毕业设计（论文）-基于单片机的100厘米以下距离控制系统设计（执行部分） .doc

无锡科技职业学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告题 目 基于单片机的100厘米以下距离控 制系统设计（执行部分）系 别 中德机电学院 专 业 机电一体化 班 级 0902 学生姓名 学 号 指导教师 2012 年 4 月20基于单片机的100厘米以下距离控制系统设计（执行部分）摘要：本设计采用at89c51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测道路上100cm内的障碍物并实时在led数码管上显示距离。控制电动小车的自动行驶、停止。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。本文着重介绍系统中的执行部分。关键词：at89c51、超声波传感器、led数码管system control distance within 100 cm which based on scm (executable section)abstract：this system control center is based on single chip microcomputer at89c51，which use ultrasonic sensor to test obstacles within 100cm and and display real-time distance in led digital tube .the system automatically control electric car driving、stop.the whole system of the circuit structure is simple and high reliable performance.in this paper, the systems executable section is especially focused on. key words: at89c51、ultrasonic sensors、 led digital tube目录前言1第一章 电源设计11.1 设计思路及要求11.2 原理连接图21.3 所用元器件3第二章 4位共阳数码管显示设计42.1 共阳数码管简介42.2 4位共阳数码管的管脚42.3 数码管实时显示距离5第三章 无源蜂鸣器报警设计63.1 蜂鸣器工作原理63.2 蜂鸣器驱动7第四章 步进电机84.1 步进电机基础知识84.2 四相步进电机工作原理94.3 四相pm步进电机介绍104.4 25by48h01型步进电机驱动11第五章 齿轮传动12 5.1 齿轮基础知识13 5.2 齿轮传动的特点13 5.3 本设的计齿轮传动构造14第六章 基于单片机的100厘米以下距离控制系统15 6.1 总体方案概述16 6.2 总体电路原理与pcb图17综述18参考文献19致谢20无锡科技职业学院毕业设计（论文）前言基于单机100cm以下距离控制系统，本设计选用超声波传感器测距。超声波测距是一种有效的非接触式测距方法，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，因此在民用和工业领域都有较为广泛的应用。一个完整的自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成，各个环节相互影响。本系统运用单片机作为控制器，其易扩展、控制功能强、易于开发等特点是选用它的最主要原因。本文图文并茂，细致详解100厘米以下距离控制系统中的执行部分。执行部分是100厘米以下距离控制系统的关键部分，从电源的设计到齿轮传动的选择，无不关乎到系统成功运行。第1章 电源设计1.1 设计思路及要求 电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作, 电源的精度和可靠性等各项指标, 直接影响系统的整体性能。考虑到是交流电源，首先将220v50hz 的交流电通过变压器降压为8v50hz的交流电,然后用四个1n4007 晶体管构成桥式整流桥将交流电转换为直流电。再用电容元件进行滤波。因为我们要输出稳定的5v 的电压，所以选用lm7805三端稳压器件，最后输出稳定的电压，给led显示模块、蜂鸣器报警模块、步进电机驱动模块、at89c51单片机供电。1.2 原理连接图 稳压电源模块化描述如图1.21所示： 图1.21总电路如图1.22所示: 图1.22单相全波桥式整流电路的工作原理: 由图1.23可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压u2的正半周内，二极管d1、d3导通，d2、d4截止，在负载rl上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，d1、d3截止，d2、d4导通，流过负载rl的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。 图1.23lm7805集成稳压模块: lm7805稳压器如图1.24是一个三端口器件，可以将7v-35v的输入电压转变为5v的输出电压，其内部结构如图1.25： 图1.24 lm7805稳压器实体 图1.25 lm7805稳压器内部结构 1.3 所用元器件 1n4007 晶体管四个， （220 伏至 8 伏） 交流变压器一个，电解电容 2200f 一个，电解电容 100f 一个，电容 0.1f 两个，lm7805 三端稳压器一 个。