基于單片機的智能小車速度控制設(shè)計

題目：基于單片機的智能小車速度控制設(shè)計專業(yè)：機械電子工程學(xué)生：〔簽名〕指導(dǎo)教師：〔簽名〕摘要智能小車可應(yīng)用于無人駕駛車輛，生產(chǎn)線，倉庫，效勞機器人及航空航天等領(lǐng)域，它是一種可行走的智能機器人。智能小車可在惡劣環(huán)境中進行人們無法完成的探測任務(wù)。因此，為了使智能小車在最正確狀態(tài)工作，進一步研究及完善其速度的控制是非常有必要的。本文詳細(xì)介紹了智能小車速度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。系統(tǒng)主控制核心采用了STC89C528位單片機，該系統(tǒng)是在KeiluVision軟件平臺根底上設(shè)計完成的，采用了C語言編程。系統(tǒng)硬件包括電源模塊，測速模塊、顯示模塊及電機驅(qū)動模塊的設(shè)計。在電機驅(qū)動模塊中，為了提高智能小車調(diào)速的準(zhǔn)確度和敏捷度，本設(shè)計采用PWM技術(shù)和PI算法。在測速模塊中，為了提高小車測速的精確度，本設(shè)計選用了光電測速傳感器進行測速。最后，通過對小車進行實車調(diào)試運行，驗證了本設(shè)計的智能小車及其控制算法具有運行性能良好，可靠性高的特點，實現(xiàn)了自動調(diào)速功能，為后續(xù)的研究工作提供了一定的根底。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52；測速；PWM調(diào)速；PI算法Subject:Microcontroller-basedintelligentvehiclevelocitycontroldesignAbstractIntelligentvehicleisanintelligentwalkingrobot．Itcanbeappliedtounmannedvehicles，unmannedproductionlines，warehouses，servicerobots，aerospaceandotherfields．Intelligentvehiclecancompletetheexplorationmissionsintheenvironmentwhichpeoplecouldnotenterorsurvivein．Therefore，inordertolettheintelligentvehicleinthebestconditionthefurtherresearchandimproveitsvelocitycontrolisverynecessary．Thehardwarevelocitycontrolsystemdesignisintroducedindetail．STC89C52whichprogramwithCandcompilationlanguageworksonthecoreprocessorofthecontrolcircuit．ThesystemisdesignedbasedontheKeiluVsionsoftwareplatform．Thehardwaredesignofcontrolsystemincludepowermodule，velocitymeasurementmodule，displaymoduleanddrivingmodule．Indrivingmodule,PIalgorithmandawayofPWMusedtoimprovetheaccuracyandagilityofthevehicle’svelocitycontrol.Invelocitymeasurementmodule，photoelectricspeedsensorischosentoincreasetheaccuracyofthevelocitymeasurement．Finally,fromtheworkwhichhasbeendoneinthisproject，theconclusioncanbedrawthattheintelligentvehicleanditscontrolalgorithmnotonlyhasthevirtuesofhigh-performance，high-reliability,butalsohastheautotracing．Thispaperpresentedanexperimentalbaseforthefurtherresearch．KeyWords:Intelligentvehicle；STC89C52；velocimetry；PWMvelocitycontrol；PIalgorithm目錄1緒論11.1本設(shè)計研究的背景和意義11.2本設(shè)計的研究內(nèi)容12智能小車速度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計32.1智能小車的速度控制系統(tǒng)的選擇32.2速度控制算法32.3直流調(diào)速系統(tǒng)42.4單片機控制方案論證52.5單片機最小系統(tǒng)設(shè)計72.6電源模塊設(shè)計82.6.1智能車電源設(shè)計要點92.6.1三端中電流正固定電壓穩(wěn)壓芯片78M05簡介92.7測速模塊設(shè)計102.7.1測速模塊方案論證102.7.2MC-2單路測速模塊簡介112.8顯示模塊設(shè)計132.8.1LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)與編碼方式132.8.2LED數(shù)碼顯示器的顯示電路152.9電機驅(qū)動模塊設(shè)計162.9.1電機工作原理162.9.2L298n介紹172.9.3電機轉(zhuǎn)速的控制182.10本章小結(jié)193智能小車速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計203.1速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計概論203.2速度控制系統(tǒng)軟件模塊分析203.3電機驅(qū)動程序設(shè)計213.4測速及顯示程序設(shè)計213.5PI調(diào)速程序設(shè)計223.6本章小結(jié)244實驗分析255結(jié)論26致謝27參考文獻28附錄291緒論1.1本設(shè)計研究的背景和意義20世紀(jì)50年代初美國BarrettElectronics公司開發(fā)出了世界上第一臺自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)〔AutomatedGuidedVehicleSystem，AGVS〕，從此開始了智能車輛的研究。