传感器，将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能：自动沿预设轨道行驶，小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。项目10智能小车的设计与制作 项目拓展技能与练习项目拓展技能与练习【拓展技能训练】(1)设计一个对步进电机进行正、反转控制的项目，要求按下S1电机正转，按下S2电机停止，按下S3电机反转。(2)在设计本小车时留有扩展模块，可在此项目的基础上扩展避障和蓝牙控制功能。项目10智能小车的设计与制作【项目练习】(1)叙述直流电机正反转的控制原理。(2)画出直流电机正反转的驱动电路，编写驱动程序。(3)说明步进电机的工作原理。(4)编程实现步进电机的调速功能。