基于单片机的黑线检测及电机控制系统

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1、基于单片机的黑线检测及电机控制系统——电子设计竞赛项目东南大学仪器科学与工程系蔡文雯摘要：本设计采用一块C8051F120单片机作为电机和光电传感器的检测和控制核心。黑线检测采用反射式红外传感器，选用了一个4*4的键盘和一块128*64的液晶屏，实现了人机交互。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了悬挂重物在运动过程中的精确控制。关键词：C8051F120单片机、红外传感器Abstract:ThissystemusetheC8051F120singlechipastheexamineandcontrolcenteroftheelectr

2、omotorandphotoelectricsensor.Itusereflectedinfraredsensortoexaminetheblackline,andusethe4*4keyboardanda128*64LCDtorealizethecommunicationofthehumanandthesystem.1、系统简介本系统要求实现两电机控制一悬挂重物，功能一使得重物能够在面板范围内按照指定轨迹移动，如圆形、方形，精度为1cm；功能二能够通过键盘实现人机交互，输入指定坐标，电机旋转控制重物移至指定坐标处。功能三能够检测出黑线，并自动控制重物沿着黑线

3、移动。黑线中间断了一个大约1cm的缺口，重物能够越过这缺口继续前进，检测黑线到尽头后自动停止运动。图1系统外观2、总体方案充分考虑了各种因素，制定了整体的设计方案：以单片机C8051F120为核心，完成四个方面的控制：检测键盘输入，按输入的命令来调用相应的函数，实现人机交互；控制LCD显示；检测光电信号；通过I/O端口实现对左右两电机的控制。在按设定轨迹运行时，事先制定好坐标数据表，单片机通过不断查表，来控制电机的转动。而黑线寻迹时，光电传感器完成黑线探测，并以高低电平的形式送入单片机的I/O口，单片机对送过来的信号进行分析、运算、处理，再通过I/O口输出控制

4、信号控制电机的转动。系统组成及原理框图如图2所示。红外传感器调理电路调理电路检测信号LCD液晶L297+L298电机驱动电路单片机C8051F120键盘接口命令输入电动机控制信号指令及坐标显示图2系统原理图3、硬件电路本系统选择单片机作为中央处理器，是整个硬件系统的核心。它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。单片机具有集成度高、系统结构简单、应用灵活、处理功能强等优点，这就使以单片机为基础的应用系统容易做到体积小、性能好、价格便宜、易于产品化。单片机的种类繁多，本系统中由于电机的控制程序规模比较大，所以选用C8051F120，它是一种以高速8051微控制

5、器为内核的低功耗、高性能的单片机。使用内部集成PLL时速度可达100MIPS；片内调试电路提供全速、非侵入式的在片/在系统调试，支持断点、单步、观察点、堆栈监视器；可以观察修改存储器和寄存器，为我们的软件调试提供了极大的方便。同时C8051F120内含8个8位宽端口I/O（100TQFP），耐5V，其中P5口分配给液晶作为数据口；P4口作为液晶的控制口；P3口作为键盘的输入端口。P7口作为左电机的控制口；P0口作为右电机的控制口；P2作为传感器的输入端口。选用C8051F120作为本系统的中央处理器完全能够满足系统的需要。对于电机的选择，可以选取MINEBEA

6、公司的两相永磁混合式步进电机，它综合了反应式和永磁式两者的优点，供电电压12V，供电电流2A。因为我们的悬挂物体比较重，而这款电机的功率高达24W，力量大，带动重物运行过程中不容易失步。并且步进角小，只有1.8゜，半步进角0.9゜，很适合定位要求。对于电机驱动电路的选择，可以采用L298双H桥驱动器和L297步进电机斩波驱动控制器组成的双极性斩波驱动电路。其外部器件非常少，相应的成本降低，可靠信增强，所占空间少。只要单片机给出频率可调的方波信号，通过调节方波的频率，便可通过L297+L298驱动电路间接地调节电机的转速。而调节方波的个数就可间接调节电机所转的角

7、度，大大降低了单片机的负担。因为我们设置的步进角是1.8度，则电机所转角度=方波个数*1.8゜。具体电路如图3所示。图3L297+L298连线图本系统采用ATM12864D点阵式液晶屏作为主要显示工具。该芯片自带双控制芯片，自动完成液晶控制。该液晶屏具有众多控制字，程序开始时，先对液晶屏初始化。之后，每次先通过控制字指定开始位置，然后顺序写入点的信息。该液晶屏由两块控制芯片控制，各为（64*64）方阵，图像点信息按照纵向每8个点组成一个字节。设定一个字符或数字由8*8个点阵来表示，也就是说每个字符由8个字节组成，将这8个字节作为一个数组存入RAM里。在需要显示

8、这个字符时，只要从液晶的数据口顺序输出