步進電機的單片機智能化控制

許宏福 陳勇志 姚 敏 謝光奇

湘南學院 湖南郴州 423000

步進電機的單片機智能化控制

許宏福 陳勇志 姚 敏 謝光奇

湘南學院 湖南郴州 423000

本設計由兩套獨立的電源模塊供電，利用E18-D80NK紅外避障傳感器和TCRT5000黑白線傳感器采集路況信息，以宏晶科技的8位單片機STC89C52為核心控制器，控制步進電機驅動模塊，達到路徑識別的目的；并通過LCD1602液晶顯示模塊顯示小車的運行狀態；設計實現單片機對步進電機的智能控制，達到小車自主循線和避障的功能。

電源模塊；傳感器；控制器；智能控制

Abstract: This design is supplied by two sets of independent power supply module, using infrared sensors of the E18 - D80NK and black and white lines sensors of the TCRT5000 to collect traff c information. With the purpose of the path recognition, the microcomputer chip of the STC89C52 which is the core controller controlled the step motor driver module. The states of the car are displayed by the LCD1602 LCD module. Intelligent control of the step motor by the microcomputer achieved independent follow line and counterguard function of the car.

Key words: power supply module; sensors; controller; intelligent control

步進電動機是將電脈沖信號轉換為相應的角位移或線位移的一種特殊的執行電動機。它不需要交換，能直接將數字脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移，因而很適合作為數字控制系統的伺服元件。此外，它的轉速在電機的負載范圍內與電脈沖頻率成正比，而與電壓電流等無直接聯系。計算機技術、電力電子技術、微電子技術、控制理論與控制技術的發展，給步進電機的應用開辟了廣闊的前景，應用非常廣泛，如數控機床、繪圖儀、自動記錄儀、遙控裝置和航空系統等，都大量使用步進電動機。本系統以智能小車為載體，以汽車電子為背景，結合計算機技術、自動控制原理、傳感器與現代檢測技術、電子技術等學科知識。通過硬件電路設計和軟件編程實現對步進電機的智能化控制。

1 硬件電路設計

1.1 總體方案

系統總體設計方案如圖1所示：STC89C52單片機為控制系統的控制中心，主要負責處理傳感器檢測到的數據，將處理的結果作為電機驅動模塊的輸入信號控制電機的運行。并將電機的運行狀態在LCD1602液晶上顯示。傳感器模塊承擔數據采集的任務，為控制器決策提供信息支撐。電源模塊為整個系統提供電能。

圖1 系統總體設計方案圖

1.2 電源電路設計

電源是系統穩定運行的必要條件，為了提高整個系統的可靠性、穩定性設計兩套相互獨立的電源分別供電機驅動和控制測量等電路使用。如圖2所示，7.4V的鎳鎘可充電電池經MIC29302穩壓塊穩壓后供電機驅動使用，經LM7805穩壓塊穩壓后供控制測量等電路使用。Power為擴展的電源接口備用。

1.3 主控電路設計

主控電路是整個系統的控制中心，主要負責處理傳感器測量的數據并將處理的結果送給驅動電路控制電機的運行。考慮系統的控制要求及性價比，選擇STC89C52作為系統的主控芯片。主控電路如圖3所示。

圖2 電源電路圖

圖3 主控電路圖

1.4 傳感器測量電路設計

傳感器測量的結果作為控制器的輸入，其測量的精度、靈敏度、響應速度等性能指標的優劣決定整個系統的性能。紅外壁障傳感器E18-D80NK的技術指標見表1。

表1 E18-D80NK技術參數

黑白線檢測傳感器TCRT5000的技術指標見表2。

表2 TCRT5000技術參數

上述2種傳感器均能滿足測量要求。測量電路如圖4所示。

圖4 傳感器模塊原理圖

1.5 電機驅動電路設計

驅動電路由兩片L298N H橋式步進電機專用驅動芯片及續流肖特基二極管組成，輸入端口直接接主控芯片的P1口。電機驅動電路如圖5所示。

圖5 電機驅動電路圖

1.6 液晶顯示與在線編程接口電路設計

液晶顯示與在線編程接口電路如圖6所示，LCD1602用來顯示小車當前的運行狀態、行程等信息。串口進行燒寫與在線調試。方便開發和維護工作。

圖6 液晶顯示與在線調試電路圖

2 系統控制程序設計

2.1 循線算法程序流程圖

小車在循線模式下工作時：在開放有限的地面空間貼有任意黑色線條，小車在沒有任何人為干預條件下自主尋找黑色線條。在找到黑色線條后在黑色線條上找到一點使之到小車初始位置的距離最短(最優路徑)，在找到最優路徑后回到起始點并沿最優路徑再次循線。小車循線程序流程圖如圖7所示。

圖7 循線算法程序流程圖

由表3小車尋線實測數據分析，小車在尋線模式下工作時其誤差在1.2%～5%之間。

表3 小車尋線實測數據(單位：/cm)

2.2 避障算法程序流程圖

小車在避障模式下工作時：在有限的迷宮內小車能夠沿著迷宮內的可行駛通道避開各個方向的障礙物，并且找到一條能駛出迷宮的通道。實驗證明由于小車車體關系，迷宮的寬度必須大于24cm，高度在10～10.5cm。小車避障程序流程圖如圖8所示。

圖8 避障算法程序流程圖

3 結束語

以單片機為核心的控制系統為步進電機的智能化控制開辟了新的途徑。引入避障算法實現最優路徑的尋找。硬件與軟件的結合提高系統的可靠性。通過現場試驗測試，按以上方案系統運行良好，在實現電機速度控制，定位控制的同時，能保證最優路徑自能化的實現。為工業現場控制提供了智能車模型。

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[5] 王質樸，運朋.MCS-51單片機原理接口及應用[M].北京：北京理工大學出版社，2009

Intelligent control of the step motor by the microcomputer

Xu Hongfu, Chen Yongzhi, Yao Min, Xie Guangqi
Xiangnan university, Chenzhou, 423000, China

2011-05-06 稿件編號：1105028

許宏福，在讀本科生。

湖南省大學生研究性學習與創新性實踐項目。