【正文】 基于磁場(chǎng)導(dǎo)航智能車控制器的設(shè)計(jì) 學(xué) 校 : 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 帶隊(duì)教師 : 參賽隊(duì)員 : 目錄 第 一 章 前言 ????????????????? ??3 第二章 方案 論證 ?????????? ??? ??? ?4 第三章 整體 設(shè)計(jì) 思路 ????? ????? ?? ???5 1） 、 磁場(chǎng)檢測(cè)原理 2)、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 3)、 定磁場(chǎng)放大電路 4） 、 交變磁場(chǎng)放大電路 第四章 單元電路 ????????????? ??? 10 1)、 單片 機(jī)最小統(tǒng) 2)、 速度 傳感器模塊 3)、 磁場(chǎng)檢測(cè)模塊 4)、 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 5)、 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 6)、 LCD 顯示模塊 第五章 軟件設(shè)計(jì) ??????????????? ? 18 第七章 結(jié)論 ?????????????? ? ??? 21 附頁(yè) 前言 在智能導(dǎo)航系統(tǒng)中，如無(wú)人駕駛飛機(jī)、無(wú)人駕駛汽車，目前較為常用的導(dǎo)航方式為 GPS導(dǎo)航。而地球磁場(chǎng)的大小和方向是任何人改變不了的，因此如何利用磁場(chǎng)導(dǎo)航具有很高的研究?jī)r(jià)值。 磁導(dǎo)航智能車 根據(jù)多給交變的磁場(chǎng)信息或是根據(jù)無(wú)法人為改變的地球磁場(chǎng)來(lái)判斷方向及大小，自行達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)并完 成導(dǎo)航任務(wù)。 當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)發(fā)展如火如荼，其應(yīng)用已涉及包括國(guó)防等眾多領(lǐng)域，工業(yè)自動(dòng)化，神五、神六升天，無(wú)人探月飛船??無(wú)不得益于機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展。智能小車應(yīng)該說(shuō)是最基本的機(jī)器人雛形，智能小車控制系統(tǒng)的研制將有助于推動(dòng)智能機(jī)器人等 智能 控制系統(tǒng)的發(fā)展。 實(shí)時(shí)采集傳感器信號(hào)，智能分析外部環(huán)境、路徑信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)方向控制及速度調(diào)節(jié)，是智能小車控制的主要特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋機(jī)械、汽車、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、傳感器技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)領(lǐng)域。作為一門新興的綜合技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)料車、固定場(chǎng)地搬運(yùn)車等技術(shù)領(lǐng)域，具 有良好的應(yīng)用前景。 本文設(shè)計(jì) 一智能車 ,能夠檢測(cè)有磁引導(dǎo)的軌跡識(shí)別 ,及自行檢測(cè)當(dāng)前地磁場(chǎng) .在有磁導(dǎo)航線路時(shí) ,可跟蹤線路磁場(chǎng) ,自動(dòng)尋找軌跡 ,并迅速或按照規(guī)定速度前進(jìn) .在水平面內(nèi)確定方位角 ,當(dāng)接受到位置坐標(biāo)和速度等命令后 ,智能車可再不受人干預(yù)的情況下 ,自行到達(dá)目標(biāo)位置 .實(shí)現(xiàn)對(duì)特定磁導(dǎo)航的智能循跡和地磁場(chǎng)的方位角的測(cè)定 ,以實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的定位 ,用以實(shí)現(xiàn)導(dǎo) 航 . 第二章 方案論證 該項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容為首先對(duì)磁場(chǎng)導(dǎo)航相關(guān)的理論進(jìn)行分析，根據(jù)所分析的理論設(shè)計(jì)導(dǎo)航模型。利用單片機(jī)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向進(jìn)行測(cè)量。在磁場(chǎng)測(cè)量方面主要分為 恒定磁場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)，對(duì)于恒定磁場(chǎng)的測(cè)量，可以采用霍爾元件進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于變化的磁場(chǎng)可以利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量。