【正文】 文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 30 附錄一 總體結(jié)構(gòu) PCB 圖 .......................................................................................... 31 附錄二 程序清單 ...................................................................................................... 32 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒 論 1 緒 論 近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生 了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制 (pulse width modulation,簡(jiǎn)稱 PWM)已成為直流電動(dòng)機(jī)新的調(diào)速方式。這種調(diào)速方法具有開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是這種調(diào)速方式很容易在單片機(jī)控制系 統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，因此具有很好的發(fā)展前景。 單片機(jī)，確切稱為微控制器，是 20世紀(jì) 70 年代中期發(fā)展起來(lái)的一種面向控制的大規(guī)模集成電路模塊，其特點(diǎn)是功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、價(jià)格低廉。它一面試便在工業(yè)控制，數(shù)據(jù) 采集、智能化儀表、機(jī)電一體化、家用電器等領(lǐng)域得廣泛的應(yīng)用，極大的提高了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度。因此，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用么個(gè)已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。 如今單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，那么單片機(jī)系統(tǒng)緣何在近年來(lái)的信息技術(shù)應(yīng)用中脫穎而出，成為眾多商家角逐的對(duì)象，其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@里蘊(yùn)藏著巨大的市場(chǎng)，巨大的商業(yè)利益，但就電視應(yīng)用而言，目前全球有 2億多有線電視用戶，中國(guó)也有 8000 多萬(wàn)戶，而且每年在以 600 萬(wàn)的速度遞增。如今在這一領(lǐng)域還沒(méi)有那家公司的產(chǎn)品可以主導(dǎo)這一市場(chǎng)。在這中局勢(shì)下，雖然競(jìng)爭(zhēng) 將一場(chǎng)劇烈，但突圍的可能性也較大，只要能夠培養(yǎng)出自己的技術(shù)能力和市場(chǎng)的開拓能力，是有可能獲得巨大成功的。 課題研究的意義、國(guó)內(nèi)外有關(guān)課題的研究動(dòng)態(tài)和自己的見解 研究的意義 隨著現(xiàn)代交通的飛速發(fā)展，汽車的智能化控制已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展上關(guān)注的焦點(diǎn)。將電子化和智能化用于汽車控制是對(duì)汽車工業(yè)的一次變革。由于單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛，我們可以用 MCS51 的單片機(jī)控制系統(tǒng)，利用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車調(diào)速的智能化控制。如果能 夠 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒 論 2 將電子化和智能化很好的結(jié)合在一起，那么對(duì)汽 車工業(yè)的智能化發(fā)展起到相當(dāng)重要的作用，可以在很大程度上減少交通事故的發(fā)生，也可以降低現(xiàn)在汽車的發(fā)展對(duì)交通的壓力。 國(guó)內(nèi)外有關(guān)課題的研究動(dòng)態(tài) 近二十年來(lái)，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論發(fā)展，電機(jī)調(diào)速技術(shù)得到迅速發(fā)展，使得電機(jī)的應(yīng)用不再局限于工業(yè)應(yīng)用而且在商業(yè)及家用設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用；而隨著新材料如稀土永磁材料 NdFeB、磁性復(fù)合材料的出現(xiàn)，更給電機(jī)設(shè)計(jì)插上翅膀，各種新型、高效、特種電機(jī)層出不窮。這些都極大地豐富了電機(jī)理論，拓寬了電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也給電機(jī) 設(shè)計(jì)和制造工藝提出更高的要求。 課題研究的主要內(nèi)容、擬解決的關(guān)鍵性問(wèn)題和預(yù)期的成果 課題的主要內(nèi)容 利用脈寬調(diào)制原理，設(shè)計(jì)并制造一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線和終點(diǎn)線間的小汽車，使小車實(shí)現(xiàn)智能化行駛。小車從起跑線出發(fā)，每碰到一次黑線根據(jù)接收到的信號(hào)，通過(guò)直流電機(jī)的調(diào)速，就變換一次狀態(tài)，每次變換狀態(tài)都有亮燈顯示，不同的狀態(tài)用不同的顏色表示，到達(dá)終點(diǎn)后，停留 10 秒，然后返回起跑線。最后在顯示器上顯示出小車行駛過(guò)的路程和走完全程所用的時(shí)間。 