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智能循线避障小车设计与制作周义 张坤 韩彪（黄石理工学院机电工程学院 湖北黄石 435003）【摘 要】: 提出了一种智能循线避障小车的设计方法，利用红外技术检测障碍物和采集地面信息，采用AT89S51单片机进行适时控制，实现智能循线和避障，并且精确地显示运行速度等参数。智能小车采用后轮驱动，两轮各用一个步进电机执行，速度检测的传感器采用红外对射式，寻路避障用的传感器采用红外反射式，速度检测的码盘采用手工制作。【关键词】: 循线 避障 红外传感 码盘A Design of an Intelligent Patrol and Obstacle Avoidance Car Zhou Yi Zhang Kun Han Biao(Department of mechanical and electronic engineering，Huangshi institute of technology，Huangshi Hubei 435003)【Abstract】: This paper presents a design method of smart car which can patrol and avoid obstacles intelligently. We use infrared technique to detect obstacles and gather ground information and use AT89S51 SCM to make a timing control. Then it not only can achieve the routes patrol and obstacle avoidance, but also show the speed and precision parameters. The smart car uses the rear-wheel drive, which is executed by a stepper motor. The infrared sensors for detecting speed use the infrared correlation type. The way-finding of infrared seasons to avoid obstacles use the infrared reflection type. And the encoder of speed detection is made by hand.【Keywords】: go on circuit； avoid obstacle；Infrared Sensors ；encoder ；1 前言随着生产自动化的发展，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，但其价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。故对机器人的研究已成为必要。 智能循线和避障是基于智能导引小车系统，采用红外传感器实现小车速度检测，判断并检测障碍物。本文对智能小车的循线，避障以及速度的采集进行了研究。2 硬件设计智能小车采用后轮驱动，后轮左右两边各用一个电机驱动，调制两个后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。将三个红外线光电传感器分别装在车体的左中右，当车的左边的传感器检测到黑线的边界时，主控芯片控制左轮电机减速，车向右修正，当车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机减速，车向左修正，中间的传感器起附带修正的作用，黑线在车体的中间，中间的传感器一直检测到黑线，当偏离黑线时也开始修正，从而使小车沿着黑色的轨道行走，装中器是为了防止控制电路频繁的修正。 避障的原理和循线一样，在车头的前中后各装了一个传感器，当左边传感器检测到障碍物时，车子右轮减速，车体向右转，当右边检测到障碍物时，车子左轮减速，当中间或全部的传感器都检测到障碍物时，车子定向转动，从而避开障碍物。 车子速度的检测也是靠的红外线，只不过是器件的型号不同，速度检测的传感器用的是对射式，避障用的是直射式。把码盘装在电机的轴上，码盘随电机一起转动，码盘是自己手工制作的，把光碟外形切制成直径为25mm的圆，再把圆周用锯条均匀切8条缝，缝的宽度为1mm。21 主控芯片的选择本设计的主控芯片选择AT89S51，采用双CPU设计，两块单片机的作用:一块负责采样速度并显示，一块负责检测传感器的状态并控制电机，这部分还有一个PWM调速的任务，PWM是通过调制电平高低占空比来实现调速的，其调制频率要求很高，频率太低了电机会很明显的振动，由于PWM调速需要用定时器频繁地产生中断，后一块CPU消耗的相当厉害，用PROTUES软件仿真，CPU消耗是百分之九十几左右，经过测算，调制PWM的定时器设的初值为OxFF00，定时工作方式为1，晶振的频率为12M，可以计算出每隔256us产生中断，中断频率为3906HZ，用Keil51仿真程序，仿真结果是程序每扫描一次传感器所用的时间为28us，就是是说程序扫描9次才产生一次中断，中断基本上不会影响程序的主任务。22 机械构架的设计在材料的选择上选择铝合金。在结构的选择上，底架结合了汽车悬挂式系统，用减震弹簧把车架和动力结构连接器起来，这样做有诸多优点，系统实现了减震，这是其它类型的机器人所不具备的，悬挂式在机器安装的调试方面也方便快捷。前轮用的是万向轮，结构的长度我们做成的时可拉伸的，拉伸的范围在15-30cm。该结构非常灵活。结构设计时我们考虑到传感器的安装问题了，避障传感器装在前面的两个铝合金夹层里，循线传感器装在机器人的中间，这样才可以保证两组传感器不会发生冲突，使整体显得协调。23 电源电路的设计 本系统所有芯片都需要+5V的工作电压，而干电池只能提供的电压为15V的倍数的电压，并且随着使用时间的延长，其电压会逐渐下降，则需要L7805稳压芯片。L7805能提供300至500mA的电流，足以满足芯片供电的要求。虽然微处理器和微控制器不需要支持电路，功耗也很低，但必须要加以考虑。设计采用蓄电池供电模式，一个12伏电压，可提供最大12A的驱动电流。电机驱动电源和控制电路的电源都是由它来提供的。 24 检测电路设计智能小车速度检测的传感器采用红外对射式，寻路避障用的传感器采用红外反射式，速度检测的码盘采用手工制作。ST系列反射式光电传感器是经常使用的传感器。