不管是恒定的還是變化的磁場(chǎng)，其產(chǎn)生的電信號(hào)都是很微弱的，因此要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行放大，如利用放大電路進(jìn)行放大。放大之后的信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)采集分析，最終確定磁場(chǎng)的大小，然后可以通過(guò)磁場(chǎng)的大小來(lái)判斷磁場(chǎng)的方向，進(jìn)而進(jìn)行導(dǎo)航。 （ 1） 控制器選擇 （ A） At89s52 是以款普及性很強(qiáng)的控制器，控制簡(jiǎn)單，入手容易，易于操作，但此單片機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，功能較少， 速度相對(duì)也慢，很難完成本項(xiàng)任務(wù) （ B） Stc 單片機(jī)繼承了 51的諸多優(yōu)點(diǎn) ，同樣含有多種功能模塊運(yùn)算速度較快，能順利完成 CPU 的數(shù)據(jù)處理 。 （ C） 飛思卡爾 mc9s12xs128單片機(jī)是是基于速度更快的 CPU12內(nèi)核的單片機(jī)系列，自身具有多個(gè)功能模塊，其運(yùn)行速度快，功能模塊性能強(qiáng)，對(duì)完成本課題設(shè)計(jì)可以說(shuō)可以完全勝任，只是價(jià)格較高，需要購(gòu)買專門下載器和編程軟件，在此性價(jià)比不高。 綜上所述，我們選擇 方案 C （ 2） 交變磁場(chǎng)信號(hào)放大電路 （ A） 集成電路組成的交流放大器 （ B） 分立式元器件組成放大電路 綜上所述，我們選擇 方案 B （ 3） 定磁場(chǎng)檢測(cè) 第一級(jí)放大 電路 （ A） 采用差動(dòng)放大電路，運(yùn)用三個(gè)分立運(yùn)放 LM324 組成的差動(dòng)放大電路 組成高輸入阻抗完成微弱電信號(hào)的 （ B） 單片集成芯片 AD620， 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：一個(gè) AD620，一個(gè)增益設(shè)置電阻 Rg，外加工作電源就可以使電路工作 ，設(shè)計(jì)周期短，電路可靠性強(qiáng)。 綜上所述，我們選擇 方案 B 第三章 整體設(shè)計(jì)思路 1） 、 磁場(chǎng)檢測(cè)原理 ： 交變 磁場(chǎng)檢測(cè)原理 本設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì) 電磁車要檢測(cè)的賽道環(huán)境是由通有 20kHz、 100mA 左右交變電流的導(dǎo)線所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)檢測(cè)是課題要解決的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，需要首先對(duì)電磁場(chǎng) 的特性進(jìn)行分析 ，然后根據(jù) 分析的 結(jié)果選擇合適的 檢測(cè)原理，而后再選擇相應(yīng)的 電磁傳感器。 通有 20kHz、 100mA 左右交變電流的導(dǎo)線，其周圍的電磁場(chǎng)如下圖： 導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離的關(guān)系 由上圖，很容易看到導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布圖。上圖磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖為垂直方向上距導(dǎo)線 5cm 高度 的強(qiáng)度分布， 圓上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，并隨著距離導(dǎo)線的半徑 r 增加成反比下降。 此時(shí)也是 兩者之間較線性的高度值。因此，我們的傳感器就安裝在距導(dǎo)線垂直高度 510cm 處。 導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度一般為 1011Gs 左右，我們選用 工字線圈來(lái)做磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)元件，其檢測(cè)的范圍可以達(dá)到 1011Gs 的數(shù)量級(jí)， 同時(shí)它還具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積相對(duì)較小、頻率響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)際選用電感值為 10mH、磁芯為鎳鋅材料的工字線圈作為電磁傳感器，其 Q 值較高，具有開(kāi)放的磁芯，輸出信號(hào)幅值大。 ： 地 磁場(chǎng)檢測(cè)原理 地磁場(chǎng)的檢測(cè)，我們?cè)谶@認(rèn)為其強(qiáng)度的恒定的，即方向和大小都不變。 根據(jù)這樣的特性，我們采用磁阻傳感器，其原理如下 ： 上圖左側(cè)長(zhǎng)條就是一個(gè)磁阻傳感器的測(cè)量原理，右圖為整體的 測(cè)量原理。 