Microsoft Word - 逢甲大學.doc

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - 逢甲大學.doc"

农换淹昝
5 years ago
Views:

1 逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文無人搬運車 Automatic Mobile Vehicle 指導教授 : 蘇文彬老師學生 : 陳宏維許宏士謝侑融游子儁中華民國九十七年一月三十日 I

2 II

3 中文摘要本專題旨在設計與製作一部能夠依照黑色膠帶與電腦傳輸的指令訊號行走的自走車其內容包括硬體電路設計軟體程式撰寫機械結構探討及機電整合之應用專題中使用伺服馬達紅外線感測器 MCS-51 單晶片電晶體電路積體電路零件及 8051 相關語言, 以利建構整體架構這次的專題著重在實作的部份, 從實作的過程中進而學習一些解決問題的方法, 也同時對軟體與硬體的整合做應用 III

4 Abstract The purpose of this project is to design and produce a Automatic Mobile Vehicle which could follow the black tape and the signal of computer. The content includes, hardware circuit design,software program writing, discussion mechanism and the apply of mechatronic engineering. We used Servo Motor, Infrared sensor (CNY70), MCS and 8051 related language to build the whole structure. The project is mainly focus on practical part, to learn how to solve problems during the process, and also apply on combining software and hardware. IV

5 目錄中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 圖目錄 V 表目錄 VII 第一章導論介紹無人自走車研究目的及動機研究方法與流程第二章 MCS-51 單晶片概述單晶片簡介單晶片接腳簡介單晶片系統架構指令解碼器 (Instruction Decoder ) 程式計數器 (Program Counter,PC) 算術與邏輯單元 (Arithmetic & Logic Unit,ALU) 程式記憶體 (Program Memory) 資料記憶體 (Data Memory) 特殊功能記憶體第三章馬達電動機的種類與原理 V

6 3.2 無刷馬達的構造與原直流馬達控制原理直流馬達之特性曲線與選用方式第四章感測器之介紹感測器之介紹與用途感測器驅動電路與動作原理晶片 CNY 感測器電路圖第五章電路 & 程式程式設計對策程式流程圖電路圖實驗過程結論參考文獻附錄 VI

7 圖目錄圖 2.1 晶片的編號及特性圖 2.2 內部結構方塊圖單晶片接腳簡介圖 2.4 內部時脈震盪器輸入接腳圖系列單晶片之內部功能方塊圖圖 2.6 程式計數器圖 2.7 內部程式記憶體圖 2.8 資料記憶體結構圖圖 3.1 馬達之基本構造圖 3.2 轉子順時針旋轉圖 3.3 霍爾元件與直流馬達所構成的無刷馬達圖 3.4 直流馬達特性曲線圖圖 4.1 感測器整體電路圖圖 4.2 感測器電路圖圖 5.1 程式流程圖圖 5.2 電源電路圖 5.2 RESET 電路圖 5.3 感測器電路 VII

8 圖 5.4 7PIN_Connector 和感測器之間電路圖 5.5 單晶片主電路圖 5.6 伺服馬達控制電路圖 5.7 自走車正反面構造圖圖 5.8 自走車感測器亮燈情形圖 5.9 實際測試狀態圖 VIII

9 表 2.1 P3.0 ~ P3.7 接腳其它功能表目錄表 2.2 特殊功能暫存器名稱與各記體的關係表 2.3 暫存器說明表 2.4 計時器模式控制暫存器表 2.5 計時器動作模式對照表表 2.6 計時器暫存器說明表 2.7 串列埠暫存器說明表 2.8 串列埠動作模式對照表表 3.1 馬達比較表表 5.1 自走車的導引控制模式對策 IX

10 第一章導論 1.1 介紹無人自走車研究目的及動機無人自走車採用 8051 晶片做為主要的控制, 並使用伺服馬達驅動, 延著地面上由黑色膠帶所佈置之軌道進行移動, 並在脫離軌道路線時會經由紅外線感測器發出的信號來修正行進方向在基本的自走車架構完成後, 將額外新增其他功能, 如下 : 1. 倒車雷達 : 使在自走車能自動判斷牆壁或障礙物的存在以保護自走車 2. 聲控功能 : 能對自走車做簡單的語音控制, 如控制馬達的轉速或是行進方向等功能 3. 搖控裝置 : 利用無線搖控器對自走車進行各種功能操做 4. 承載微電腦系統 : 在自走車上加裝電腦系統使之能發展出更多功能 5. 各類機械零件 : 如機械手臂小行攝影機的加裝並利用微電腦進行控制 1.2 研究方法與流程綜合運用機電整合之所學, 發揮創造力, 培養實作經驗和解決問題的能力首先搜尋資料研讀其他人的 paper 並跟指導老師討論整體的架構與理想的成品, 先完成自走車的馬達驅動電路與感測器的部份接著再利用程式控制 MCS-51 給與自走車行進的方向, 最後在不斷改良系統讓整體更穩定功能更齊全 1

11 第二章 MCS-51 單晶片概述單晶片簡介 MSC-8051 系列單晶片是美國 INTEL 公司推出 MCS-8048 系列晶片之後所推出的後續晶片,8051 系列單晶片主要是改進 8048 系列單晶片的硬體架構及軟體能力 MCS-8051 系列單晶片依其電路結構又可分為三種版本 :(1) 晶片內部不含 ROM 的版本 (2) 晶片內含 ROM 的版本以及 (3) 晶片內含 EPROM 的版本下圖 2.1 表列出各版本晶片的編號及一些特性 : 圖 2.1 晶片的編號及特性以下將 8051 單晶片的重要特性說明如下 : ( 1) 專為控制應用所設計的 8 位元 CPU ( 2)4K Bytes 的內部程式記體 (ROM) ( 3)128 Bytes 可供讀 / 寫的內部資料記憶體 (RAM) ( 4) 內部具有時脈振盪器, 最高工作時脈可達 12 MHz ( 最快速度為 1us/ 指令 ) ( 5)2 組 16 位元的計時器 / 計數器 (Timer/Counter) ( 6)4 組 8 位元的 I/O 並列埠, 共 32 條可單獨規劃為輸入或輸出的 I/O ( 7) 可擴充為 128K Bytes 的外部記憶體, 其中 64K Bytes 為程式記憶體 ( 8) 資料記憶體可在外部擴充至 64K 位元組資料記憶體 (RAM) 2