这个系列的传感器种类齐全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。我们采用ST168作为小车的速度传感器。在电机测速中，使用较多的有编码盘与色码盘，不同的是，色码盘在一个扇形区域里只有一种颜色，而编码盘在同样的扇形区域有多种颜色，假设黑色表示0，白色表示1，则这样的扇形组成二进制编码，并且相邻的区域编码连续。这样我们就可以据此判断电机的速度和方向了，但是，它需要的传感器较多，使用较复杂，而小车的空间很紧张，并且对方向要求不高，所以在小车上使用不多，我们采用手工制作的码盘。如果发射管和接收管之间的障碍物时有时无，则接收管的状态就呈现0和1的交替，形成脉冲信号。只要对这个脉冲信号计数，就可以得到小车的行程。我们在车轮的轴上安装手工制作的码盘与车轮同轴同步旋转，就可以得到车轮旋转的脉冲信号。它常用的检测电路与反射式光电传感器一样，这里就不再赘述。在避障的测试中，室内无障碍的情况下，发射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管的电压为48 ，有白色障碍物情况下，接收管接受到发射管发射的红外线，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，测的接收管的电压为05，避障的测试基本满足要求，判断有无障碍物我们用的一块比较器LM324， 比较基准电压由30K的变阻器调节，各个接收管的参数都不一致，每个传感器的比较基准电压也不尽相同，我们为每个传感器配备了一个变阻器。25 电机控制部分电机的选择，有以下几种电机可供选择：步进电机，伺服电机，直流电机，直流减速电机。根据实际的情况和要求，由于伺服电机在市面上很难买到，且价格过于昂贵，直流电机虽说价格低易于购买，但我们须增加减速机构，而直流减速电机省去了设计复杂减速机构的麻烦，且输出力矩大，虽说须设计速度反馈电路，但速度反馈比较易于设计，所以我们选择直流减速电机。电机的控制部分采用直流H桥集成功放电路直流H桥功放电路是用于控制直流电机双向运动的基本电路，该电路使电机在单电源供电下可以双向运转。图示电路为用三极管构成的H桥集成功放电路基本形式。为使电机顺时针转，应接通三极管A和D，对电机而言，其电压右负左正，通过改变不同的三极管导通状况，可改变电机两端电压，达到反转目的。 图3 电机控制电路 图4 H桥集成功放电路由主控程序控制这几个脚就可以达到控制电机正反转的目的。为了提高机器人的循线成功系数，我们采用了PWM进行机器人运转速度控制，当两个传感器感知到引导线条，点亮指示灯并准备做出改变机器人行进方向的响应时，靠程序的PWM控制降低电机的转速，实现平滑的转向过程。PWM调速的基本原理和思想即使通过反复循环改变ON/OFF的时间分配。但机器人无法借助循环处理实现PWM，需要通过中断处理方式实现。设计靠的是89S51的两个定时器实现的，需要对定时器设定中断周期，也就是PWM的频率。请注意，PWM的频率即时达到数十千赫兹也能满足平滑控制的要求，当产生一个很大的弊端，就是中断次数过多，导致CPU大部分时间都在处理中断，实时检测和控制不能很快的响应和处理。而且电机也存在一个变化速率匹配的问题，所以不妨通过不断的尝试，适当地改变上述设定值以便得到最佳的效果。26 主控的电路图图1 主控电路启动机器人，PWM调制为50%系统初始化扫描传感器并进行判断处理速度检测并送显示左行控制速度检测并送显示直行控制右行控制3主程序设计 图5 系统主程序设计结论本文提出了一种经济实用的智能小车系统设计方法，采用了直流减速电机作为执行元件，系列红外传感器作为检测元件，89S51单片机作为主控芯片，完成了智能机器人硬件制作及软件设计，成功实现了自动巡路避障功能，在无轨自动物料小车及工业智能机器人领域也具有一定的实用价值。参考文献1万福君， 潘松峰单片微机原理系统设计及应用M 合肥：中国科学技术大学出版社，20012 (日)森政弘，(日)铃木泰博机器人竞赛指南 M 北京：科学出版社，20023 王灏，毛宗源机器人的智能控制方法M 北京：国际工业出版社，20024 张培仁，张志坚基于16/32位DSP机器人控制系统设计与实现M 北京：清华大学出版社汇诚科技 步进电机原理及其使用说明一、前言步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。二、感应子式步进电机工作原理（一）反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3。这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力 F与（d/d）成正比其磁通量=Br*S ；Br为磁密；S为导磁面积 ； F与L*D*Br成正比；L为铁芯有效长度；D为转子直径；Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。（二）感应子式步进电机1、特点：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=。一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。2、分类感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3、步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。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J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。4、步进电机动态指标及术语1、步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2、失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3、失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：其它特性还有惯频特性、起动频率特性。 电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。如下图所示：其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 8、电机正反转控制： 当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。