第二章 4位共阳数码管显示2.1 共阳数码管简介 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极的数码管（下图）。共阳数码管在应用时应将公共极接到 5v，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高 电平时，相应字段就不亮，共阳极数码管内部接线图2.11： 图2.11 内部接线图2.2 4位共阳数码管的管脚 4位共阳数码管的管脚分配如图2.21所示：图3.5四位共阳数 图2.21数码管的管脚排列：从数码管的正面观看，左下角的那个脚为1脚，从1脚开始，按照逆时针方向排列依次是1脚到12脚，其中12、9、8、6为公共角，为位选信号输入端。剩余的八个脚是段选信号输入端，其对应方式是a-11、b-7、c-4、d-2、e-1、f-10、g-5、dp-3。当需要显示既定数字时，程序控制的相应二极管导通，点亮的二极管形成数字图像如图2.22 图2.22 2.3 数码管实时显示距离 用单片机控制四位共阳8段数码管来动态显示出测量距离。本设计led数码管与单片机接线如图2.31是通过单片机的p0 i/o口来控制数码管的段选（控制显示数字），通过p2.1、p2.3、p2.5、p2.7四个i/o口来控制四位数码管的位显示（选中哪个数码管，那个数码管就亮)，具体的显示是通过单片机的软件来控制数码管的数据显示，把单片机计算出来的数据距离实时的显示出来。 图2.31数码管与单片机接线本设计选用的是数码管型号是:5461bs 属于4位共阳数码管,实体如图2.32： 图2.32 实体图 第三章 无源蜂鸣器报警设计3.1 蜂鸣器工作原理 三极管主要是做开关用的。当p3.7口输出高电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，所以就不会发出声音，当p3.7口输出低电平时，三极管导通，基级电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音。3.2 蜂鸣器驱动电路本设计蜂鸣器驱动电路如图3.21 图3.21 1.蜂鸣器 发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声本，本设计选用的是无源蜂鸣器如图3.22,当测距s60cm时，单片机p3.7端口输出高电平，驱动蜂鸣器报警；当s60cm时，单片机p3.7端口输出低电平，蜂鸣器不报警。 图3.22 2pnp三极管 三极管q5起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。 3. 电源 本设计提供的是dc 5v电源。第四章 步进电机4.1 步进电机基础知识 步进电机定义步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，又称电脉冲马达。通俗一点讲：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）。 步进电机的分类步进电机可分为反应式步进电机（简称vr）、永磁式步进电机（简称pm）和混合式步进电机（简称hb）。 步进电机的基本参数（1）相数：产生不同对n、s磁场的激磁线圈对数。 （2）拍数：指电机转过一个齿距角所需脉冲数。 （3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度/（转子齿数*运行拍数） 步进电机特点 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即通过控制脉冲数来控制电机的总转动角，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲信号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。（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。（2） 步进电机外表不允许较高的温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。（3） 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（4） 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。（5） 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常的可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。（6） 步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。（7） 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。（8）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。（10）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 （11）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。4.2 四相步进电机工作原理 步进电机主要是有定子和转子构成。定子的主要结构是绕组，四相步进电机有4个绕组，绕组按一定的通电顺序工作，这个通电顺序称为“相序”。