12 ( 9) 可處理 5 個中斷來源, 且具有兩層 ( 高 / 低 ) 優先全順序之中斷結構 (10) 含有一完整的布林代數 ( 單位元邏輯 ) 之運算功能圖 2.2 內部結構方塊單晶片接腳簡介圖單晶片接腳簡介 3

13 以下別對 8051 的 40 支接腳做說明 : (1) Vcc(40) MCS-51 +5V 電源接腳 (2) Vss(20) MCS-51 電源接地端 (3) P0.0 ~ P0.7 (39 ~32) 此 8 支腳為 MCS-51 第 0 個輸入 / 輸出埠, 簡稱 P0 除作為輸入/ 輸出埠外, 又可當作外接程式記憶體的較低 8 位元位址, 及資料匯流排, 因此具有三重多工用途, 其主要功能為 : 1. 當存取外部記憶體時, 作為較低 8 位元位址匯流排 (A0 ~ A7) 和資料匯流排 (D0 ~ D7) 一般是在每個指令週期中, 先送出位址位號, 再送出資料信號 2. P0 埠本身是一個開洩極的電路, 作為輸出用時, 必須加上提升電阻 3. P0 埠作為入埠時, 必須先將 1 狀態寫到 P0, 使其成為高阻抗狀態, 才能成為正常的輸入埠 4. 當作輸出時, 每個接腳可以驅動 8 個 LS TTL 負載 (4) P1.0 ~P1.7 (1 ~8) 此為 MCS-51 第一個輸入 / 輸出埠, 簡稱為 P1 內部本身已有提升電阻 1. 要作為輸入埠時, 必須先將 1 狀態寫到 P1, 使其經由內部提升電阻, 提升成為高電位狀態, 才能正常作為輸入埠 2. 作為輸出埠, 將 1 輸出, 則接腳為高電位, 輸出 0 到 P1, 則接腳為低電位每個接腳可以驅 4 個 LS TTL 負載 3. 在 8032 或 8052 的晶片,P1.0 作為第 2 個計時 / 計數器的輸入接腳 T2,P1.1 為第 2 計時 / 計數器在捕獲模式下的輸入接腳 T2EX (5) 2.0 ~P2.7(21~28) 為第二個輸入 / 輸出埠, 簡稱 P2 內部已有㆒提升電阻除可作為 I/O 埠外, 又作為位址匯流排的較高 8 位元位址 1. 如作為輸入埠, 必須先將 1 寫到 P2, 才可以正常作為輸入埠 2. 作為輸出埠, 將 1 輸出, 則接腳為高電位, 輸出 0 到 P2, 則接腳為低電位每個接腳可以驅動 4 個 LS TTL 負載 3. 當存取外部記憶體時, 作為較高 8 位元位址匯流排 (A8 ~ A15) (6) P3.0 ~ P3.7(10 ~ 17) P3.0 ~ P3.7 簡稱 P3 內部已有一提升電阻 1. 如作為輸入埠, 必須先將 1 寫到 P3, 才可以正常作為輸入埠 2. 作為輸出埠, 將 1 輸出, 則接腳為高電位, 輸出 0 到 P3, 則接腳為低電位每個接腳可以驅動 4 個 LS TTL 負載除作一般的 I/O 埠, 每支接腳另有其它功能, 列舉如下 : 4

14 表 2.1 P3.0 ~ P3.7 接腳其它功能 (7) RST(9) 為重置 (RESET) 信號輸入接腳, 在此接腳, 加上高電位, 並且維持兩個機械週期以上, 晶片內部就會產生重置動作, 重置時, 內部相關的暫存器會被重置為特定的內容值 (8) XTAL1(18) XTAL2(19) 為內部時脈振盪器的輸入接腳一般在這二接腳, 加上一個 12MHz 的石英振盪器晶體, 來產生所須工作頻率圖 2.4 內部時脈震盪器輸入接腳 (9) PSEN(29) PSEN 是 Program Store Enable, 程式儲存致能信號它是 8051 晶片讀取外部程式記憶體的激發信號, 當晶片在讀取外部記憶時, 會送出這個信號到記憶體上的輸出致能腳, 促使記憶體送出程式碼 (10)ALE/PROG(30) ALE 代表 Address Latch Enable, 位址閂鎖致能信號因 MCS-51 的 P0 具有位址和資料匯流的雙工作用, 在讀取外部記憶體的資料或程式碼, 為分辨 P0 上為位址信號線或是資料信號線, 由 ALE 接腳輸出一負緣信號作為辨別 P0 上的位址信號, 此信號一般都接到一閂鎖電路致能腳 (11)EA/VPP(31) 這支接腳是存取外部程式記憶體的致能腳當 8051 的 EA/VPP 加入 0 電壓, 表示使用外部程式記憶體加入 5V 電壓, 則是自內部 ROM 或 EPROM 讀取程式執行, 因 8031 內部沒有 ROM, 使用時 EA/VPP 必須接地 5

15 單晶片系統架構圖系列單晶片之內部功能方塊圖以下將分別介紹幾個重要的功能說明指令解碼器 ( Instruction Decoder ) 指令解碼器的功能是負責將擷取自程式記憶體中的指令加以解碼, 並送出內部信號以控制單晶片各單元的動作這些內部控制信號可控制資料的來源及目的地, 以及控制算術 / 邏輯處理單元 6

16 2.3.2 程式計數器 ( Program Counter,PC ) 程式計數器是用來控制儲存在程式記憶體中指令碼的執行順序的一個 16 位元暫存器, 也就是說, 程式計數器的存放內容是下一個執行指令的程式記憶體的位址 ( A0~A15 ), 其中低階位址 A0~A7 存放在 8 位元的 PCL 暫在器中, 而高階位址 A8~A15 則存放在 8 位元的 PCH 暫存器中圖 2.6 程式計數器算術與邏輯單元 ( Arithmetic & Logic Unit, ALU ) 這個單元主要是處理資料的算術及邏輯運算, 必須搭配單晶片內部的 PSW 暫存器及累加器來進行運算算術運算包括加法減法乘法除法遞加遞減大小比較等運算, 而邏輯運算則包括 AND OR XOR NOT 左/ 右旋轉 ( Rotate ) 在/ 右移位 ( Shift ) 位元清除( Clear ) 位元設定( Set ) 等運算運算後的結果除了存放於累加器或其它記憶體 ( 暫存器 ) 中, 亦反應於 PSW 暫存器中 ( 如是否有進位等 ) 7