三、驱动控制系统组成使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：1、脉冲信号的产生脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大.2、信号分配 我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。3、功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：说明：CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）OPTO 接CPU+5V FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作 DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转 VCC 直流电源正端 GND 直流电源负端 A 接电机引出线红线 接电机引出线绿线 B 接电机引出线黄线接电机引出线蓝线步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：4、细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。四、步进电机的应用（一）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= M =2n/60 P=2nM/60 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)(二）、应用中的注意点 1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。 简易智能小车的设计报告简易智能小车的设计报告 小车智能控制系统任务书小车智能控制系统任务书 1、任务、任务 设计小车智能控制系统，设计实现小车的智能控制：前进、后退、左转、右 转等基本运动，以及以上运动的组合。 2、要求、要求 2.1、基本要求：、基本要求： （1）小车直线前进 5m、直线后退 5m、起点、终点误差不大于 10cm; （2）小车左转、右转运动； （3）小车前进、后退、左转、右转等基本运动的组合； 2.2、发挥部分、发挥部分 （1）实现小车做半径为 1 米的圆周运动； （2）300 秒内完成（1） ，误差不大于 10 秒。 摘要摘要 本设计采用 89c51 单片机对步进电机进行控制， 采用 PWM 脉宽调制方式实现对 直流电机转速的控制，采用 H 型驱动电路控制电机转向。并能以 LED 方式显示路 程和时间。通过 IO 口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经 过芯片 L298N 驱动步进电机实现智能小车的方向控制。 关键词：关键词： 步进电机 直流电机 单片机 数码管 Abstract In this design ,The controller kernel of this electronical dolly is based on MCU 89c51.PWM circuit is used to control the rotational speed of electronic engine ;class H motor drive circuit is used to control the rotational direction of electronic engine. 3 系统设计总统框图系统设计总统框图 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 4 模块方案比较与设计模块方案比较与设计 4.1 步进电机驱动电路选择与设计步进电机驱动电路选择与设计 方案方案 1：使用多个功率放大器件驱动电机：使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求， 放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是三相的步进电机，就需要对三路 信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行 起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 方案方案 2：使用：使用 L298N 芯片驱动步进电机芯片驱动步进电机 L298N 芯片可以驱动两个二相电机（如图 11），也可以驱动一个三相电机， 输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机 的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。 图（1） 传传 感感 器器 检检 测测 单单 片片 机机 转向驱动转向驱动 行使驱动行使驱动 LED 显示显示 后轮直流电机后轮直流电机 前轮步进电机前轮步进电机 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 通过比较，使用 L298N 芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机， 且价格不高，故选用 L298N 驱动电机。而使用 L298N 时，可以用 L297 来提供时 序信号，可以节省单片机 IO 口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号， 由于控制并不复杂，故选用后者。 通过 L298N 构成步进电机的驱动电路,电路图如图 32 所示 4.2 直流电机驱动电路的选择与设计直流电机驱动电路的选择与设计 方案方案 1.采用电阻网络分压法采用电阻网络分压法 或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的，但电阻网络只能 实现有级调速，而数字电阻的元件价格高，且可能存在干扰，更主要的问题是一 般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅降低效率，而且实现困难。 方案方案 2 采用采用 PWM 驱动电路驱动电路 直流电动机的驱动电路主要用来控制直流电动机的转动方向和转动速度。 改 变直流电动机两端的电压可以控制电动机的转动方向。 在此可以采用由小功率三 级管 8050 和 8550 组成的 H 型 PWM 电路。 