2） 、 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 定 系統(tǒng)組成框圖中，我們能夠看到系統(tǒng)的硬件單元主要有 CPU、磁檢測(cè)電路、人機(jī)界面、舵機(jī)控制、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)、測(cè)速單元等組成。 本設(shè)計(jì)主要涉及磁傳感器 模塊的設(shè)計(jì)及制作，其他模塊較常見(jiàn)，只做簡(jiǎn)單理論描述，詳細(xì)模塊在下文都將涉及到。 鋁合金帶玻莫合金薄膜外加磁場(chǎng)電 流θＩＭ 外加磁場(chǎng)–+Vout偏置磁場(chǎng)R+△RR+△RR △RR △RVb 3） 、磁場(chǎng)放大電路 定磁場(chǎng)一級(jí)放大 本級(jí)放大電路將 AD620微弱的差動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，使幅值在 +2V― 2V之間 ，在 1 腳和 8 腳之間的電阻決定了精密放大器的放大倍數(shù)，放大大小為 +1，當(dāng)前電路的放大倍數(shù)為 100倍 二級(jí)電位拉升電路 本電路的主要功能為上級(jí)電信號(hào)的 的電位提升，使檢測(cè)信號(hào)又正負(fù)信號(hào)變成正電源信號(hào)，利于下一級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換。 4） 、交變磁場(chǎng)放大電路 此上電路為交變信號(hào)放大電路以及后面的整流濾波電路，它決定了所需放大信號(hào)的大小，左側(cè)的電感電容并聯(lián)決定了 放大信號(hào)的通過(guò)頻率，即帶通濾波電路 根據(jù)電感值，電容值的大小即可決定當(dāng)前所要檢測(cè)磁場(chǎng)的頻率大小，對(duì)有用磁場(chǎng)進(jìn)行選擇。 電感線圈外形 第四章 單元電路 1）、單片機(jī)最小系統(tǒng) 2） 、 速度 傳感器模塊 MC9S12XS128 最小系統(tǒng)原理 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)板 2）、速度傳感器 我們用的是 3000 線編碼器，驅(qū)動(dòng)電路 電路由比較強(qiáng)完成放大、整形，然后將處理后的脈沖直接送人單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換口。 3）、磁場(chǎng)檢測(cè)模塊 首先是定磁場(chǎng)檢測(cè) ： 所選器件為 Kmz52 如下圖 : 圖１是 KMZ52 的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和引腳排列 。圖中 ,Z1和 Z4為翻轉(zhuǎn)線圈 ,Ｚ２和Ｚ３為補(bǔ)償線圈。由于環(huán)境溫度可能會(huì)影響系統(tǒng)精度 ,因此 ,在高精度系統(tǒng)中 ,可以通過(guò)補(bǔ)償線圈對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。 KMZ52 內(nèi)部有兩個(gè)正交的磁場(chǎng)傳感器 分別對(duì)應(yīng)二維平面的Ｘ軸和Ｙ軸。磁場(chǎng)傳感器的原理是利用磁阻（ＭＲ）組成磁式結(jié)構(gòu) ,這樣可改變電磁物質(zhì)在外部磁場(chǎng)中的電阻系數(shù)。以便在磁場(chǎng)傳感器的翻轉(zhuǎn)線圈 Z1和 Z4上加載翻轉(zhuǎn)電信號(hào)后使之能夠產(chǎn)生變 化的磁場(chǎng)。由于該變化磁場(chǎng)會(huì)造成磁阻變化（ Δ R）并將其轉(zhuǎn)化成變化的差動(dòng)電壓輸出 ,這樣 ,就能根據(jù)磁場(chǎng)大小正比于輸出差動(dòng)電壓的原理 ,分別讀取對(duì)應(yīng)的兩軸信號(hào) ,然后再進(jìn)行處理計(jì)算即可得到偏轉(zhuǎn)角度。 復(fù)位 /置位電路 使用置位 /復(fù)位電流帶需要施加置位 /復(fù)位脈沖，簡(jiǎn)稱 S/R脈沖。需要注意的是， S 脈沖與 R 脈沖對(duì)傳感器的影響相同，唯一不同的是傳感器輸出信號(hào)的改變。這是因?yàn)榇抛鑲鞲衅饔袃煞N工作方式。其中，工作方式 1 輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，而工作方式 2輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成反 比。對(duì)于置位/復(fù)位電流帶輸入正向的脈沖電流磁阻傳感器為工作方式 1；反之則是工作方式 2。產(chǎn)生 S/R 脈沖電路稱為置位 /復(fù)位脈沖電路，是采用磁阻傳感器作為磁場(chǎng)傳感器所特有的。 A） 第一級(jí)放大電路 :差動(dòng)放大電路 ad620 ad620 的接線圖中表明了各個(gè)引腳的功能，及引腳排布 B） 第二級(jí)放大電路 : 在第二章中已經(jīng)介紹了第二級(jí)放大電路的原理圖以及功能 。 在這里說(shuō)明一下程序?qū)Σ傻降?AD 信號(hào)做的處理：由于轉(zhuǎn)換后的信號(hào)理論上是 0 到 5V 之間 ，傳感器輸出的是正負(fù)電壓，所以還要先還原到正 負(fù)信號(hào)，然后根據(jù) 下圖中的方法確定偏轉(zhuǎn)角度。 由于干擾磁場(chǎng)的影響，傳感器輸出具有固定偏差，設(shè)地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為G，傳感器輸出為 Vn，則傳感器工作在方式 1 時(shí)， V1=G+A；