1974年，瑞典的VolvoKalmar轎車裝配工廠與Schiinder-Digitron公司合作，研發(fā)出了一種可裝載轎車車體的AGVS，并用多臺該種AGVS獲得了顯著的經(jīng)濟效益，于是許多西歐國家紛紛效仿Volvo公司，并逐漸使AGVS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運輸方式[1]。智能小車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的機電綜合系統(tǒng)，它集中運用了傳感、信息、通信、計算機、導(dǎo)航、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。智能小車的研究對于汽車自動駕駛、救災(zāi)、外太空探測等都有重大意義。本設(shè)計通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計實現(xiàn)智能小車速度控制系統(tǒng)的能力，主要表達智能小車能夠?qū)崟r測量、顯示行駛速度，并進行調(diào)速。技術(shù)上采用對射式光電傳感器設(shè)計速度檢測模塊，同時，采用PWM技術(shù)和PI算法控制電機轉(zhuǎn)速。在此過程中加深對單片機知識和控制理論的理解和認(rèn)識。如今，汽車方面的研究越來越受到人們的關(guān)注。全國電子大賽及省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車方面的題目，全國各高校也都非常重視該題目的研究，可見其研究意義之大。1.2本設(shè)計的研究內(nèi)容本設(shè)計是設(shè)計基于STC89C52單片機由直流電機驅(qū)動的智能小車，包括直流電機驅(qū)動硬件電路，最小單片機應(yīng)用系統(tǒng)等，分析速度控制原理，編寫控制程序。本設(shè)計選擇通用、價廉的STC89C52單片機為控制平臺，選擇常見的電機模型車為機械平臺，通過細(xì)化設(shè)計要求，結(jié)合傳感器技術(shù)和電機控制技術(shù)相關(guān)知識實現(xiàn)小車行駛速度的測量、顯示及調(diào)速，到達智能控制，完成設(shè)計目標(biāo)。本設(shè)計以2個直流電機為主驅(qū)動，通過測速傳感器來采集速度信息，送入主控單元STC89C52單片機處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動作，以到達自身控制。電機驅(qū)動采用L298n，可以驅(qū)動2個直流電機或一個步進電機，測速由對射式光電測速傳感器完成。根據(jù)設(shè)計的作品要到達的效果，本系統(tǒng)以STC89C52為核心控制器，主要由電源模塊、電機驅(qū)動模塊、測速模塊、LED顯示模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2智能小車速度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1智能小車的速度控制系統(tǒng)的選擇本設(shè)計選用7.2V電池組作為智能電動小車的電源，以STC89C52單片機為控制核心，實現(xiàn)小車的測速、顯示及調(diào)速，到達智能控制。為提高系統(tǒng)的靜態(tài)性能，智能小車采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，速度控制算法采用PI算法。速度控制系統(tǒng)是智能汽車的速度控制的核心環(huán)節(jié)。在確保智能小車穩(wěn)定運行的前提下，電路應(yīng)盡量簡潔，通過減少系統(tǒng)負(fù)載提高車體的靈活性。同時要以車體簡潔功能良好為目的、以運行可靠為前提，實現(xiàn)智能小車的平穩(wěn)運行。速度控制系統(tǒng)作為一個自動控制系統(tǒng)，能夠自動檢測智能小車的行駛速度，并發(fā)出相應(yīng)的指令，控制智能車的行駛速度，整個系統(tǒng)包括傳感器檢測、信息處理、控制算法和執(zhí)行機構(gòu)四個局部組成。硬件設(shè)計局部傳感器、單片機、LED顯示器、執(zhí)行機構(gòu)以及驅(qū)動電路，軟件設(shè)計局部為信息分析處理與控制算法。2.2速度控制算法由于小車在行駛過程中會產(chǎn)生較大的慣性和時延，從控制信號輸出到電機響應(yīng)有一段時間的延遲，同時小車運行本身的慣性也使得它難以按照預(yù)先設(shè)定好的理想狀況運行，這種影響在小車彎道行駛時顯得尤為明顯。在彎道行駛時，假設(shè)速度過，小車快會沖出賽道，導(dǎo)致無法再次循跡，影響運行效果；速度過慢那么小車停在彎道處；而在直線上時，又需要較快的速度來快速完成行駛過程，并將速度穩(wěn)定在平安的行駛速度范圍之內(nèi)，防止速度過快而影響小車的性能。因此，智能小車的速度控制在行駛過程中非常重要，為了使智能小車能實現(xiàn)直線快速行駛、彎道減速慢行，需要對智能小車的電機進行處理[2]。在速度控制中，如何獲取小車當(dāng)前車速，以及如何對小車的速度進行控制是兩個關(guān)鍵問題，小車的速度可由測速傳感器獲得。本系統(tǒng)是個閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了獲得穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的速度控制系統(tǒng)，本設(shè)計采用PI速度控制算法。PID調(diào)節(jié)的作用：1.比例控制：反響系統(tǒng)的根本〔當(dāng)前〕偏差，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。2.積分控制：反響系統(tǒng)的累計偏差，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，只要有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無誤差。3.