自动控制小车毕业论文标准版

第 1 章绪论毕业设计（论文）学 院 ： 年 级 专 业 ： 层 次 ： 学 号 ： 姓 名 ： 题 目：步进电机小车第 1 章绪论目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究的内容 .1第 2 章 系统总体设计 .22.1 系统设计要求 .22.2 系统框图 .22.3 设计规划 .2第 3 章系统硬件设计 .43.1 单片机介绍 .43.1.1 单片机概述 .43.1.2 单片机的特点 .43.1.3 单片机的应用领域 .43.1.4 单片机选用 .53.1.5 控制电路设计 .63.1.6 单片机供电模块设计 .93.2 步进电机介绍 .103.2.1 步进电机的概述 .103.2.2 步进电机的特点 .103.2.3 步进电机的工作原理 .113.2.4 步进电机选用 .113.3 步进电机驱动器的设计 .113.4 系统功能设计 .133.4.1 循迹功能 .133.4.2 避障功能 .143.5 上位机电路设计 .15第 4 章系统软件设计 .184.1 电机控制流程图 .184.2 电机方向控制 .184.3 速度控制 .194.4 循迹 .204.5 避障流程图 .20第 5 章总结与展望 .225.1 总结 .225.2 展望 .22第 1 章绪论参考文献 .23 致谢 .24 步进电机小车摘 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。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关键词： 1：STC89C52，关键词 2：步进电机，关键词 3：步进电机驱动电路，关键词 4：循迹；避障第 1 章绪论第 1 章绪论- 1 -第 1 章绪论第 1 章绪论21.1 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: （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。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。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。第 2 章 系统总体设计3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。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。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。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第 2 章 系统总体设计4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。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。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。第 3 章系统硬件设计5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（MCU Single-Chip Microcomputer） ，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。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。 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: （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。（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。（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。 （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： 第 3 章系统硬件设计6（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。 （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。 （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。 （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。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。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： 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