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      主辦單位: 共青團中央   中國科協   教育部   中國社會科學院   全國學聯  

      承辦單位: 四川大學     

      基本信息

      項目名稱:
      步進電機的單片機智能化控制
      小類:
      機械與控制
      簡介:
      本系統由電源管理模塊、STC89C52單片機、步進電機驅動模塊、紅外避障傳感器、黑白線檢測傳感器、1602液晶顯示模塊、在線調試模塊組成。以步進電機作為動力裝置,采用STC89C52作為主控制芯片,通過紅外避障傳感器和黑白線檢測傳感器的協同工作,將采集得到的數據經主控制芯片分析處理后對步進電機做出指示,并將小車的行程和速度通過1602液晶顯示模塊顯示出來。
      詳細介紹:
      一、 硬件電路的設計 1.1 總體設計方案 步進電機智能化控制系統由電源管理模塊、STC89C52單片機、步進電機模塊、紅外避障傳感器模塊、黑白線檢測傳感器模塊、1602液晶顯示模塊和串口通信模塊組成。實現小車自動尋線和自動避障功能,并且通過液晶顯示屏顯示出基本信息。本系統的設計內容是:1.電源管理模塊的設計2. 步進電機驅動電路的設計;3.實現單片機對步進電機的智能控制;4.紅外傳感器檢測電路的設計,實現自動避障; 5.檢測黑白線,實現尋線運動;6.異步串行通信模塊的設計 7.附加功能及輔助電路設計;8.制作電路板,硬件組裝,軟件編程。 1.2 電源模塊的設計 電源由7.2 V的鎳鎘電池供電,其供電原理圖如圖2所示,并經過以下途徑分別對弱電和強電進行供電: 1.2.1 經過穩壓芯片LM7805穩壓后,輸出5V電壓,分別給單片機、傳感器、液晶接口電路和驅動邏輯部分供電。 1.2.2 經過穩壓芯片MIC29302穩壓成5V給L298和電機供電 (MIC29302是低電壓將高電流驅動的穩壓芯片最大峰值電流達3A) 1.2.3 備用電池部分以供調試之需 1.3 主控制器設計 該部分是邏輯電路的核心,也是最小系統部分。其中包括晶振電路,采用了12M的外部晶振頻率;復位電路部分,在系統上電時能夠自動復位,當程序跑飛時能將系統復位到初始狀態。 .4步進電機的工作原理與技術參數 1.4.1 工作原理 步進電機的運行原理如圖2所示,當A相繞組通電時,轉子的穩定平衡位置如圖4(a)所示。若使轉子偏離這一位置,如轉子向右偏離了一個角度,則定轉子齒的相對位置及作用轉矩的方向 1.4.2 技術參數 1.4.2.1 小車行程近似計算公式:步進電機轉軸旋轉的轉數=counts*小車輪子的直徑*3.14 1.4.2.2 小車速度近似計算公式:速度=行程/時間 1.4.2.3 步進電機步矩角:?=360°/(2mZ) (m為相數,Z為轉子齒數) 1.4.2.4 矩頻特性 步進電機作單步運行時的最大負載轉矩為 ,但當控制脈沖的頻率逐漸增加,步進電機的轉速逐漸升高時,步進電機所能帶的負載轉矩值將逐步下降。 1.4.2.5 步進電機電氣技術參數如表一所示: 表一 步進電機電氣技術參數 產品型號 驅動系統 驅動電壓 步矩角 每相 電阻 每相 電感 轉子 齒數 相數 SST420D1070 達林頓 驅動 5.0(VDC) 1.8° 7.6Ω 6.8(mH) 50 2 1.4.2.6 步進電機機械技術參數如表二所示: 表二 步進電機機械技術參數 電機 身長 電機 身寬 螺絲 口徑 軸徑 軸長 質量 保持轉矩 轉動慣量 31mm 31mm 0.5mm 0.6mm 55mm 180(g) 186(mn-m) 27(g-cm3) 1.5 步進電機驅動模塊的設計 電機驅動采用了L298作為驅動芯片,其供電范圍可從3—24供電,最大驅動電流可達3A,因此可以滿足設計要求。 STC89C52通過P1口產生的八路PWM信號通過L298引腳L0—L3和R0—R3輸入,以調節步進電機對應相的電流。當單片機P1口對應的位輸出低電平時,步進電機對應相VS與地導通,電機旋轉一個步進角。只要P1口按照單雙八扒的觸發方式觸發,步進電機便能旋轉起來,將觸發方式翻轉過來就能實現步進電機的反轉。P1口全給高電平就能實現步進電機的制動。MCU通過改變對應IO口PWM的占空比就可以調節步進電機的調速。 1.6 傳感器電路設計 我們選擇光電傳感器作為循跡傳感器。其工作原理如圖6所示一個發光二極管作為發送管,一個光敏三極管作為接收管,分別有一個精調電阻,來調節距離和靈敏度。循跡模塊是用來識別黑白線的,黑線輸出高電平,白線輸出高電平。循跡模塊一般識別距離為0-3cm。 P-RE0,P-RE1,P-RE2為E18-D80NK 紅外避障傳感器,該傳感器是一種集發射與接收于一體的光電傳感器,主要用于障礙物的檢測。P_GD0,和P_GD1為TK黑白線檢測傳感器。這五個傳感器通過分別通過各自的輸出信號線與單片機端口相連接,實現對障礙物的判別和對黑白線的檢測。 1.7 串行通信接口電路的設計 串行通信接口電路的作用是使STC89C52可以和PC機的RS—232串行接口連接并進行通信 二.、系統軟件設計 2.1 避障部分軟件的設計 系統上電后,先對STC89C52單片機端口、相關寄存器等進行初始化,避障傳感器正常工作,液晶顯示屏準備接收數據,主控制芯片將小車行駛路程、時間和速度數字化處理后,以字符形式顯示在1602液晶顯示屏上。隨后MCU對P3.2、P3.3、P3.4口進行循環掃描,以判斷外部傳感器的工作狀況,實時反映路面狀況。其工作原理如下所敘。 左邊紅外傳感器與單片機的P3.2口相連,中間紅外傳感器與P3.3口連,右邊紅外傳感器與P3.4口相連。當前面無障礙物時,P3.3口返回高電平時,小車往前走。當小車前面與左邊有障礙物時,單片機P3.3和P3.4端口返回低電平,小車向右轉90度;當小車前方和右方有障礙物時,單片機P3.3和P3.2端口返回低電平,小車向左轉90度;當小車前方、左方和右方有障礙物時,單片機P3.2、P3.3、P3.4端口返回低電平,小車向反轉180度。 2.2循跡部分軟件的設計 系統上電后,先對STC89C52單片機端口、相關寄存器等進行初始化,循跡傳感器正常工作,液晶顯示屏準備接收數據,主控制芯片將小車行駛路程、時間和速度數字化處理后,以字符形式顯示在1602液晶顯示屏上。隨后MCU對P3.5、P3.6口進行循環掃描,以判斷外部傳感器的工作狀況,右邊光電傳感器與P3.5口相連,左邊傳感器與P3.6相連,工作原理如下所敘。 系統初始化設定小車的尋線范圍,當在設定尋線范圍內未找到黑線時,系統自動擴大尋線范圍,直到找到黑線為止。找到黑線后尋找離出發點最近的點,然后自動尋線。 進入尋線模式后,當小車沒有檢測到黑線時,P3.5和P3.6端口保持低電平,小車往前走;當小車左側黑白尋線傳感器檢測到黑線時,P3.6返回高電平,小車向左偏轉7.2度;當小車右側黑白尋線傳感器檢測到黑線時,P3.6返回高電平,小車向右偏轉7.2度。