微分控制：反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化趨勢，產(chǎn)生超前控制作用，在偏差還沒有形成之前，就已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，其缺乏之處是放大了噪聲信號[3]。由于在本設(shè)計中，僅使用PI調(diào)節(jié)便足以到達理想的精度和超調(diào)量，所以無須再加上微分項。PI參數(shù)的整定：本設(shè)計采用較常用的工程整定法中的臨界比例法對PI參數(shù)進行調(diào)整。用此法進行PI參數(shù)整定的步驟如下：(1)先預(yù)選一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅參加比例控制環(huán)節(jié)，直至系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)做出臨界振蕩，并記下此刻的臨界振蕩周期和比例放大系數(shù)；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PI參數(shù)。一個小電機閉環(huán)控制，一般P在〔1，10〕之間，I在〔0，5〕之間，D在〔0.1，1〕之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進行修正。2.3直流調(diào)速系統(tǒng)目前常見的調(diào)速方案有三種：1.串電阻調(diào)速系統(tǒng)；2.靜止可控整流器，即V-M系統(tǒng)；3.脈寬調(diào)速系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)通過交流發(fā)電機拖動直流電機來實現(xiàn)，發(fā)電機將電供應(yīng)直流電機，通過調(diào)節(jié)勵磁電流改變輸出電壓，從而到達調(diào)速的目的。電機輸出電壓的極性與電機的轉(zhuǎn)向都可以通過改變勵磁電流的方向來改變，所以G-M系統(tǒng)很容易實現(xiàn)可逆運行。但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組、旋轉(zhuǎn)電機、勵磁發(fā)電機等，所需設(shè)備多、體積大、效率低等諸多缺點，且技術(shù)落后，因此不采用該方案。V-M系統(tǒng)是目前最主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，有單相、三相等，有半波、全波、全控等類型。優(yōu)點是調(diào)速平滑，缺乏之處是晶閘管只能單向?qū)щ姡瑹o法實現(xiàn)電流反向，可逆運行困難，另一個缺點是運行條件高，維護麻煩。在低速運行狀態(tài)下，功率因數(shù)很低，易危及附近的用電設(shè)備。采用晶閘管的直流斬波器根本原理與整流電路的區(qū)別在于晶閘管不受相位控制，而是在于它工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加在電機上，晶閘管在截止?fàn)顟B(tài)下，直流電源與電機斷開，電機經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制〔PulseWidthModulation〕，簡稱PWM。通過改變晶閘管的導(dǎo)通時間長短，來改變脈沖寬度到達直流電機調(diào)速的目的[4]。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速優(yōu)點諸多：1.電力電子元件只有開關(guān)狀態(tài)，電路損耗小，效率高；2.開關(guān)頻率較高，當(dāng)與快速響應(yīng)的電機一同配合工作時，可以獲得很寬的頻帶，響應(yīng)速度快，且抗干擾能力強；3.PWM開關(guān)變化頻率快，通過濾波作用就能獲得很小的直流電流，系統(tǒng)低速運行時較平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，在等電流下，損耗及發(fā)熱較小。根據(jù)以上比擬，本設(shè)計采用了PWM進行調(diào)速。脈寬調(diào)速控制也可通過單片機控制繼電器的開閉來實現(xiàn)，但是驅(qū)動能力不高。本設(shè)計采用了可逆PWM變換器，可以順利實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。在本設(shè)計中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。2.4單片機控制方案論證單片機系統(tǒng)的硬件設(shè)計一般分兩局部，一是系統(tǒng)擴展，二是系統(tǒng)配置。系統(tǒng)擴展，就是單片機內(nèi)部的功能如I/O口﹑RAM、ROM﹑中斷系統(tǒng)等不能夠滿足設(shè)計要求時，在單片機片外選擇適宜的芯片，設(shè)計相應(yīng)的電路來滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)配置指的是按照功能設(shè)計配置外圍設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)及LED顯示等，設(shè)計出適宜的接口電路。在常用的單片機中，一般有以下三種方案：方案一：AVR單片機Atmega128L。Atmega128L單片機具有低功耗、高性能的優(yōu)點，并擁有8位微處理器，64個引腳?？偣舶?33條指令，大局部都可以在一個周期內(nèi)完成。片內(nèi)自帶有模擬比擬器，可以上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測功能。片內(nèi)資源豐富，具有8個外部中斷，53個I/O端口，4個定時計數(shù)器，能夠很好地解決端口資源缺乏的困難。大多數(shù)引腳具備第二功能，功能強大。方案二：現(xiàn)場可編輯門列陣〔FPGA〕方案。現(xiàn)場可編輯門列陣可實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯運算。具有體積小、集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，并且可利用軟件進行仿真調(diào)試。