在此我们采用方案 2. 直流电动机 PWM 驱动电路如图所示，电路采用功率三级管 8050 和 8550，以 满足电动机启动瞬间的大电流要求。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 当 A 输入为低电平，B 输入为高电平时，晶体管放大器 VT3，VT2 导通， VT1，VT4 截止。VT3，VT2 与电动机一起形成一个回路，驱动电动机正转。当 A 输入为高电平，B 输入为低电平时，晶体管 VT3，VT2 截止，VT1，VT4 与直 流电机形成回路，驱动电动机反转。4 个二级管起到保护晶体管的作用。 功率晶体管采用 TP521 光耦器驱动，将控制部分与电动机驱动部分隔离。 光耦器的电源为+5V，H 型驱动电路中晶体管功率放大器 VT3，VT1 的发射极所 加的电源为 12V。 4.3 路程计算模块的选择与设计路程计算模块的选择与设计 方案方案 1：采用霍尔集成片。：采用霍尔集成片。 该器件内部有三片霍尔金属板组成，利用霍尔效应而产生电压，因此可以在 车轮上安装磁片，而将霍尔元件固定在车架上，通过对脉冲的计数实现路程的测 量。 方案方案 2：采用光电传感器：采用光电传感器 受受鼠标工作原理的启发，采用断续式光电开关，由于开关是沟槽结构，可将 其置于固定轴上， 在车轮上安装多个遮光条， 让其恰好通过沟槽， 产生一个脉冲， 对脉冲计数。 以上两种方案都是较可行的，但在本题中车轮较小，方案 1 安装困难，容易 产生干扰，相反，方案 2 的精度高，故我们采用方案 2。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 当光敏二级管接收到光时，VT1 和 VT2 导通， VT3 不能导通，A 点为高电平，此时 MCU 口收到的电平为高电平；当光敏二级管未接收到光源时，则 VT1 和 VT2 不导通，VT3 导通，A 点输出低电平。 ，MCU 口接收到方波计数。 4.4 电机稳速的设计电机稳速的设计 高性能可变速度稳定器电路如图 2 所示。它可用作宽范围速度可变的场合。 图中电机的电源是经过 317K 三端稳压器集成电路输出。 电机的电流经 R5 和 RV2 取样，把部份电压送到 IC2 和 Q1 组成的同相直流放大器。Q1 发射极电压 正比于电机负载电流。 三端稳压器的输出电压等于本身的输出电压再加上 Q1 发射极上的电压。因 此，当电机负载增加时，电路输出电压将自动上升，增加电机的驱动能力，保持 电机速度不变。为了保持有负载与无负载时，电机的速度相同。首先调节 RVl 使电机的转速为最大转速的三分之一。然后调节 RV2 到额定转速。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 5.系统的软件设计系统的软件设计 智能小车的控制器采用 ATMEL 公司的 AT89C51， 因为在程序中不需要涉及 精确的实时操作，所以使用 C 语言进行编写，这样可以大大提高效率。 5.1程序设计流程图程序设计流程图 参考文献：参考文献： 1谢自美电子线路设计、实验、测试M武汉：华中理工大学出版社，2000. 附：系统原程序 /定义头文定义头文件件 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 /* #define dl 50 uchar idata plus7=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00; uchar idata minu7=0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00; Uchar code tabe=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; uchar k=0; uchar idata *x; uint dr; sbit motor1=P12; sbit motor2=P13; sbit p1_7=P17; /延时子延时子程程序序 void delays(void) int j,k; for(k=0;k0;i- - ) TMOD=0x01; TH0=0xd8; TL0=0xf0; TR0=1; while(!TF0); TF0=0; /停停车车子子程程序序 void stop(void) asm MOV 23H,#00H CPL P3.6 CPL P3.7 LCALL DS50MS LCALL DS50MS PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 SETB P1.0 /7ms 延时延时 DS50MS: LCALL DISP LCALL DISP LCALL DISP /1ms 延时延时 DL1MS: MOV R6,#14H DL1: MOV R7,#19H DL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET /系统系统主函数主函数 main() if(count=0) dc(0); else if(count=5) dc(1); else if(count=10) dc(0); if(dr=0) stp(0,10); else stp(1,10); PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 display() PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 L298 May 1995 DUAL FULL-BRIDGE DRIVER Multiwatt15 ORDERING NUMBERS : L298N (Multiwatt Vert.) L298HN (Multiwatt Horiz.) L298P (PowerSO20) BLOCK DIAGRAM .OPERATINGSUPPLY VOLTAGEUP TO 46 V .TOTAL DC CURRENT UP TO 4 A .LOW SATURATION VOLTAGE .OVERTEMPERATUREPROTECTION .LOGICAL ”0” INPUT VOLTAGE UP TO 1.5 V (HIGH NOISEIMMUNITY) DESCRIPTION The L298is an integratedmonolithiccircuit ina 15- lead Multiwatt and PowerSO20 packages. It