      作品圖片

      • 步進電機的單片機智能化控制

      作品專業信息

      設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

      本項目最大的創新點是電源模塊的設計:由于步進電機型號為SST42D1070重量大,耗電量大。同時電機是感性負載且工作在單雙八拍的模式下,會造成供電部分電壓的波動,影響單片機和傳感器的正常工作。在此情形下,我們有意地將強電和弱電部分分離開來,用7.2V鎳鎘電池經LM7805穩壓后給單片機、傳感器和1602液晶供電;7.2V鎳鎘電池經MIC29302穩壓后給L298和步進電機供電,提高系統運行的穩定性。 創新點之二是我們在以往硬件設計的基礎上加上了異步串行通信模塊(MAX232),提高了程序調試的靈活性,縮短了開發周期。

      科學性、先進性

      本項目最大的創新點是電源模塊的設計:由于步進電機型號為SST42D1070重量大,耗電量大。同時電機是感性負載且工作在單雙八拍的模式下,會造成供電部分電壓的波動,影響單片機和傳感器的正常工作。在此情形下,我們有意地將強電和弱電部分分離開來,用7.2V鎳鎘電池經LM7805穩壓后給單片機、傳感器和1602液晶供電;7.2V鎳鎘電池經MIC29302穩壓后給L298和步進電機供電,提高系統運行的穩定性。 創新點之二是我們在以往硬件設計的基礎上加上了異步串行通信模塊(MAX232),提高了程序調試的靈活性,縮短了開發周期。

      獲獎情況及鑒定結果

      湖南省大學生研究性學習與創新性實踐項目 2010年湘南學院第四屆挑戰杯二等獎

      作品所處階段

      結題階段

      技術轉讓方式

      洽談

      作品可展示的形式

      實物和演示文檔

      使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

      智能汽車作為一種智能化的交通工具,體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合,是未來汽車發展的趨勢。尋跡避障小車可以看作是縮小化的智能汽車,它實現的基本功能是沿著指定軌道自動尋跡行駛和避開周圍的障礙物。

      同類課題研究水平概述

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