17 2.3.4 程式記憶體 ( Program Memory ) 8051 及 8071 皆具有 4K Bytes 的內部程式記憶體, 並可在外部再擴充 60K Bytes EPROM, 如下圖所示, 而 8031 則沒有這些內部程式記憶體在程式記憶體中所存放的是 8051 所要執行的程式碼, 單晶片會主動到這塊記憶體要執行的指令碼, 而 8051 要讀取程式記體時需激發信號 PSEN 圖 2.7 內部程式記憶體 8051 是如何決定程式記憶體的前面 4K Bytes 要內部或外部程式記憶體去讀取指令呢? 這就要靠 8051 的 EA 接腳來決定內部程式記憶體是否有效, 當 EA=0, 代表內部程式記憶體無效,8051 會將前面 4K 移到外部 ; 當 EA=1, 則內部程式記憶體有效 8051 到外部讀取一個指令碼時,P0 和 P2 這兩個 I/O 埠就變成外部 EPROM 時所需的匯流排, 其中 P0 當作位址匯流排和資料匯流排多工使用, 當 ALE 接腳輸出為 High 時, 此刻 P0 上所輸出的是位址信號 ( A0~A7 ), 因此外部的位址栓鎖電路必須在此刻將 P0 上的位址信號捕捉起來, 當 ALE 降為 LOW, 且 PSEN 為 LOW 時,P0 就變成資料匯流 ( D0~D7 ),8051 會在 PSEN 的輸出狀態由 LOW 轉態成 High 時讀入 P0 上的資料且將它解釋成指令碼 ;P2 在 8051 讀取外部程式記憶體時會固定輸出位址匯流排的高位元組 ( A8~A15 ) 8

18 2.3.5 資料記憶體 ( Data Memory ) 8051 內部有一塊 256 個 Byte 的位址空間, 這塊空間是存放資料記憶體 (RAM) 和特殊功能暫存器 (SFR) 的地方, 並可在外部擴充 64KBytes 的資料記憶體其資料記憶體的結構圖 2.8 如下 : 圖 2.8 資料記憶體結構圖 8051 系列單晶片具有 128 Bytes 的內部資料記憶體, 其中位址編號為 00H~7FH 這些內部資料記憶體可供使用者的程式自由存取資料, 不過,00H~7FH 記憶體的資料可用直接定址法來存取資料, 而 8052 系列的 80H~FFH 記憶體的資料則必須間接定址法才可以存取依單晶片的特性又可將這些內部資料記憶體 (00H~7FH) 分成三個不同的部分 : (1) 暫存器庫 ( Register Banks ): 位址 00H~1FH( 共 32Bytes ), 可分為 4 個暫存器庫 ( 0~3 ), 每一個暫存器庫各有 R0~R7 共 8 個暫存器當作暫存器用時, 使用者只能使用其中一組暫存器庫來使用, 稱之為工作暫存器庫 ( Working Register Bank ), 這是由單晶片內部 PSW 暫存器之 RS0 及 RS1 位元來指定要使用哪一個暫存器庫 9

(2) 可位元定址 ( Bit-addressable ) 區 : 位址 20H~2FH( 共 16 Bytes ), 這 16 Bytes 記憶體中的每一個位元皆可單獨設定為 0 或 1, 因此共有 128 個位元可單獨使用, 其位元位址的編號為 00H~7FH( 0~127 ), 例如, 記憶體位址 20H 的最低位元 ( 位元 0) 的位元位址編號為 00H, 位址 21H 的最高位元 (

19 (2) 可位元定址 ( Bit-addressable ) 區 : 位址 20H~2FH( 共 16 Bytes ), 這 16 Bytes 記憶體中的每一個位元皆可單獨設定為 0 或 1, 因此共有 128 個位元可單獨使用, 其位元位址的編號為 00H~7FH( 0~127 ), 例如, 記憶體位址 20H 的最低位元 ( 位元 0) 的位元位址編號為 00H, 位址 21H 的最高位元 ( 位元 7) 的位元位址編號為 0FH 這些記憶體適合於布林運算處理 (3) 一般用途區 : 在 8051 中, 此位址空間 ( 30H~7FH ) 並未加以定義, 由使用者自由使用, 可以存放程式變數用, 然而程式執行時, 可設定為堆疊區 ( 執行 CALL PUSH POP 指令會用到 ), 堆疊區的大小由使用者自行設定, 例如, 當 SP 值設定為 2FH 時, 則 8051 可用堆疊區就為 30H~7FH 特殊功能記憶體 8051 系列單晶片單晶片內部有一塊 128 Bytes 可直接定址的記憶體區, 其直接定址位址為 80H~FFH, 它是用來存放週邊元件控制狀態及資料的暫存器, 稱之為特殊功能暫存器 ( SFR ) 下圖說明特殊功能暫存器的名稱與各記憶體之間的關係表 2.2 特殊功能暫存器名稱與各記體的關係 10

20 SFR 與它們位址的列表在這些特殊功能暫存器中, 有些是可位元定址 (Bit-addressable) 的位元位址範圍 00H~7FH 是落在內部資料記憶體 20H~2FH 中, 而位元位址範圍 80H~FFH 則落在這些特殊功能暫存器中以下將說明 SFR 中各暫存器的功能及用途 : (1) 累加器 ( Accumulator,ACC ): 累加器又可稱之為 ACC 或 A 暫存器, 這是一個使用頻率頗高的一個通用暫存器, 而有許多指令是以其為操作對象 (2) B 暫存器 : 在做乘法指令 ( MUL ) 及除法指令 ( DIV ) 運算時, 必須以 B 暫存器為操作對象之一也就是說, 在做乘法 / 除法運算之前必須將運算資放入 A 及 B 暫存器中, 而運算之後的結果會放入 A,B 暫存器中 (3) 程式狀態字語 ( Program Status Word,PSW ) 暫存器 : PSW 暫存器主要是記錄及控制單晶片之運算如下表所示 : 表 2.3 暫存器說明 CY(PSW.7): 進位旗標 AC(PSW.6): 輔助進位旗標 F0(PSW.5): 一般用途旗標 RS1(PSW.4): 暫存器庫選擇位元 1 PS0(PSW.3): 暫存器庫選擇位元 0 OV(PSW.2): 溢位旗標 (PSW.1): 保留 P(PSW.0): 同位旗標 11