is a high voltage,high current dualfull-bridgedriver de- signedtoacceptstandardTTLlogiclevels anddrive inductive loads such as relays, solenoids, DC and steppingmotors.Twoenableinputsare provided to enableordisablethedeviceindependentlyofthein- put signals. Theemitters of the lower transistorsof each bridgeare connectedtogetherand the corre- spondingexternalterminalcanbe used forthecon- nectionofanexternalsensingresistor.Anadditional supplyinput is providedso thatthe logic works at a lower voltage. PowerSO20 1/12 PIN CONNECTIONS (top view) GND Input 2VSS N.C. Out 1 VS Out 2 Input 1 Enable A Sense A GND10 8 9 7 6 5 4 3 2 13 14 15 16 17 19 18 20 12 1 11GND D95IN239 Input 3 Enable B Out 3 Input 4 Out 4 N.C. Sense B GND ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS SymbolParameterValueUnit VSPower Supply50V VSSLogic Supply Voltage7V VI,VenInput and Enable Voltage0.3 to 7V IOPeak Output Current (each Channel) NonRepetitive (t = 100s) Repetitive (80% on 20% off; ton= 10ms) DC Operation 3 2.5 2 A A A VsensSensingVoltage1 to 2.3V PtotTotal Power Dissipation (Tcase= 75C)25W Tstg, TjStorage and Junction Temperature40 to 150C THERMAL DATA SymbolParameterPowerSO20Multiwatt15Unit Rth j-caseThermalResistance Junction-caseMax.3C/W Rth j-ambThermalResistance Junction-ambientMax.13 (*)35C/W (*) Mounted on aluminum substrate 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 8 ENABLE B INPUT 3 LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS GND INPUT 1 ENABLE A INPUT 1 SUPPLY VOLTAGE VS OUTPUT 2 OUTPUT 1 CURRENT SENSING A TAB CONNECTED TO PIN 8 13 14 15 12 CURRENT SENSING B OUTPUT 4 OUTPUT 3 INPUT 4 D95IN240 Multiwatt15 PowerSO20 L298 2/12 PIN FUNCTIONS (refer to the block diagram) MW.15PowerSONameFunction 1;152;19Sense A; Sense BBetween this pin and ground is connected the sense resistor to control the current of the load. 2;34;5Out 1; Out 2Outputs of the Bridge A; the current that flows through the load connected between these two pins is monitored at pin 1. 46VSSupply Voltage for the Power Output Stages. A non-inductive 100nF capacitor must be connected between this pin and ground. 5;77;9Input 1; Input 2TTL Compatible Inputs of the Bridge A. 6;118;14Enable A; Enable BTTL Compatible Enable Input: the L state disables the bridge A (enableA) and/orthe bridge B (enable B). 81,10,11,20GNDGround. 912VSSSupply Voltage for the Logic Blocks. A100nF capacitor must be connected between this pin and ground. 10; 1213;15Input 3; Input 4TTL Compatible Inputs of the Bridge B. 13; 1416;17Out 3; Out 4Outputs of the Bridge B. The current that flows through the load connected between these two pins is monitored at pin 15. 