該芯片是并行工作方式，系統(tǒng)處理速度高，被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的系統(tǒng)。方案三：STC89C52單片機方案。STC89C52是低功耗、高性能的8位微控制器，內(nèi)含8K可編程控制器，與80C51指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，也適用于常規(guī)編程器。AT89S52有5個中斷源，和3個定時計數(shù)器。方案比擬：綜合比擬以上方案，F(xiàn)PGA價格較貴，且用不到高速處理功能，造成資源浪費，而Atmega128L編程麻煩，所以本設(shè)計選擇STC89C52單片機方案[5]。STC89C52是ST公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改良使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單片機芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：32位的I/O口線，512Byte的RAM，8KByte的Flash，具有看門狗定時器，內(nèi)置了4KB的E2PROM，3個16位的定時/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，MAX810復(fù)位電路，帶全雙工串行口。另外STC89C52可降到0Hz靜態(tài)邏輯來操作，可選擇節(jié)電模式，支持匯編語言及C語言進行編程?？臻e模式下，CPU停止運行，允許定時/計數(shù)器、中斷、RAM及串口繼續(xù)工作。在掉電保護方式下，RAM內(nèi)的內(nèi)容可被保存，振蕩器會被凍結(jié)，單片機工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率為35MHz，6T/12T可選[6]。STC89C52RC根本結(jié)構(gòu)圖如2.1所示。圖2.1STC89C52RC根本結(jié)構(gòu)圖STC89C52的引腳排布如圖2.2所示。圖2.2STC89C52引腳圖2.5單片機最小系統(tǒng)設(shè)計作為智能小車的控制核心，單片機最小系統(tǒng)的合理設(shè)計是小車平穩(wěn)運行的前提。最小系統(tǒng)設(shè)計，就是要保證單片機的硬件設(shè)計最精簡，即在單片機外部盡可能少的增加元件電路，組成一個可讓單片機獨立工作的系統(tǒng)。在設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：1.考慮調(diào)試過程中的擴展需要，正常情況下需要將所有的I/O口引出，同時為了防止其他大電流器件對單片機的運行造成影響，還要設(shè)計單獨的供電系統(tǒng)。2.合力集成相應(yīng)的外圍模塊，如LED燈，蜂鳴器，因為傳感器需要很好的靈敏度，不能夠?qū)崟r看出是否工作正常，所以LED燈能夠較好地保證這一點。3.最好將程序下載端口集成在最小系統(tǒng)上，雖然可將芯片在開發(fā)板上下載軟件使用，但在系統(tǒng)的調(diào)整和測試過程中，需要不斷地修改程序，把芯片換到另一塊板子上，不僅麻煩，且易折斷引腳。單片機最小系統(tǒng)的電路圖如圖2.3所示：圖2.3單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)由以下幾個局部組成：1.晶振電路單片機在工作時必須有一個外部的時鐘源，這個時鐘源由外部晶振產(chǎn)生，具體電路為圖中的Y1、C2、C3，在最小化系統(tǒng)設(shè)計時晶振和電容要靠近18腳和19腳放置，放置過遠會引起晶振不能起振，或工作不穩(wěn)定。典型值為C2、C330pF，Y112M。2.復(fù)位電路復(fù)位電路包括上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式，單片機多為高電平復(fù)位，即RST〔9〕腳上給持續(xù)兩個機器周期以上的高電平，單片機就能復(fù)位，因此可以利用電容充電的一段時間將復(fù)位引腳拉至高電平，使得單片機完成復(fù)位動作。電容在充電完成后將復(fù)位引腳拉至低電平，從而保證了單片機的正常工作。3.RS232下載端口考慮到智能車在實際運行時要屢次修改程序參數(shù)，故要設(shè)計下載端口，能夠方便的更新程序，51單片機中常用的下載端口為RS232下載端口。2.6電源模塊設(shè)計智能車電源設(shè)計要點智能小車要穩(wěn)定工作，必須要有一個電壓正常且穩(wěn)定的電源設(shè)計。本設(shè)計的全部硬件電路的電源由7.2V、1.3A/h的可充電鎳氫蓄電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個穩(wěn)定電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的電壓,電路中選用了78M05芯片，將電機與其他的電路進行分開供電。電源結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示：圖2.4電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖三端中電流正固定電壓穩(wěn)壓芯片78M05簡介78M05三端中電流正固定電壓穩(wěn)壓器輸出電壓為5V，最大輸出電流為500mA，輸入偏置電流為3.2mA(典型值)，最大輸入電壓為35V，具有過流過熱關(guān)斷保護功能，工作溫度為-40℃~12578M05封裝和實物圖如圖2.5所示：圖2.578M05封裝和實物圖78M05電路設(shè)計圖如圖2.6所示：圖2.678M05電路圖在此電路中，采用兩路供電，一路單獨為單片機、指示燈、光電測速傳感器等供電，另一路為電機驅(qū)動L298n、光電管等供電，L298n的驅(qū)動電壓不經(jīng)任何處理直接由電池供電，根據(jù)本設(shè)計的需要，電池電壓能很好地滿足行進速度要求。2.7測速模塊設(shè)計為了使智能小車能夠沿著賽道平穩(wěn)運行，需要控制電機轉(zhuǎn)速，使小車在急轉(zhuǎn)時不至于速度過快而沖出黑線。