21 在每個指令週期中, 若累積器內的 "1" 的位元個數是奇數個則 P=1, 偶數個則 P=0 (4) 堆疊指標器 ( Stack Pointer,SP ): SP 是管理堆疊的一個暫存器, 用來指出最近一次資料推入 (Push) 堆疊時的內部資料記憶體位址每次執行 PUSH 指令時,SP 值自動加一, 然後再將資料推入堆疊中 ; 反之, 執行 POP 指令時, 資料先彈出 (Pop) 堆疊後,SP 再自動減一另外執行副程式呼叫指令 ( CALL ) 或中斷時, 程式計數器 ( PC ) 的值亦會推入堆疊中, 而執行副程式返回指 ( RET/RETI ) 時會將堆疊內的資料回存到程式計數器中, 以正確地返回到原程式的呼叫點 (5) 資料指標器 ( Data Pointer,DPTR ): DPTR 是一個 16 位元的暫存器, 它是由兩個 8 位元的暫存器 DPH( 高位元組 ) 及 DPL( 低位元組 ) 所組成 DPTR 的最主要用途是用來指向程式或資料記憶體的每一個位址, 以便存取程式碼或資料當 DPTR 指向程式記憶體時, 我們可以用 MOVC 指令來讀取程式記憶體中的資料, 當 DPTR 指向資料記憶體時, 我們可用 MOVX 指令來存放或讀取資料記憶體中的資料 (6) P0 P1 P2 P3 埠暫存器 : 這四個埠暫存器可存放 8051 單晶片的 4 個 I/O 埠的輸出閂鎖 ( Latch ), 主要是存放並保持 I/O 的輸出資料 (7) 中斷優先權 ( Interrupt Priority,IP ) 暫存器 : 每一個 IP 暫存器位元可用來控制各中斷的優先權階層, 當設定為 1 時, 表示享有較高的中斷優先權, 而設定為 0 時其優先權較低 (8) 中斷致能 ( Interrupt Enable,IE ): 由於所有的中斷皆為可遮罩的 ( Maskable ), 這些中斷就是由 IE 暫存器來加以致能 / 除能 ( Enable/Disable ) 的 (9) TH0~TH2 TL0~TL2 計時器 / 計數時暫存器 : 這 3 組 16 位元的暫存器是分別用來儲存計時器 / 計數器的計時 / 計數值 TH0 TH1 TH2 為高位元組,TL0 TL1 TL2 為低位元組 TH0 及 TL0 對應於計時器 / 計數器 0,TH1 及 TL1 對應於計時器 / 計 12

22 數器 1,TH2 及 TL2 對應於計時器 / 計數器 2 (8052 系列 ) (10) 計時器模式控制 (Timer/Counter Mode Control,TMOD) 暫存器表 2.4 計時器模式控制暫存器表 2.5 計時器動作模式對照表 (11) 計時器控制 ( Timer Control,TCON ) 暫存器表 2.6 計時器暫存器說明 13

23 (12) 串列埠控制 ( Serial Port Control ) 暫存器 : 表 2.7 串列埠暫存器說明表 2.8 串列埠動作模式對照表 (13) 串列資料緩衝 ( Serial Data Buffer,SBUF ) 暫存器 : 8051 單晶片的串列埠是全雙工的, 故實際上 SBUF 暫存器分開為兩個不同的暫存器, 一個是當作 UART 傳送資料的緩衝區, 另一個是當作 UART 接收資料的緩衝區若將資料寫到 SBUF 時, 就會將資料放入傳送緩衝區,UART 就會將這個資料轉成串列資料透過 TXD 傳出去若去讀 SBUF, 就會讀到接收緩衝區的資料 14

24 3.1 電動機的種類與原理第三章馬達之簡介電動機即為工業界俗稱的馬達, 種類依照使用電源可分成直流馬達 (DC Motor) 與交流馬達 (AC Motor) 兩大類, 若再以控制方式啟動方式與繞組方式分類則可分成步進馬達 (Stepping Motor) 伺服馬達(Servo Motor) 無刷馬達( 霍爾馬達 ) 單相交流馬達三相感應馬達串激式直流馬達分激式直流馬達與複激式直流馬達等其中無刷馬達又稱作直流伺服馬達 (DC Servo Motor), 直流伺服馬達之特性與直流馬達相似, 兩者的差異在於直流伺服馬達利用角度編碼器 (Encoder) 與轉速發電機 (TG) 將馬達的轉速扭矩等物理量檢出, 再利用控制器將回授訊號作運算, 達到控制直流伺服馬達的輸出特性, 同時利用霍爾元件取代電刷, 因此在結構上直流伺服馬達除了感測器部份以外, 其餘均與一般的電動機相仿以下分別討論直流馬達與無刷馬達的構造與原理, 以及各類馬達性能之比較下圖為馬達之基本構造示意圖, 一般的電動機在構造上可以分成五個部份圖 3.1 馬達之基本構造 15

25 1 電樞(Armature) 或轉子 (Rotor): 為馬達旋轉的部份, 材質為永久磁鐵線圈 ( 外接電源 ) 導線( 無外接電源 ) 或特殊形狀之導磁材料 2 場繞組(Field) 或定子 (Stator): 材質為永久磁鐵或是線圈 ( 外接電源 ) 3 滑環(Slip Ring) 或換向器 (Commutator, 如直流馬達之碳刷 ): 連接轉子繞線至外部換向器用於改變電樞繞線之電流方向, 使用永久磁鐵為轉子材質的馬達則無需滑環或換向器 4 軸承(Bearing): 可使用滾珠滾針滾柱含油自潤軸承, 主要提供轉子穩固的支撐 5 馬達控制器(Motor Controller): 包含控制馬達的輸出扭矩速度或轉角, 以及大型馬達起動停止之順序控制控制器種類也相當多, 如單相交流馬達使用的電容分相啟動器, 直流馬達使用的功率控制器變頻器或是伺服馬達控制器等, 都是屬於馬達控制器雖然電動機的種類相當多, 不過各種電動機的基本操作原理都相同, 都是利用電流流過定子產生磁場, 當轉子也通上電流時由於切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩造成電動機轉子的轉動如下圖所示, 假設轉子之繞組只有一組線圈時, 當轉子線圈通上電流時由於切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩, 致使轉子轉動, 以下圖而言, 定子的磁力線由左至右, 而轉子的電流方向為由右方流入左方流出, 因此生成的旋轉扭矩使得轉子順時針旋轉圖 3.2 轉子順時針旋轉 16