擬解決的關(guān)鍵性問(wèn)題 在直流電機(jī)調(diào)速電路的設(shè)計(jì)中，主要 考慮一下幾點(diǎn)： 1． 功能： 電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)？需不需要調(diào)速？對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由 4個(gè)功率元件組成的 H橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn) PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。 2．性能： 對(duì)于 PWM 調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒 論 3 1）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。 2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電 源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（ H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路）入手。 3）對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。 4）對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。 5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。 顯示部分 是用什么比較好？能夠及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)出小車的行駛狀態(tài)？并且硬件連接也不必太復(fù)雜。數(shù)據(jù)采集部分用什么來(lái)接收信號(hào)比較好，并且受外界的影響也能降到最低，還能迅速的把接收到的信號(hào)準(zhǔn)確的傳到指定的地方。 還有一點(diǎn)也是相當(dāng)重要的，那就是在小車的行駛過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些行駛路程產(chǎn)生偏差的情況，這就要通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)使小車的偏差了降到最低，使小車在設(shè)定的車道中按照設(shè)計(jì)的要求來(lái)完成本設(shè)計(jì)所給出的要求。 預(yù)期的成果 通過(guò)脈寬調(diào)制對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，小車從起跑線出發(fā)，每碰到一次黑線根據(jù)接收到的信號(hào)，小車變換一次行 駛狀態(tài)，每次變換行駛狀態(tài)都有亮燈顯示，不同的狀態(tài)用不同的顏色表示，到達(dá)終點(diǎn)后，停留 10 秒，然后自動(dòng)返回起跑線。最后在顯示器上顯示出小車行駛過(guò)的路程和走完全程所用的時(shí)間 . 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 4 2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)任務(wù) A B C D E F G H 限速區(qū) 1m 3～ 6m 2m 3～ 6m 1m 起跑線 終點(diǎn)線 圖 21 跑道頂視圖 設(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線和終點(diǎn)線間的小汽車，要求從起跑線出發(fā)，每碰一次黑線根據(jù)收到的信號(hào)，通過(guò)直流電機(jī)的調(diào) 速，就變換一次狀態(tài)，每次變換都有燈亮顯示，不同狀態(tài)用不同的顏色表示，到達(dá)終點(diǎn)后停留 10s，然后自動(dòng)返回起跑線，并在顯示器上顯示小車行駛過(guò)的路程和走完全程所用時(shí)間。 跑道寬度 ，表面貼有白紙，兩側(cè)有擋板，擋板與地面垂直，其高度不低于 20cm。在跑道的 B、 C、 D、 E、 F、 G各點(diǎn)處畫有 2cm寬的黑線，各段的長(zhǎng)度如圖21所示。 設(shè)計(jì)要求 10s，然后返回到起點(diǎn)停止。 ，停車位置的偏差應(yīng)最小。 ，時(shí)間不能少于 8 秒 ，不允許在限速區(qū)停車。 狀態(tài)，小車每次進(jìn)入一種行駛狀態(tài)就亮一種顏色的燈來(lái)顯示其行駛的狀態(tài)。紅色 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 5 表示停止?fàn)顟B(tài)，綠色表示加速狀態(tài)，黃色表示限速狀態(tài)，分別接入單片機(jī)的 、 。接入了這三個(gè)發(fā)光二極管后，不但小車的運(yùn)行狀態(tài)能夠更好的表現(xiàn)出來(lái)，更重要的是，在軟件調(diào)試中，這三個(gè)發(fā)光二極管可以給我們很大的參照，可以提示我們程序運(yùn)行到什么位置，是否按照要求輸出快速的 PWM 波形或者是慢速 PWM 波形。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 裝有直流電動(dòng)機(jī)的 小車的控制系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)為核心， 實(shí)現(xiàn)小車調(diào)速的智能化，單片機(jī)微型控制系統(tǒng)模塊對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，并通過(guò)軟件程序來(lái)完成復(fù)雜的控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要根據(jù)單片機(jī)傳入的信號(hào)控制小車的運(yùn)動(dòng)；用 LED 數(shù)碼管完成信息顯示。 