通過控制驅(qū)動電機上的平均電壓可以控制電機轉(zhuǎn)速，但如果是開環(huán)控制，會受諸多因素影響，如電源電壓、齒輪傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會造成小車行駛不穩(wěn)定，通過速度檢測，對車速進行閉環(huán)反響控制，即可消除上述各因素的影響，使得小車運行更穩(wěn)定[7]。測速模塊方案論證在理想狀況下〔車輪不打滑〕，車速與驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速成正比。車速的檢測通常通過電機轉(zhuǎn)速的檢測來實現(xiàn)。電機轉(zhuǎn)速的檢測方法有以下幾種常用方法：1.測速發(fā)電機采用同軸直接連接或齒輪傳動等方式，測速發(fā)電機與電機相連，它的輸出電壓與電機轉(zhuǎn)速成正比。2.轉(zhuǎn)角編碼盤分增量位置輸出和絕對位置輸出兩種。通?？捎迷隽渴骄幋a盤，它輸出的脈沖個數(shù)與電機轉(zhuǎn)角成正比，從而使它的輸出脈沖頻率與電機轉(zhuǎn)速成正比。它可通過測量單位周期內(nèi)脈沖的個數(shù)或脈沖周期獲得脈沖頻率。3.反射式光電檢測在小車后輪齒輪的傳動盤上裝上黑白相間的光電碼盤，通過固定在附近的反射式紅外傳感器讀取光電碼盤轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)。4.對射式光電檢測對射式光電檢測可以大大提高測量精度，原理與反射式光電檢測一樣，它的優(yōu)勢在于機械結(jié)構(gòu)比擬穩(wěn)定。5.霍爾傳感器檢測在電機長尾軸軸上粘貼1個或2個小型永磁體，在附近固定1個霍爾傳感器，霍爾元件有3個引腳，其中2個是電源和接地，第3個是輸出信號，只要通過1個上拉電阻接上5V電壓，就可以形成開關(guān)脈沖信號，電機每轉(zhuǎn)1周，就可形成1或2個脈沖信號[8]。方法比擬：采用轉(zhuǎn)角編碼盤測速最精準(zhǔn)，使用也方便，但本錢高；采用霍爾傳感器測速比擬可靠，抗干擾能力強，但是安裝起來比擬麻煩；采用反射式光電傳感器或?qū)ι涫焦怆妭鞲衅鞅葦M簡單，只需在電機的長尾軸上套上一個碼盤，用MC-2單路測速模塊檢測。既可滿足小車的精度要求，且本錢低，最后從機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上考慮最后決定用第四種方法—對射式光電傳感器檢測車速。MC-2單路測速模塊簡介MC-2單路測速模塊是用一個小型的對射式紅外發(fā)射接收對管和一個碼盤來實現(xiàn)的。碼盤會隨電機轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，測速裝置會隨之產(chǎn)生一系列脈沖信號并將些上下電平經(jīng)反相器離散后送至單片機的ECT接口，通過單片機來捕捉這些電平的上升和下降沿，計算一定時間內(nèi)的脈沖個數(shù)即可得到電機轉(zhuǎn)速[9]。在電機長尾軸處上固定一個對射式紅外傳感器，在電機尾部長軸上套上了雙葉碼盤，使其處于對射式傳感器溝槽之間，電機轉(zhuǎn)動時，碼盤隨電機軸轉(zhuǎn)動，通過固定在附近的對射式紅外發(fā)射接收對管讀取碼盤轉(zhuǎn)動的脈沖。安裝形式如圖2.7所示。圖2.7MC-2單路測速模塊安裝形式MC-2單路測速模塊外形圖：圖2.8單路測速模塊外形圖MC-2單路測速模塊原理圖：圖2.9MC-2單路測速模塊原理圖被測轉(zhuǎn)速經(jīng)過傳感器變換后變?yōu)殡妷旱淖兓?。為了進行信號的分析、處理、顯示和記錄，須對信號作放大、運算、分析等處理，這就引入了中間變化電路。根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計了如圖4所示的中間變換電路。其中，R1、R4起限流作用，R2起分流作用，R3為輸出電阻。當(dāng)葉片未擋住通光孔時，輸出低電平；當(dāng)通光孔被遮住時，輸出高電平。中間變化電路如圖2.10所示。圖2.10中間變化電路MC-2單路測速模塊是專為測速而開發(fā)的。配合長尾軸電機，其測速的采樣率是非常高的。電機轉(zhuǎn)速在10000轉(zhuǎn)左右，測速模塊可以每秒測量到約166個脈沖，模塊所配套的遮光片是一個長條形的，所以每轉(zhuǎn)可測得2個脈沖，該模塊可以在每秒測到166*2=332個脈沖，大大提高了系統(tǒng)的測試速率，從而為PI速度控制系統(tǒng)提供一個高速率的檢測系統(tǒng)。2.8顯示模塊設(shè)計LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)與編碼方式顯示單元是智能終端裝置和計算機控制的重要組成局部，用來顯示中間和最終的計算結(jié)果，本設(shè)計選用常見7段共陽極LED顯示器，用于顯示智能小車電機的轉(zhuǎn)速。LED顯示器簡單易用，其內(nèi)部為一發(fā)光二極管，在發(fā)光二極管正極加上正向電壓，負(fù)極通過限流電阻接地，那么發(fā)光二級管發(fā)光。本設(shè)計選用的7段LED數(shù)碼管顯示器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.11所示，當(dāng)陰極段加載低電平時，對應(yīng)段的發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而加載高電平時那么不導(dǎo)通點亮。圖2.117段數(shù)碼顯示器外形及結(jié)構(gòu)圖采用7段LED顯示器可以顯示數(shù)字0～9和字母A～F，其顯示字符與對應(yīng)段的點亮是有規(guī)律的。7段LED顯示器包含7段發(fā)光二極管和小數(shù)位發(fā)光二極管，共8位，正好用一個字節(jié)來表示，通常將控制二極管點亮的8位二進制數(shù)稱為段數(shù)碼。本設(shè)計選用的7段碼表的局部顯示代碼如表2.1所示。表2.17段LED數(shù)碼管字型顯示代碼表顯示數(shù)字共陽極afbgcdpde十六進制顯示代碼00001010014H111010111d7H2010011004cH30100010145H41000011187H50010010125H60010010024H70101011157H80000010004H90000010105HE001011002cH本設(shè)計選用的7段LED顯示器是通過軟件實現(xiàn)譯碼過程的。設(shè)計中由系統(tǒng)程序完成BCD7段碼的轉(zhuǎn)換，直接送出即為顯示碼，不需要外接7段譯碼器。