转子的主要结构是磁性转轴，当定子中的绕组在相序信号作用下有规律的通电、断电工作时，转子周围就会有一个按此规律变化的电磁场，因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上，转子总是力图转动到磁阻最小的位置，正是这样，使得转子按一定的步距角转动，使转子发生转动。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：1.控制换相顺序：通电换相这一过程称为脉冲分配。本设计使用的是单四拍循环控制，“单”指每次切换前后只有一相绕组通电。2.控制步进电机的转向：如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。本设计规定的方向是：正转a-b-c-d-a； 反转a-d-c-b-a3.控制步进电机的速度： 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。4.3 四相pm步进电机介绍 在本设计选用2个永磁式步进电机，型号25by48h01。如图4.31所示: 图4.31 25by48h01永磁步进电机外形 25by48h01的基本参数如图4.32：型号步距角相数电压v 电流a电阻25by48h017.5450.510 图4.32 该电机线圈由四相组成如图4.33，即a、b、c、d四相，驱动方式为单向激磁方式。 图4.33 25by48h01型永磁步进电机接线及内部构造从图中可以看出，电机共有四组线圈，四组线圈的一个端点连在一起引出，这样一共有5根引出线。要使用步进电机转动，只要轮流给各引出端通电即可。 通电次序如表格图4.34：引线颜色引脚号12 34红51111橙a41000黑b30100棕c20010黄d10001 图4.34 4.4 25by48h01型步进电机驱动为了高效控制步进电机的转动，需要将单片机发出的脉冲转化为步距角度，才能控制步进电机转动，不难设计出控制电路，因其工作电压为dc5v，我们在这里采用uln2003为步进电机提供脉冲信号，通过 p1.4p1.7来控制各线圈的接通与切断。uln2003的管脚连接图4.41和实体图4.42: 图4.41uln2003管脚连接图 图4.42实物图 uln2003芯片概述与特点：uln2003芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。uln2003芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件。 步进电机驱动电路的工作过程是：由于单片机与uln2003连接只用到了p1.4p1.7，通过 p1.4p1.7来控制各线圈的接通与切断，所以uln2003与单片机连接的四个管脚中每时刻只有一个管脚处于导通状态，其他管脚处于断开状态。这样就使得与uln2003连接的步进电机只有一个引出端导通。本系统设计驱动原理图如下图4.43所示: 图4.43 本设计步进电机驱动原理图如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间，而要改变电机的转动方向，只要改变各线圈接通的顺序。改变转速，只要改变p1.4-p1.7轮流变低电平的时间即可达到要求，这个时间不应采用延时来实现，因为会影响到其他功能的实现。这里以定时的方式来实现。下面首先计算一下定时时间。按要求，最低转速为20 转/分，而上述步进电机的步距角为7.5，即每48个脉冲为1周，即在最低转速时，要求为960脉冲/分，相当于62.5ms/脉冲。而在最高转速时，要求为100转/分，即48000 脉冲/分，相当于12.5ms/脉冲。可以列出下表： 第五章 齿轮传动5.1 齿轮基础知识齿轮是广泛应用于各种机械传动中的一种常用件，用来传递动力、改变转动速度和方向等。齿轮传动有三种方式，如图5.11所示，其中:图(a)为圆柱齿轮传动，用来传递两平行轴间的运动；图(b)为圆锥齿轮传动，用来传递两相交轴间的运动；图(c)为蜗轮蜗杆传动，用来传递两交叉轴间的运动。 (a) (b) (c)图 5.11齿轮传动5.2 齿轮传动的特点 可用来传递空间任意两轴间的运动和动力 传动效率高、使用寿命长、工作安全可靠、传动比准确、机构紧凑； 适用的速度和传递的功率范围大。5.3 本系统的齿轮传动构造本系统用到的齿轮构造： 1.圆柱齿轮传动：此传动将步进电机的旋转转化为两轴的转动，电机与齿轮传动安装方法如图5.31所示： 图5.31 2.圆锥齿轮传动如图5.32：此传动最终将步进电机提供的动力转化为前轮的转动。本设计中共用到27个十字槽盘头螺丝如图5.33和27个防松m4六角螺母如图5.34。 图5.32 图5.33 图5.34第六章 基于单片机的100厘米以下距离控制系统6.1 总体方案概述本系统设计分为几个模块：单片机控制系统、超声波路面检测系统、前进、后退控制电机以及报警系统。它们之间的相互关系如下图6.11所示： 图6.11 本系统设计的小车使用一台at89c51单片机作为主控芯片，它通过超声波测距来获取小车距离障碍物的距离，并且用数码管实时显示出来，在小车与障碍物的距离小于安全距离（本设计安全距离为60cm）时，小车报警并返回，确保与障碍物之间距离s大于60cm。如图6.12所示： 图6.12本系统设计要求：a.接通电源，按下开关按钮，2个步进电机按正序换相通电：a-b-c-d-a转动（我们规定为正向），通过齿轮传动，小车前行。b.小车前行的同时，超声波发射与接收并在4位led数码管上实时显示距离s,当小车与前方障碍物之间的距离s小于60cm时，小车上的蜂蜜器报警。c.报警时，2个步进电机按反序通电换相通电：a-d-c-b-a转动（我们规定为反向），通过齿轮传动，小车后退。d.当后退到距离s大于60cm时，蜂鸣器停止报警。小车后退也停止。6.2 总体电路原理图总体电路原理图如下图6.22： 图6.