整個(gè)系統(tǒng)包括：電源模塊、電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制處理模塊、顯示模塊。 系統(tǒng)組成框圖 圖 22系統(tǒng)組成框圖 單 片機(jī) AT89C51 數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊 電 源 數(shù)碼 管顯示 電機(jī)控制 模塊 紅外發(fā)射 數(shù)碼管 驅(qū)動(dòng) 紅外接收 行 駛 狀 態(tài) 顯 示 脈寬調(diào)制 （ PWM） 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 6 圖 22 給出系統(tǒng)組成框圖，數(shù)據(jù)采集通過(guò)光電傳感器完成對(duì)不同標(biāo)志的檢測(cè)，并以電信號(hào)脈沖的形式送入單片機(jī)的 INT0 和 T1 口。單片機(jī)對(duì)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理，從 號(hào)輸出信號(hào)控 制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)車的行駛速度得以調(diào)整；電動(dòng)車返回起點(diǎn)后， 從單片機(jī)的串行通信口輸出數(shù)據(jù)顯示已行駛的距離和所用的時(shí)間 [2]。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證 7 3. 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證 根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成電動(dòng)小汽車在規(guī)定行駛路線中的速度控制，不同的行駛路段采用變速行駛，并對(duì)行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、顯示。為了使汽車與固定點(diǎn)保持聯(lián)絡(luò)，本系統(tǒng)加裝了紅外數(shù)碼傳感器裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的行駛 過(guò)程定位。下面對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的方案進(jìn)行論證。 根據(jù)題目 的基本 要求， 設(shè)計(jì)任務(wù)主要是完成電動(dòng)小汽車在規(guī)定行駛路線中的速度控制，根據(jù)不同的行駛路段采用變速行進(jìn)，對(duì)行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示。為了使汽車與固定點(diǎn)保持聯(lián)絡(luò)，本系統(tǒng)加裝了紅外數(shù)碼傳感器裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的行駛過(guò)程定位 [4]。下面對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行論證。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇 方案 一 ：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但 電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案三： 利用 BD23 C265 9013 等不同三極管的組合，構(gòu)造一座“橋”型電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輕松控制。該電橋電路的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、易控制、帶負(fù)載能力強(qiáng)。在單片機(jī)的控制下，通過(guò)調(diào)制脈寬的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，可以使小車適應(yīng)各種不同的電源。 兼于方案三 調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平 滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大 ， 因此本設(shè)計(jì)采用方案三。 數(shù)據(jù)采集方案的選擇 探測(cè)路面黑線的大致原理：光線照到路面，黑線和白紙的反射系數(shù)不同 。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證 8 方案 一 ：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射 — 接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判；雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。 方案二：不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射 — 接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾；但如果直接用直流電壓對(duì)管子進(jìn)行供電， 限于管子的平均功率要求，工作電流只能在 10mA 左右，仍然容易受到干擾。 方案三： 紅外發(fā)光二極管和接收管組合。由于紅外光的波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)，因此受可見光的影響較小，同時(shí)紅外系統(tǒng)還具有尺寸小、重量輕、能有效防止可見光波的干擾，對(duì)輔助裝置要求最少、對(duì)人眼無(wú)傷害等優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)檢測(cè)器具有體積小、靈敏度高、線性好等特點(diǎn)，外圍電路及電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝方便、電源要求不高、性能穩(wěn)定可靠。 從上 理論 分析， 方案三采集特性