以下是軟件完成譯碼的步驟。1.從待顯示數(shù)字中別離出顯示的每一位數(shù)字：方法是將顯示數(shù)據(jù)除以10進制的權(quán)，比方要顯示123，那么先將123除以100，得到商是1，然后除以10得到商是2，最后是個位上的數(shù)3，這樣就完成了對顯示數(shù)的別離。2.將別離出的顯示數(shù)字轉(zhuǎn)換為顯示字段碼：一般采用查表的方法進行，將表2.1按順序存放在ROM表中，通過編寫查表指令即可完成查表工作。LED數(shù)碼顯示器的顯示電路本設(shè)計的LED顯示器采用動態(tài)刷新，LED顯示器的動態(tài)顯示原理是將各顯示位段選線的同名端并聯(lián)到一起，并由1個8位的I/O口控制，對多段選線多位復(fù)用，而各顯示位的共陽極端那么分別由相應(yīng)的I/O口線控制，實現(xiàn)各位的分時通選。由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，當(dāng)每位的顯示間隔夠短時，會造成多位同時點亮的假象。所以需要單片機不斷進行顯示刷新，犧牲CPU的時間換取元件的減少及顯示功耗的降低[10]。本設(shè)計選用的LED顯示器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2.12所示：圖2.12LED動態(tài)顯示電路結(jié)構(gòu)圖2.9電機驅(qū)動模塊設(shè)計電機驅(qū)動模塊的設(shè)計主要是為了彌補單片機自身驅(qū)動能力缺乏的缺陷，此電路中電機驅(qū)動模塊主要是到達驅(qū)動后面兩個直流減速電機的目的，實現(xiàn)電機的速度及正反轉(zhuǎn)的控制。作為系統(tǒng)的動作執(zhí)行結(jié)構(gòu)，電機的驅(qū)動和控制，直接影響著系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。電機工作原理單片機的驅(qū)動能力缺乏，無法驅(qū)動像電機這樣的大功率外部器件，因此必須外加驅(qū)動電路。電機常用的驅(qū)動芯片很多，本設(shè)計選用驅(qū)動效率高，硬件設(shè)計簡單的L298n作為直流電機的驅(qū)動芯片，L298n采用了H橋電路，H橋驅(qū)動電路是較為常見的一種電路，L298n驅(qū)動直流電機的控制電路如圖2.13所示。它的形狀酷似字母H，因而得名“H橋驅(qū)動電路〞。如圖2.13所示，H橋電機驅(qū)動電路包括1個電機和4個三極管。必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管才可使電機運轉(zhuǎn)。根據(jù)三極管對的不同導(dǎo)通狀況，電流可能會至左向右或至右向左流過電機，控制電機轉(zhuǎn)向。H橋電路可以很方便地實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。其中4個與門與一個“使能〞導(dǎo)通信號相連接，從而用一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證確保任何時候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管導(dǎo)通。圖2.13H橋驅(qū)動電路原理圖如圖2.14所示，只要對角線上的一對三極管導(dǎo)通，電機便會運轉(zhuǎn)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流會從電源正極經(jīng)Q1至左向右流過電機，再經(jīng)Q4流回電源負(fù)極。如圖中電流箭頭所示，該流向的電流會驅(qū)動電機順轉(zhuǎn)。圖2.15所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通時的情況，電流至右向左流經(jīng)電機，驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)[11]。圖2.14H橋驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)圖圖2.15H橋驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)2.9.2L298n介紹L298n是ST公司生產(chǎn)的一種大電流、高電壓的電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。其主要特點：輸出電流大；工作電壓高；內(nèi)含兩個H橋高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可驅(qū)動直流電動機或步進電動機；采用TTL標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；有兩個使能端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止電機工作；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路局部在低電壓下工作；可外接檢測電阻，將變化量反響給控制電路[12]。L298n的參考電路圖如圖2.16所示。圖2.16對于以上電路圖有以下幾點說明：1.電路圖中有兩個電源，一路為L298n工作需要的5V電源VCC，一路為驅(qū)動電機用的電池電源VSS。2.1腳和15腳有的電路在中間串接大功率電阻，可以不加。3.圖中連接了兩路電機，P2和P5是一一對應(yīng)關(guān)系，如果只驅(qū)動一路電機可以連接對應(yīng)的12或者34腳。4.八個續(xù)流二極管是為了消除電機轉(zhuǎn)動時的尖峰電壓保護電機而設(shè)計，簡化電路時可以不加。5.腳1和11腳為兩路電機通道的使能開關(guān)，高電平使能，所以可以直接接高電平，也可以交由單片機控制。6.由于工作時L298n的功耗較大，可以適當(dāng)加裝散熱片。L298n封裝圖如圖2.17所示：圖2.17電機轉(zhuǎn)速的控制PWM〔晶體管脈寬調(diào)制〕控制，一般是配合H橋驅(qū)動電路來實現(xiàn)直流電機的調(diào)速功能，這種調(diào)速方法簡單、調(diào)速范圍廣，它是利用了直流斬波原理。直流電機的轉(zhuǎn)速與附加在電機上的端電壓成正比，電壓低，轉(zhuǎn)速慢；電壓高，轉(zhuǎn)速快。