26 直流馬達之基本構造均與上圖類似, 其他種類電動機的基本構造則只是在定子部份有所差異, 例如交流感應電動機由於交流電源有相角差之緣故, 因此定子的磁場由固定磁場變成旋轉磁場, 此外場繞組 ( 定子 ) 的接線方法也有所謂 Y 接法 " Δ 接法 " 或是 Y-Δ 接法 " 3.2 無刷馬達的構造與原理電動機構造中滑環由於是採用接觸式通電的方式, 所以也稱作電刷在直流電機中常以石墨作為電刷的材質, 電刷長期與電動機的轉子摩擦會造成相當程度的噪音, 同時也會因磨耗而需要考慮維修的問題在交流電動機中電刷則採用金屬材料製作, 在長期磨耗下會造成間隙 (Gap), 容易在運轉時發出火花, 諸如此類的問題都對電動機的可靠度與安全性有相當程度的影響無刷馬達就是在這樣的需求下產生, 無刷馬達在構造上是利用永久磁鐵作為轉子, 並且利用霍爾效應感應電動機轉子的位置, 當轉子之相位為時令定子激磁, 如此可以達到最高的運轉效率, 利用這樣的原理也可以使用在四行程機車引擎點火正時上霍爾效應滿足以下關係式由上式可以瞭解霍爾電壓與磁通密度 ( 磁場強度 ) 及霍爾電流成正比, 因此當轉子之磁軸與霍爾元件不同軸時, 磁通較小, 為了維持固定的霍爾電壓必須增大霍爾電流, 如此便能精確的算出定子的激磁順序與時間霍爾元件與直流馬達所構成的無刷馬達如下圖所示圖 3.3 霍爾元件與直流馬達所構成的無刷馬達 17

27 如上圖所示, 當轉子磁軸與霍爾元件同軸時, 霍爾元件與 S 極距離最短, 因此磁通密度最高, 此時造成霍爾元件 A 端子電壓較大, 使得電晶體 Q1 導通, 則線圈 L1 內有 i1 電流流通, 因此線圈 L1 呈激磁狀態, 依據右手定則得知線圈 L1 右側為 S 極, 故轉子反轉當轉子 S 極遠離霍爾元件時造成磁通密度下降, 因此 A B 端不再產生霍爾電壓電晶體 Q1 Q2 呈 OFF 狀態, 轉子因受慣性作用繼續反向旋轉當轉子 N 極轉至霍爾元件時, 造成霍爾元件 B 端子電壓較大, 使得電晶體 Q2 導通, 則線圈 L2 內有 i2 電流流通, 因此線圈 L2 呈激磁狀態, 轉子再度受磁力作用反轉, 依照如此程序轉子持續轉動上圖因為有兩組場繞組線圈因此稱作二相無刷直流伺服馬達, 當控制精度要求更高時, 可以增加場繞組線圈數目與霍爾元件數目, 因此工業上常使用的四相五相無刷馬達, 即是指此類運用霍爾元件製成的無刷直流伺服馬達無刷直流伺服馬達由於利用霍爾元件感應激磁順序與時間, 因此又稱作電子換相馬達, 利用霍爾元件感應激磁順序與時間可以減少不必要的電能浪費, 同時也可以適時的提供轉子轉動所需的電磁力, 因此大幅提升馬達輸出扭矩與效率 3.3 直流馬達控制原理要控制直流馬達的啟動以及停止, 可使用圖 2-6 所示的共射極達靈頓電路來完成, 當輸入端 ML_ONOFF=1 時, 電晶體 Q3 Q8 飽和導通,C 點約為飽和電壓 0.3V, 因此馬達 M2 啟動, 顯示燈 L1 亮 ; 反之, 當輸入端 ML_ONOFF=0 時, 電晶體 Q3 Q8 截止不通,C 點浮接, 因此馬達停止,L1 不亮當輸入端 ML_ONOFF=1 馬達轉動時, 電源 VDD 向馬達線圈充電, 在線圈上儲存了能量, 根據楞次定理, 當 ML_ONOFF=0,C 點浮接時, 在線圈二端將出現一逆向電動勢 VR 其中 N 為馬達的線圈匝數此負電壓加上 VDD, 將在 C 點形成極高的電壓, 非常容易對電晶體 Q3 Q8 造成破壞打穿, 因此, 為了保護電晶體免受馬達線圈逆向電動勢的破壞, 可在 M2 兩端接二極體 D10, 當電晶體截止, 逆向電動勢出現時可予以吸收掉, 而達到保護作用此二極體 D10 稱為飛輪二極體 18

28 3.4 直流馬達之特性曲線與選用方式下圖所示為 12 伏特直流馬達特性曲線圖, 橫軸為輸出轉矩, 縱軸則分別為轉速電流以及效率與輸出功率圖 3.4 直流馬達特性曲線圖直流馬達與其他馬達最大的差異在於其轉速 - 轉矩 " 與電流 - 轉矩 " 特性均為線性關係, 因此在一般需要做到轉速轉矩控制的場合中, 若控制精度不需很高的情況下, 同常以直流馬達作為致動器是較為經濟的選擇選用動力電動機時必須考量的因素包含輸出負荷大小馬達輸出扭力與轉速曲線特性, 同時也要考慮電源形式與運轉模式在選用直流馬達時, 必須注意它的工作電壓, 直流馬達電源常見規格為 DC12V 與 DC24V, 交流馬達則為 AC110V 與 AC220V; 另外還要知道輸出扭矩大小 (g-cm kg-cm), 以及轉速 (rpm), 當然最好能有馬達特性曲線, 如電流轉矩圖與電流轉速圖等, 以方便作為選用馬達時的參考計算扭力需求時, 先計算欲旋轉的物體轉動慣量, 再參考旋轉速度決定減速比, 然後決定馬達工作扭力值, 即可依照馬達特性選擇適用型式 19

