【正文】 .......................... 19 用 PWM 控制系統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速電路 ........................................................ 22 PWM 調(diào)速下小車行駛狀態(tài)的變化顯示 ................................................. 23 路程檢測(cè)模塊 ..................................................................................................... 24 數(shù)碼管顯示部分 ................................................................................................. 25 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 MAX7219 芯片介紹 ................................................................................. 26 MAX7219 芯片的功能說(shuō)明 ..................................................................... 26 MAX7219 的 基本工作原理及使用方法 ................................................. 27 MAX7219 在系統(tǒng)顯示模塊中的應(yīng)用 ..................................................... 29 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 2 總 結(jié) ................................................................................................................................. 32 致 謝 ................................................................................................................................. 34 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 35 附錄 1 小車控制狀態(tài)流程圖 .......................................................................................... 36 附錄二 整機(jī)電路圖 ......................................................................................................... 37 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 前言 1 前 言 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展 ,中小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)越來(lái)越多地采用脈寬調(diào)制系統(tǒng)。脈寬調(diào)制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的可控硅調(diào)速系統(tǒng)具有電樞電流連續(xù)性好、頻率高、響應(yīng)快等特點(diǎn)。 脈寬調(diào)制 (PWM)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種調(diào)速形式 , 脈寬調(diào)制 (PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 直流斬波調(diào)速系統(tǒng)的核心技術(shù)是脈寬調(diào)制 （ Pulse Width Modulation） 控制技術(shù)，該技術(shù)通常簡(jiǎn)稱為 PWM控制技術(shù)，是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。近年來(lái)，電氣傳動(dòng)的 PWM 控制技術(shù)以成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。 直流電動(dòng)機(jī)因其可以方便地通過(guò)改變電樞電壓和勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用，調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻來(lái)改變電樞上的電壓，是最經(jīng)典 的直流電機(jī)調(diào)速方法，有相當(dāng)部分的電能消耗在所串聯(lián)電阻上 ,很不經(jīng)濟(jì)。 80 年代，以晶閘管為功率開(kāi) 關(guān)器件的斬波調(diào)速器以其無(wú)級(jí)、高效、節(jié)能而得到大力推廣 。 但晶閘管斬波調(diào)速器不足之處是晶閘管一旦被觸發(fā)，其關(guān)斷必須依賴換流電容和換流電感振蕩產(chǎn)生反壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，換流電容和電感增加了裝置的成本，也增加了換流損耗；電源電壓下降還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流失敗，使系統(tǒng)的可靠性降低；此外，由于晶閘管的開(kāi)、關(guān)時(shí)間比較長(zhǎng)，加上存在換流環(huán)節(jié)，使得斬波器的工作頻率不能太高（一般在 300Hz 以下）電機(jī)上的力矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)比較嚴(yán)重 。 因此直流斬波調(diào)速呼喚快速自關(guān)斷器件 。 于是 90 年代出現(xiàn)了以 IGBT 為代表，具有自關(guān)斷能力并可在高速下工作的功率器 件作為開(kāi)關(guān)元件的 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)成為更為先進(jìn)的直流調(diào)速方案 。 脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)是利用數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，現(xiàn)在越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)的占空比，從而起到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度的控制，具有響應(yīng)速度快、精度高、損耗低等特點(diǎn)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 課題研究的意義 2 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(jiàn)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?qū)㈦娮踊椭悄芑芎玫慕Y(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) 隨著技術(shù)的發(fā)展， 國(guó)內(nèi)國(guó)外 電氣 行業(yè)對(duì)電機(jī)的 傳動(dòng)在起制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度，調(diào)速范圍，靜態(tài)范圍，靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直 流電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)距控制，因此 20 世紀(jì) 30年代起就開(kāi)始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)因其具有良好的調(diào)速和控制性能 ,仍在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 .脈寬調(diào)制 (PWM)直流調(diào)速系統(tǒng)由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,低速性能好和損耗小等優(yōu)點(diǎn)在直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛 ,其中脈寬調(diào)制變換器的性能決定了調(diào)速系統(tǒng)的特性 [1]。 H 型可逆 PWM 變換器是常用的脈寬調(diào)制器 ,它有雙極式控制 ,單極式控制和受限單極式控制三種控制方式 ,且不同的控制方式有不同特點(diǎn) 。 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。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 課題研究的意義 3 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(kāi)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)。 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(kāi)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)， 在跑道上 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)總體設(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) 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 6根 2cm寬的黑線，各段的長(zhǎng)度如圖21所示。 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)要求 1. 車子從起跑線出發(fā)后到達(dá)終點(diǎn)線停車 10s，然后返回到起點(diǎn)停止。 2. 到達(dá)終點(diǎn)線和起跑線時(shí)，停車位置的偏差應(yīng)最小。 3. 限速區(qū)車輛要求低速通過(guò)，時(shí)間不能少于 8 秒，不允許在限速 區(qū)停車。 4. 本設(shè)計(jì)用了三個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管來(lái)顯示小車正處在何種 速度行駛 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。 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)總體設(shè)計(jì) 5 系統(tǒng) 分析和 總體設(shè)計(jì) 思路 系統(tǒng)分析 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求分析整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程是： 裝載直流電 機(jī)的 小車在脈寬調(diào)制下，共有三種狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)、加速狀態(tài)和限速狀態(tài)。當(dāng)小車從起跑線上出發(fā)碰到第二