而電機兩端的端電壓又與單片機輸出的控制波形的占空比成正比，所以，直流電機的轉(zhuǎn)速與占空比成正比例。占空比越小，電機轉(zhuǎn)速越慢，當(dāng)占空比到達最大值1時，電機轉(zhuǎn)速到達最大。PWM控制波形是通過模擬電路或者是數(shù)字電路產(chǎn)生實現(xiàn)的，但是這種電路的占空比不能自動調(diào)節(jié)，小車自身無法調(diào)節(jié)車速。目前普遍使用的大局部單片機都能夠直接輸出PWM波形，所以本設(shè)計就采用單片機給L298n驅(qū)動芯片輸出PWM信號。在小車實際行駛過程中，考慮到直行、轉(zhuǎn)彎等情況的發(fā)生，占空比不需要設(shè)置太高，但為了盡量減少規(guī)定路程所用的行駛時間，在直行時要快速行駛，轉(zhuǎn)彎時減速行駛，這些情況分別需要不同的占空比，這些需要根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。為了快速調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，并且使電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定的速度值附近，本設(shè)計采用了PI算法，具體分析將在程序設(shè)計章節(jié)中闡述。2.10本章小結(jié)在本章中，探討了智能小車速度控制系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計及直流調(diào)速系統(tǒng)的選擇，選定STC89C52單片機作為控制核心，確定了各模塊的功能，以脈寬調(diào)速系統(tǒng)作為直流電機的調(diào)速方案，并以PI算法作為智能小車的速度控制算法。設(shè)計了單片機控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊、光電測速模塊、電源模塊等。3智能小車速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計概論完成硬件電路的設(shè)計后，開始系統(tǒng)軟件的設(shè)計。先來分析一下該軟件的系統(tǒng)要求，然后開始軟件的總體設(shè)計，包括程序的總體設(shè)計和程序的模塊化設(shè)計。將整體功劃分成多個不同的模塊，然后單獨設(shè)計，編程，調(diào)試后將各模塊裝配聯(lián)調(diào)，形成一個完整的軟件。在單片機控制系統(tǒng)中，大體可分為數(shù)據(jù)處理和過程控制兩個根本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾涉及標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算后再輸出，以便控制生產(chǎn)。本系統(tǒng)軟件由主程序﹑定時子程序、中斷子程序﹑測速子程序﹑調(diào)速子程序﹑算法子程序構(gòu)成。C語言和匯編語言相比具有以下幾個顯著的優(yōu)點：1.C語言是一種結(jié)構(gòu)化的編程語言，可以減輕編程者的負(fù)擔(dān)，讓編程者把更多的精力放在功能的實現(xiàn)上；2.代碼的可讀性好、容易理解、結(jié)構(gòu)清晰、易于維護；3.可移植性好，因為C語言不依賴于任何一種硬件系統(tǒng)。鑒于上述幾點，本系統(tǒng)的軟件局部全部采用C語言來編寫，并且使用KeiluVsion產(chǎn)生高效、緊湊的代碼，執(zhí)行效率絲毫不遜于使用匯編語言編寫的程序。3.2速度控制系統(tǒng)軟件模塊分析智能小車的速度控制系統(tǒng)通過光電測速傳感器獲得電機的實際轉(zhuǎn)速。通過STC89C52來輸出相應(yīng)指令給H橋驅(qū)動芯片來控制左右兩電機的加減速來實現(xiàn)電機的調(diào)速，使小車保持一個相對穩(wěn)定的速度行駛，小車的速度通過PWM來進行控制，通過PI算法來實現(xiàn)小車的調(diào)速。軟件處理流程圖如圖3.1所示。軟件的設(shè)計中，程序的主流程是：先完成單片機各模塊的初始化之后，通過無限循環(huán)語句不斷的重復(fù)執(zhí)行驅(qū)動電機輸出程序、數(shù)據(jù)處理程序、測速程序、顯示程序及控制算法程序。圖3.1軟件處理流程圖3.3電機驅(qū)動程序設(shè)計PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，它的原理時利用晶體管的開關(guān)工作特性，調(diào)制恒壓的直流源，按某個固定頻率來接通與斷開放大器，并根據(jù)外加控制信號來改變一個周期內(nèi)通斷時間的長短，使加在電機電樞上電壓的“占空比〞改變，從而改變電樞兩端的平均電壓大小，到達控制電動機轉(zhuǎn)速的目的[13]。在本設(shè)計中，外加控制信號由單片機內(nèi)的程序來控制發(fā)出，設(shè)定一個周期為20ms。3.4測速及顯示程序設(shè)計定時器/計數(shù)器T0用于定時，定時器/計數(shù)器T1用于計數(shù)，定時器T0每20ms中斷一次，計數(shù)器T1計一次數(shù)，當(dāng)計數(shù)器T1計滿25次〔即0.5秒〕后計算一次轉(zhuǎn)速，并將計數(shù)器T1清零開始重新計數(shù)，碼盤上有2個齒，所以0.5秒內(nèi)接收到的脈沖數(shù)乘以2除以碼盤齒數(shù)即為電機的轉(zhuǎn)速，單位為R/S。單片機將算得的轉(zhuǎn)速除以10進制的權(quán)，將各位上的數(shù)別離，然后通過查表的方法將別離出的顯示數(shù)字轉(zhuǎn)換為顯示字段碼，使LED顯示器顯示對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。程序流程圖如圖3.2所示：圖3.2測速及顯示程序流程圖3.5PI調(diào)速程序設(shè)計PID控制在經(jīng)典控制理論中技術(shù)成熟，該計數(shù)成熟可靠。相比于兩位式控制，控制精度大大提高。如今，隨著計算機特別是微機控制技術(shù)的開展，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID控制可以得到修正而且更加完善，用計算機算法代模擬式PID調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)數(shù)字PID控制，使其控制作用更靈活、更易于改良和完善。