3;18N.C.Not Connected ELECTRICALCHARACTERISTICS (VS=42V; VSS= 5V, Tj= 25C; unlessotherwise specified) SymbolParameterTest ConditionsMin.Typ.Max.Unit VSSupplyVoltage (pin 4)Operative ConditionVIH+2.546V VSSLogic Supply Voltage (pin 9)4.557V ISQuiescent Supply Current (pin 4)Ven= H;IL= 0Vi= L Vi= H 13 50 22 70 mA mA Ven= LVi= X4mA ISSQuiescent Current from VSS(pin 9) Ven= H;IL= 0Vi= L Vi= H 24 7 36 12 mA mA Ven= LVi= X6mA ViLInput Low Voltage (pins 5, 7, 10, 12) 0.31.5V ViHInput High Voltage (pins 5, 7, 10, 12) 2.3VSSV IiLLow Voltage Input Current (pins 5, 7, 10, 12) Vi= L10A IiHHigh Voltage Input Current (pins 5, 7, 10, 12) Vi = H VSS0.6V30100A Ven= LEnable Low Voltage(pins 6, 11)0.31.5V Ven=HEnable High Voltage (pins 6, 11)2.3VSSV Ien= LLow Voltage Enable Current (pins 6, 11) Ven= L10A Ien= HHigh Voltage Enable Current (pins 6, 11) Ven= H VSS0.6V30100A VCEsat (H)SourceSaturation VoltageIL= 1A IL= 2A 1.35 2 1.7 2.7 V V VCEsat(L)SinkSaturation VoltageIL= 1A(5) IL= 2A(5) 1.2 1.7 1.6 2.3 V V VCEsatTotal DropIL= 1A(5) IL= 2A(5) 3.2 4.9 V V VsensSensing Voltage (pins 1, 15)1(1)2V L298 3/12 Figure1 : TypicalSaturation Voltage vs. Output Current. Figure 2 : Switching Times Test Circuits. Note : For INPUT Switching, set EN =H For ENABLESwitching, setIN = H 1) 1)Sensing voltage can be 1 V fort 50 sec; in steady state Vsensmin 0.5 V. 2) Seefig. 2. 3) Seefig. 4. 4) Theload must be a pureresistor. 5) PIN 1 and PIN 15 connected to GND. ELECTRICALCHARACTERISTICS (continued) SymbolParameterTest ConditionsMin.Typ.Max.Unit T1(Vi)SourceCurrent Turn-off Delay0.5 Vito 0.9 IL(2);(4)1.5s T2(Vi)SourceCurrent Fall Time0.9 ILto 0.1 IL(2);(4)0.2s T3(Vi)SourceCurrent Turn-on Delay0.5 Vito 0.1 IL(2);(4)2s T4(Vi)SourceCurrent Rise Time0.1 ILto 0.9 IL(2);(4)0.7s T5(Vi)SinkCurrent Turn-off Delay0.5 Vito 0.9 IL(3);(4)0.7s T6(Vi)SinkCurrent Fall Time0.9 ILto 0.1 IL(3);(4)0.25s T7(Vi)SinkCurrent Turn-on Delay0.5 Vito 0.9 IL(3);(4)1.6s T8(Vi)SinkCurrent Rise Time0.1 ILto 0.9 IL(3);(4)0.2s fc (Vi)Commutation FrequencyIL= 2A2540KHz T1(Ven)SourceCurrent Turn-off Delay0.5 Vento0.9 IL(2); (4)3s T2(Ven)SourceCurrent Fall Time0.9 ILto 0.1 IL(2);(4)1s T3(Ven)SourceCurrent Turn-on Delay0.5 Vento0.1 IL(2); (4)0.3s T4(Ven)SourceCurrent Rise Time0.1 ILto 0.9 IL(2);(4)0.4s T5(Ven)SinkCurrent Turn-off Delay0.5 Vento0.9 IL(3); (4)2.2s T6(Ven)SinkCurrent Fall Time0.9 ILto 0.1 IL(3);(4)0.35s T7(Ven)SinkCurrent Turn-on Delay0.5 Vento0.9 IL(3); (4)0.25s T8(Ven)SinkCurrent Rise Time0.1 ILto 0.9 IL(3);(4)0.1s fc (Ven)Commutation FrequencyIL= 2A1KHz L298 4/12 Figure3 : Source Current Delay Times vs. Input orEnableSwitching. Figure4 : SwitchingTimes Test Circuits. Note : For INPUT Switching,set EN = H For ENABLE Switching, set IN = L L298 5/12 Figure5 : SinkCurrentDelay Times vs. Input 0V EnableSwitching. Figure6 : BidirectionalDC Motor Control. L =LowH =HighX = Dontcare InputsFunction Ven= HC = H ; D = LTurn Right C = H ; D = HTurn Left C = DFast Motor Stop Ven= LC = X ;D = CFree Running Motor Stop L298 6/12 Figure7 : For higher