29 以下便以表格的方式列出電動機之分類與驅動控制方法, 可比較在不同的使用條件下各種電動機的優劣表 3.1 馬達比較表三相感應馬達單相感應馬達直流馬達伺服馬達步進馬達驅動訊號交流交流直流直流 / 交流脈衝控制方式 1 工業電子 2 變頻器 1 工業電子 2 變頻器工業電子 1 閉迴路 2 Encoder 1 開迴路 2 步級角應答時間 0.15sec 0.2sec 優點高速大轉矩構造簡單構造簡單高速高應答低價位高精度缺點體積龐大需啟動器出力較小複雜價高失步噪音運用場合大動力提供較小動力提供小動力提供高速高精度低速高精度 20

30 第四章感測器之介紹 4.1 感測器之介紹與用途光感測器可以大分為兩種, 其中之一為將發光 - 受光的元件相對放置, 以檢出當中是否有間隔物體, 稱之為透過型光感測器另一種為將發光 - 受光之各元件並排, 受光元件藉由偵測出發光元件所發射後經由障礙物所反射的光, 稱為反射型光感測器自走車利用 CNY70 感測器偵測路面, 藉著黑色膠帶所貼好的行動路線來移動, 並且在偏移軌道時能發出訊號給 8051 控制晶片, 而 8051 控制晶片則針對傳來的信號, 自動效正移動路線至軌道上接收訊息 0 1 來判斷是否轉彎, 由四種分別為前進右迴轉左迴轉向右修正向左修正和停止而感測器就是借由用晶 CNY70 感測地面上的膠帶, 做為車子的行走方向, 並把訊息傳遞給 MSC 感測器驅動電路與動作原理 5 伏特電源經由 330Ω 的限流電阻提供給紅外線發射器穩定的電壓, 使紅外線發射器穩定而持續地發出紅外線當光電晶體接收到反射回來的紅外線時, 則光電晶體會依靈敏度的大小而飽和, 使射極電壓接近 5V, 再經由 4584 史密特反向觸發器, 使輸出等於 0V 其中使用 500K 可變電阻的目的是再調整電路的靈敏度, 當 500K Ω 可變電阻調小時,Ie 較大, 光電晶體較容易飽和, 也就是靈敏度較高, 相反的, 當 500K Ω 可變電阻調大時, 靈敏度較低 IC4584 是一個史密特反向觸發器, 它兼具有史密特觸發器以及反向閘的功能, 在這裡使用史密特觸發器的目的就是過濾外界干擾, 避免受外界的小變動就使輸出狀態改變, 發出錯誤的訊息而當 CNY70 在電工膠帶所貼的導引道路上時, 因電工膠帶為黑色會吸光, 因此 CNY70 發光二極體所發射的紅外線無法反射至光電晶體, 光電晶體幾近截止, 射極電壓為低態, 而電壓經 4584 取反相後, 輸出為高態,LED 亮再將輸出接至控制晶片由 8051 處理 21

31 4.3 晶片 CNY70 CNY70 紅外線感測器 : CNY70 是一個紅外線反射光感測器, 它只接受紅外線, 所以對於其它外界干擾的光線使用光濾波器來過濾掉, 並透過光電晶體偵測是否有反射回來的紅外線光, 以瞭解障礙物的存在 CNY70 內部結構 : 1. 紅外線發光二極體 : 類似發光二極體 (LED 燈 ) 的功能, 當 PN 兩端加上順向偏壓時可發出波長為 800nm 的紅外線不可見光 2. 光電晶體 : 為一個對紅外線波長具敏感反應的光偵測元件, 當光電晶體受紅外線光照射時為低阻抗, 而未受光時呈現高阻抗 3. 光濾波器 : 唯一僅讓波長為紅外線附近光譜通過的濾光透境, 可用來加強光電晶體的雜訊對抗能力, 降低紅外線光以外的干擾 4.4 感測器電路圖 VCC R ISO1 R ISO2 R ISO3 CNY70 R CNY70 R CNY70 R R34 500K 1 U3A 4584 D3 LED R35 500K 3 U3B 4584 D2 LED R36 500K 5 U3C 4584 D1 LED R10 1K 2 R12 1K 4 R13 1K 6 感測器電路圖 4.1 感測器整體電路圖 SensorR SensorC SensorL 22

32 圖 4.2 感測器電路圖 23

33 5.1 程式設計對策第五章電路 & 功能光感測器的放置位置與導引線間的關係是非常重要的, 若三個光感測器 L C R 的位置排列如圖所示, 則因兩個兩個間相距太大, 使得自走車行進間偏離導引線很大時才修正, 造成車子蛇行 ; 若排列如圖 (b), 則因兩個兩個間相距太小, 使得自走車時時修正, 造成車子抖行, 這也是不理想的 ; 適當的排列是有助於自走車順利行進的導引線導引線導引線光感測器放置位置圖 (a) 距離太寬 (b) 太窄 (c) 剛好 24

34 根據五個光感測器 LL L C R RR 在導引線上所偵測到的不同狀況, 以及相對應之左右輪馬達應有的反應, 我們可以將其寫出如下表所示的控制模式, 根據此表, 要寫出自走車的自動行走程式即變得非常容易表 5.1 自走車的導引控制模式對策感測器狀況 (LCR) 自走車狀況 LL L C R RR 皆未感測到線, 代表車子到達停止區 RR 感測到線, 代表車身極偏導引線的左邊 LL 感測到線, 代表車身極偏導引線的右邊 R 感測到線, 代表車身稍偏導引線的左邊 L 感測到線, 代表車身稍偏導引線的左邊 C 感測到線, 代表車子剛好在適當位置上對策處理情況左輪右輪停止停止停止右迴轉前進後退左迴轉後退前進向右修正前進停止向左修正停止前進前進前進前進 25