模擬PID控制如圖3.3所示：圖3.3模擬PID控制系統(tǒng)框圖因為本設(shè)計中采用的是單片機，只能處理數(shù)字信號不能處理模擬信號，所以要把模擬PID控制轉(zhuǎn)換成數(shù)字PID，這就需要把模擬PID的參數(shù)離散化，如表3.1所示：表3.1模擬控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(de(t)e0i=0數(shù)字PID控制:數(shù)字PID算法有兩種常用的根本類型：位置型、增量型。增量式PID算法與位置式PID算法相比擬：〔1〕增量型算法無需做累加，計算誤差后產(chǎn)生的計算精度問題，對控制量的計算影響較小。位置型算法用到過去誤差的累加，易產(chǎn)生較大的累加誤差?！?〕增量型算法得出的是控制的增量，誤動作影響小，必要時可通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，對系統(tǒng)的工作無影響。位置型算法的輸出是控制量的全部輸出，誤動作影響大。綜上比擬，本設(shè)計采用增量型PID控制。增量式PID控制原理：Δu簡化后的增量式PID控制原理：Δ式中a0=Kp(1+增量型PID算法的程序流程圖如圖3.4所示：圖3.4增量型PID算法的程序流程3.6本章小結(jié)在軟件方面通過對結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，根本上實現(xiàn)了多任務(wù)并發(fā)運行，并且通過軟件的分層結(jié)構(gòu)將功能實現(xiàn)和具體的硬件別離開，這將給后續(xù)的各模塊軟件的設(shè)計帶來方便。4實驗分析說明：1.實驗用的是5V的直流電機，驅(qū)動電路用的是L298n，測速傳感器用的是U型光電測速傳感器。2.實驗測得，當(dāng)PWM=5V〔占空比=100%〕時，測得電機轉(zhuǎn)速(最大值)為264R/S〔轉(zhuǎn)每秒〕。實驗數(shù)據(jù)表如圖4.1所示(測量條件：7.5V電源，LED速度顯示，L298的VSS=5V，PWM周期為20ms)：表4.1實驗數(shù)據(jù)表設(shè)定值(R/S)實測值(R/S)PWM占空比(%)4442~4610.55554~5612.07472~7613.58076~8415.0102100~10416.5114112~11618.0117126~12819.5137136~13821.0通過對小車的調(diào)試運行，驗證了本設(shè)計的智能小車及其控制算法運行性能良好，可靠性高，實現(xiàn)了自動調(diào)速功能。5結(jié)論基于單片機的智能小車速度控制系統(tǒng)，可以用單片機軟件編程產(chǎn)生PWM信號來調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速，相對用硬件來實現(xiàn)更加簡單、靈活。采用光電測速傳感器實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)速的實時測量并在LED上顯示出來。該系統(tǒng)對硬件電路進行了簡單設(shè)計，利用PI控制容易實現(xiàn)的特點開發(fā)了PI速度控制算法，并通過實驗分析說明了本算法到達了智能小車調(diào)速的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求，具有較好的可靠性。本設(shè)計對智能小車調(diào)速進行了初步設(shè)計，控制算法參數(shù)的給定規(guī)律還有待進一步完善。作為機電學(xué)科的前沿課題，智能小車的廣泛實用性是毋庸置疑的，想要實現(xiàn)智能小車的高度智能化還有很長的一段路要走，需要我們堅持不懈地探索研究。致謝經(jīng)過幾個月的忙碌，本次畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲，通過本次學(xué)校組織的畢業(yè)設(shè)計，端正了我的學(xué)習(xí)態(tài)度，鍛煉了我的獨立動手能力。在此，我要感謝每一位幫助過我的人。首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師XXX老師，文老師平日里工作繁忙，但是在我做畢設(shè)的每個階段，都給了我悉心的幫助和指導(dǎo)。此外，文老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我學(xué)習(xí)的典范，這使我受益匪淺。再次，我要感謝我的同學(xué)在我的畢業(yè)設(shè)計期間，他們給了我諸多關(guān)注和幫助。理論與實踐的結(jié)合是一個很好的掌握扎實知識的一種方式，本次畢設(shè)就有改變高分低能的理念。對于馬上就要畢業(yè)的我們，社會更加迫切需要的是能力而不是高分。從學(xué)校我們就看出了這種現(xiàn)狀，所以給我們安排了這畢業(yè)生的最后課：理論與實踐相結(jié)合。所以，在這里我對此表示萬分感謝。這次良機真的是機不可失，失不在來。最后，再次感謝攻讀學(xué)士學(xué)位期間XXXX大學(xué)的每一位老師和同學(xué)對我的無私幫助。參考文獻[1]A·布洛基，M·布圖茲，A·法斯莉等.智能車輛：智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003:33~53[2]王少峰.競賽用智能汽車的研究與實現(xiàn)[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2023:42~46[3]曾孟雄，李力，肖露等.智能檢測控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2023:135~137[4]謝桂林，黃章，劉允紘.電力拖動與控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1997.1:36~49[5]程運.紅外傳感器尋跡小車[D].西安：西安科技大學(xué)，2023:8~9[6]周菁菁.刺激信號為圖案的人體反響時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