currents,outputscan be paralleled. Takecare to parallel channel1 with channel4 andchannel2 with channel3. APPLICATION INFORMATION (Refer to the block diagram) 1.1. POWEROUTPUT STAGE TheL298integratestwopoweroutputstages(A;B). The power output stage is a bridge configuration and its outputscan drive an inductiveload in com- monor differenzialmode,dependingon thestateof the inputs. The current that flows through the load comesout from the bridge at the sense output: an externalresistor (RSA;RSB.)allows to detectthein- tensityof this current. 1.2. INPUT STAGE Eachbridgeis driven bymeans offourgatesthe in- put of which are In1 ; In2; EnAand In3 ; In4 ; EnB. TheIninputssetthebridgestatewhenThe Eninput ishigh;alowstateoftheEninputinhibitsthebridge. Allthe inputsare TTL compatible. 2. SUGGESTIONS A non inductive capacitor, usually of 100 nF, must be foreseen between both Vs and Vss, to ground, asnearas possibletoGND pin.Whenthe largeca- pacitorof the power supplyis too far from the IC, a second smaller one must be foreseen near the L298. The senseresistor, not ofa wire wound type, must be groundednearthenegativepoleof Vsthatmust be near the GNDpin of the I.C. Eachinput must be connectedto the sourceof the driving signals bymeansof a very shortpath. Turn-OnandTurn-Off :BeforetoTurn-ON the Sup- plyVoltageandbeforetoTurnitOFF,theEnablein- put must be driven to the Lowstate. 3. APPLICATIONS Fig 6 shows abidirectionalDC motor control Sche- matic Diagram forwhich onlyonebridge is needed. The externalbridge of diodesD1 to D4 is madeby four fast recovery elements (trr 200 nsec) that must be chosen of a VF as low as possible at the worst case ofthe load current. Thesenseoutputvoltagecanbeusedtocontrolthe current amplitudeby choppingthe inputs,orto pro- vide overcurrentprotectionbyswitching low theen- ableinput. The brake function (Fast motor stop) requires that the Absolute Maximum Rating of 2 Amps must neverbe overcome. When the repetitivepeak current neededfrom the loadis higher than 2 Amps,a paralleled configura- tion can be chosen (See Fig.7). An external bridge of diodes are required when in- ductiveloads are driven and whenthe inputs of the ICarechopped;Shottkydiodeswouldbepreferred. L298 7/12 Thissolutioncandriveuntil 3Amps InDCoperation anduntil3.5 Amps of a repetitivepeakcurrent. OnFig8itisshownthedrivingofatwophasebipolar steppermotor ; the needed signals to drive the in- puts of the L298 are generated, in this example, from the IC L297. Fig 9 showsan exampleof P.C.B.designed forthe applicationof Fig 8. Fig 10 shows a secondtwo phase bipolar stepper motor controlcircuit where the currentis controlled by theI.C. L6506. Figure8 : Two Phase Bipolar Stepper MotorCircuit. Thiscircuit drivesbipolar steppermotors with winding currents up to 2 A. The diodes are fast 2 A types. RS1= RS2= 0.5 D1 toD8 = 2A Fast d