35 根據上表自走車的導引控制模式對策, 我們可以很輕鬆地將其轉成實體控制的控制信號, 如下表所示根據此表, 祗要在程式中先行讀入 MCS-51 P3.1~ P3.5 的 LL L C R RR 感測訊號, 然後利用 CJNE 的比較指令, 一個一個比較, 一個狀態一個狀態處理, 即可完成本實驗的自走車控制 5.2 程式流程圖開始輸入 P1 資料至 A 並且輸出至 P3 之 LED 顯示感應 =11111 No 感應 =00001 No 感應 =10000 No 感應 =00010 Yes Yes Yes Yes 停止右迴轉左迴轉右修正 26 No 感應 =01000 Yes 左修正

36 圖 5.1 程式流程圖 27

37 5.3 電路圖電源電路 2 D1 DC_IN 1 S1 SW-ONOFF VCC 圖 5.2 電源電路 RESET VCC VCC C1 Cap Pol1 10uF R7 RES400 10K S2 SW-PB RESET 圖 5.2 RESET 電路 28

38 紅外線感測 VCC 330 R3 VCC VCC 330 R4 VCC VCC 330 R5 VCC VCC 330 R2 VCC VCC 330 R1 VCC *1 7PIN_Connector VCC SENSOR1 CN70 SENSOR2 CN70 SENSOR3 CN70 SENSOR4 CN70 SENSOR5 CN70 圖 5.3 感測器電路

39 R2 R3 R4 R5 R6 1K 1K 1K 1K 1K R8 R9 R10 R11 R12 500K 500K 500K 500K 500K Left2 Left1 Center Right1 Right2 VCC * PIN_Connector 圖 5.4 7PIN_Connector 和感測器之間電路單晶片主電路 30

40 X1 XTAL 30pF C2 Cap30P 30pF C3 Cap30P VCC VCC VCC 40 VSS 20 EA/VP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RESET 9 P3.2(INT0) 12 P3.3(INT1) 13 P3.4(T0) 14 P3.5(T1) 15 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0(AD0) 39 P0.1(AD1) 38 P0.2(AD2) 37 P0.3(AD3) 36 P0.4(AD4) 35 P0.5(AD5) 34 P0.6(AD6) 33 P0.7(AD7) 32 P2.0(A8) 21 P2.1(A9) 22 P2.2(A10) 23 P2.3(A11) 24 P2.4(A12) 25 P2.5(A13) 26 P2.6(A14) 27 P2.7(A15) 28 P3.7(RD) 17 P3.6(WR) 16 PSEN 29 ALE/P 30 P3.1(TXD) 11 P3.0(RXD) 10 U1 89C51-DIP RESET DS2 DS3 DS4 Left Wheel Right Wheel DS1 LED0 Center Left2 Left1 Right1 Right2 DS5 DS RP1 RP9 VCC VCC 圖 5.5 單晶片主電路

4 實驗過程這次實驗我們是利用礦泉水瓶裝水量約 1600CC, 讓自走車依照設定黑色路線行走,

41 5.3.5 伺服馬達控制電路 Left Wheel 1 Servo1 Signal Right Wheel 1 Servo2 Signal VCC 2 VDD VCC 2 VDD 3 GND 3 GND S* S* 圖 5.6 伺服馬達控制電路 5.4 實驗過程這次實驗我們是利用礦泉水瓶裝水量約 1600CC, 讓自走車依照設定黑色路線行走, 過程中發現車子進路彎道靈敏度較為不足, 導致無法順暢行走, 我們利用可變電阻來提高感測元件的靈敏度來解決這個問題, 以下是我們實驗過程的圖照 : 圖 5.7 自走車正反面構造圖 32

42 圖 5.8 自走車感測器亮燈情形 33

43 圖 5.9 實際測試狀態圖結論 : 在完成這個專題後, 我們不難發現自走車它結合了電腦方面的軟體設計, 電子電機方面的電路佈線與焊接, 機械方面的車體製造及整合各方面的控制能力, 可以說是我們研究與應用最佳的題材, 因此當自己製造的成品出爐後, 心情自然十分喜悅當然在整個專題製作的過程中, 我們也遭遇到許多困難, 在程式設計部分, 自己所寫的程式往往不能符合預期的動作, 需一再修改 ; 34

44 在整合各種電路時一直出錯, 電路板是洗了又洗, 焊接焊到手抽筋, 真的是令人頭大, 還好我們最後還是能順利的解決問題, 並把專題如期完成了不過在這專題製作期間真的讓我們學習到不少東西, 加強了我們在電機電子機械控制及程式設計等軟硬體的認知與實作能力, 特別是對 8051 馬達和感測器方面的基本概念, 有了更深一層的認識這都是製作專題時, 所得到的寶貴收穫, 如何把自己所學到的東西應用在生活中, 才是作專題最終的目的參考文獻 : 1. 鍾自立張正賢編,8051 實作與燒錄器製作, 宏友書局, 李齊維游國幹編,8051 單晶片微電腦原理與實作, 儒林圖書, 蔡朝洋, 單晶片微電腦 8051/8751 原理與應用, 全華, 黃東正, 單晶片微電腦專題製作論壇, 儒林, 賴麒文,C 與 8051 單晶片韌體設計, 文魁,

45 6. 賴麒文,8051 單晶片之嵌入式系統, 文魁, 陳明熒, 單晶片 8051 實作入門, 文魁, 張義和, 電腦輔助電路設計快速入門, 全華, 張義和, 電腦輔助電路設計 - 全紀錄全華, 楊忠煌黃博俊李文昌編, 單晶片 8051 實務與應用, 全華書局,2000 附錄 : 程式 ; DEA EQU 3 ;Forward DEB EQU 25 ;Backward TS EQU 5 TEMP EQU 30H ; PUL REG P2.1 ;Rigth PUR REG P2.2 ;Left ;

46 START: CLR PUL ; 清除 P2.1 CLR PUR ; 清除 P2.2 LOOP: ; SCAN KEY ON... MOV A,P3 ; 輸入 P3 至 A RR A ;A 向右旋轉 1 位元 ANL A,# B ;A 與進行 AND 邏輯運算 MOV P1,A ; 輸出 A 至 P1 MOV TEMP,A ; 將 A 資料送至 TEMP CJNE A,# B,X0 ;A 不等於則跳至 X0 JMP LOOP ; 跳至 LOOP X0: ANL A,# B ;A 與進行 AND 邏輯運算 CJNE A,# B,X1 ;A 不等於則跳至 X1 CALL GO_RIGHT ; 呼叫 GO_RIGHT 副程式 JMP LOOP ; 跳至 LOOP X1: MOV A,TEMP ; 將 A 資料送至 TEMP ANL A,# B ;A 與進行 AND 邏輯運算 CJNE A,# B,X2 ;A 不等於則跳至 X2 CALL GO_LEFT ; 呼叫 GO_LEFT 副程式 JMP LOOP ; 跳至 LOOP X2: MOV A,TEMP ; 將 A 資料送至 TEMP ANL A,# B ;A 與進行 AND 邏輯運算 CJNE A,# B,X3 ;A 不等於則跳至 X3 CALL PU_FOR ; 呼叫 PU_FOR 副程式 JMP LOOP ; 跳至 LOOP X3: MOV A,TEMP ; 將 A 資料送至 TEMP ANL A,# B ;A 與進行 AND 邏輯運算 CJNE A,# B,X4 ;A 不等於則跳至 X4 CALL PUR_BACK ; 呼叫 PUR_BACK 副程式 JMP LOOP ; 跳至 LOOP X4: MOV A,TEMP ; 將 A 資料送至 TEMP ANL A,# B ;A 與進行 AND 邏輯運算 37

47 CJNE A,# B,X5 ;A 不等於則跳至 X5 CALL GO_FOR X5: JMP LOOP ; 跳至 LOOP ; ; DELAY R5*10 ms DELAY: MOV R6,#50 ;R6=50 D1: MOV R7,#100 ;R7=100 DJNZ R7,$ ;R7 遞減 DJNZ R6,D1 ;R6 遞減, 若是為 0 則跳至 D1 DJNZ R5,DELAY ;R5 遞減, 若是為 0 則跳至 DELAY RET ; 返回 ; PU_BACK: SETB PUL MOV R4,#DEA ;R4=DEA A1: CALL DEL ; 呼叫 DEL 副程式 DJNZ R4,A1 ;R4 遞減, 若是為 0 則跳至 A1 CLR PUL ; 清除 PUL MOV R4,#(200-DEA) ;R4=200-DEA A2: CALL DEL ; 呼叫 DEL 副程式 DJNZ R4,A2 ;R4 遞減, 若是為 0 則跳至 A2 RET ; 返回 ; PU_FOR: SETB PUL ; 設定 PUL MOV R4,#DEB ;R4=DEB B1: CALL DEL ; 呼叫 DEL 副程式 DJNZ R4,B1 ;R4 遞減, 若是為 0 則跳至 B1 CLR PUL ; 清除 PUL MOV R4,#(200-DEB) ;R4=200-DEB B2: CALL DEL ; 呼叫 DEL 副程式 DJNZ R4,B2 ;R4 遞減, 若是為 0 則跳至 B2 RET ; 返回 ; ; DELAY R5*0.1 ms 38

48 DEL: MOV R5,#1 ;R5=1 DELAY1: MOV R6,#2 ;R6=2 F1: MOV R7,#17 ;R7=17 DJNZ R7,$ ;R7 遞減 DJNZ R6,F1 ;R6 遞減, 若是為 0 則跳至 F1 DJNZ R5,DELAY1 ;R5 遞減, 若是為 0 則跳至 DELAY1 RET ; 返回 ; PUR_BACK: SETB PUR ; 設定 PUR MOV R4,#DEA ;R4=DEA G1: CALL DEL ; 呼叫 DEL 副程式 DJNZ R4,G1 ;R4 遞減, 若是為 0 則跳至 G1 CLR PUR ; 清除 PUR MOV R4,#(200-DEA) ;R4=200-DEA G2: CALL DEL ; 呼叫 DEL 副程式 DJNZ R4,G2 RET ; 返回 ; PUR_FOR: SETB PUR ; 設定 PUR MOV R4,#DEB ;R4=DEB H1: CALL DEL ; 呼叫 DEL 副程式 DJNZ R4,H1 ;R4 遞減, 若是為 0 則跳至 H1 CLR PUR ; 清除 PUR MOV R4,#(200-DEB) ;R4=200-DEB H2: CALL DEL ; 呼叫 DEL 副程式 DJNZ R4,H2 ;R4 遞減, 若是為 0 則跳至 H2 RET ; 返回 ; GO_FOR: MOV R3,#TS ;R3=TS J1: CALL PU_FOR ; 呼叫 PU_FOR 副程式 CALL PUR_BACK ; 呼叫 PUR_BACK 副程式 DJNZ R3,J1 ;R3 遞減, 若是為 0 則跳至 J1 RET ; 返回 39

49 ; GO_BACK: MOV R3,#TS ;R3=TS S1: CALL PU_BACK ; 呼叫 PU_BACK 副程式 CALL PUR_FOR ; 呼叫 PUR_FOR 副程式 DJNZ R3,S1 ;R3 遞減, 若是為 0 則跳至 S1 RET ; 返回 ; GO_LEFT: MOV R3,#TS ;R3=TS M1: CALL PU_BACK ; 呼叫 PU_BACK 副程式 CALL PUR_BACK ; 呼叫 PUR_BACK 副程式 DJNZ R3,M1 ;R3 遞減, 若是為 0 則跳至 M1 RET ; 返回 ; GO_RIGHT: MOV R3,#TS ;R3=TS Q1: CALL PU_FOR ; 呼叫 PU_FOR 副程式 CALL PUR_FOR ; 呼叫 PUR_FOR 副程式 DJNZ R3,Q1 ;R3 遞減, 若是為 0 則跳至 Q1 RET ; 返回 ; END ; 程式結束 40

DPJJX1.DOC

DPJJX1.DOC 8051 111 2K 1 2 3 ' ' 1 CPU RAM ROM / A/D D/A PC CPU 40 68 10 20 8 51 PIII 8051 2 MCS51 8051 8031 89C51 8051 8031 89C51? MCS51 INTEL INTEL 8031 8051 8751 8032 8052 8752 8051 8051 8051 MCS51 8031 8031