【正文】 .............................................. 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)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（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)越來越多地采用脈寬調(diào)制系統(tǒng)。 論文主要介紹了基于單片機(jī)用 PWM 實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的基本方法，直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識，及 PWM 調(diào)整的基本 原理和實現(xiàn)方法。 并詳細(xì)介紹該控制器的硬件組成、 PWM 直流調(diào)速功能 。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。 直流電動機(jī)因其可以方便地通過改變電樞電壓和勵磁電流實現(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)。 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 。將電子化和智能化用于汽車控制是對汽車工業(yè)的一次變革。由于直 流電機(jī)易于實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)距控制，因此 20 世紀(jì) 30年代起就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。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，通過直流電機(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)終點后，停留 10 秒，然后返回起跑線。 2． 性能： 對于 PWM 調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動電路，主要有以下性能指標(biāo)。 3） 對控制輸入端的影響。 5） 可靠性。 還有一點也是相當(dāng)重要的，那就是在小車的行駛過程中可能會出現(xiàn)一些行駛路程產(chǎn)生偏差的情況，這就要通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來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)計的要求來完成本設(shè)計所給出的要求。 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。 3. 限速區(qū)車輛要求低速通過，時間不能少于 8 秒，不允許在限速 區(qū)停車。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計 5 系統(tǒng) 分析和 總體設(shè)計 思路 系統(tǒng)分析 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求分析整個系統(tǒng)的過程是： 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)。 整個系統(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。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計 6 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 （ 時間 、 路程顯示 ） 電機(jī) 調(diào)速電路 數(shù)碼管 驅(qū)動 路程檢測電路 行 駛 狀 態(tài) 顯 示 脈寬調(diào)制 （ PWM） 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證 7 3 系統(tǒng) 方案的 設(shè)計 與論證 根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是完成電動小汽車在規(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，并對行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、顯示。 方案一： 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 基于上述理論分析， 采用利用 8050、 8550 等不同三極管的組合，構(gòu)造一座“橋”，實現(xiàn)對驅(qū)動電機(jī)的控制。這種方案的缺點在于其他環(huán)境光源會對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。 基于 對系統(tǒng)要求 考慮，采用紅外發(fā)光二極管和接收管組合。但硬件電路復(fù)雜，不易控制， 成本高， 在短時間內(nèi)不能達(dá)到題目 的顯示 要求。 電源模塊的選擇 整個系統(tǒng)的正常工作要在有電源的情況下，而我們所學(xué)到的知識中有很多種提供電源的方法，而我們必須考慮到系統(tǒng)的工作環(huán)境以及系統(tǒng)設(shè)計的成本等問題我們必須選擇最適合的電源模塊。這樣可以用家用電帶動小車，但對于小車來說不方便，因為智能小車是工業(yè)化的模型，在室外行駛，所以系統(tǒng)采用這種方案會限制了小車的行駛范圍。 我們認(rèn)為本 系統(tǒng) 設(shè)計的穩(wěn)定可靠性更為重要， 電源采用 5 節(jié) AA 電池 和 1 節(jié) 9V方型電池 。 （ 4） 采用紅、綠、黃三色燈提示小車行駛狀態(tài)。 最近 Intel 公司又 推出片內(nèi)帶 E2PROM型的單片機(jī)。 除 此之外， 四者 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及 引腳完全 相同 [2]。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起， 特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。當(dāng)采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 2． 輸入 /輸出引腳： （ 1） P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 （ 2） P1 口 （ ～ ） ： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口在FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口， 如表格 41 所示。二極管的作用是起快速泄放電容電量的功能，滿足短時間多次復(fù)位都能成功。 在前面介紹單片機(jī)引腳時，我們已經(jīng) 敘述過有關(guān)振蕩器的概念。 XTAL1（ 19 腳）是按外部晶體管的一個引腳。 30pFC130pFC212MHXTALXTAL1XTAL2GND 圖 44 時鐘 電路 我們可以用示波器測出 XTAL2 上的波形。 AT89C51 的 復(fù)位 電路 單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位，而復(fù)位時間是 (時鐘周期 =12 振蕩周期 ,振蕩周期 =1/f)，這個時間只能大不能小，具體數(shù)值可以由 RC 電路計算出時間常數(shù)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分 合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計 175 系統(tǒng)硬件電路 的模塊 設(shè)計 由于跑道是白色的，在某些規(guī)定區(qū)域有黑色線條標(biāo)志，根據(jù)顏色對光的吸收和反射特性，光接收管在黑白區(qū)域的導(dǎo)通狀態(tài)不相同。經(jīng)單片機(jī)處理后，用、 分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向以及脈寬，車載顯示器在運行過程中顯示通過地面標(biāo)志 線速度的變化狀態(tài) 。當(dāng)光電反射器在黑白面上移動時， 4 端便得到一個變化的脈沖電壓 [6]。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計 18NE555 內(nèi)部電路： 2 腳為置位輸入端，當(dāng)該端輸入電壓低于 1/3U時， NE555 電路就置位； 3 腳輸出高電平， 放電端 7 腳就對搭地點斷路 (內(nèi)部放電三極管 T1 截止 )，6 腳為復(fù)位 輸入端，當(dāng)該端輸入電壓大于 2/3U+時， NE555 電路就轉(zhuǎn)入復(fù)位； 3 腳輸出低電平 ， 7 腳就對搭地點短路 (內(nèi)部放電三極管 T2 導(dǎo)通 )。 V0 “ 1” “ 0” Vi 1/3Vcc 2/3Vcc 圖 52 輸入輸出之間的遲滯回線特性 當(dāng)電壓由低向高變化時： 0Vi1/3Vcc， V0=“ 1” ； 1/3VccVi2/3Vcc， V0 保持不變。 若 Vcc=5V， 有關(guān)1/3Vcc=,2/3Vcc=,能 滿足要求。利用下降沿可觸發(fā) AT89C51 中斷“ 0” 。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計 19本系統(tǒng)是 在單片機(jī) AT89C51 的控制下，通過對單片機(jī) 、 產(chǎn)生的脈寬波形進(jìn)行調(diào)制的方法 來實現(xiàn)對直流電機(jī)的輕松調(diào)速， 即采用脈寬調(diào)制 （ PWM） 原理來控制直流電機(jī)的調(diào)速 [7]。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在 15～ 20Hz 效果最佳。 PWM 可以應(yīng)用在許多方面 ，如電機(jī)調(diào)速、 溫度控制 、壓力控制等。 脈沖信號 t1 t2 T 最大值 Vmax 平均值 Vd 最小值 Vmin 圖 53 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系圖 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 系統(tǒng)硬件電路的模塊設(shè)計 20 在脈沖作用下 ， 當(dāng)電機(jī)通 電時，速度增加； 電機(jī)斷電時 ， 速度逐漸減少。嚴(yán)格地講， 平均速度 Vd 與占空比 D 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中， 可以將其近似地看成線性關(guān)系。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。 PWM 脈沖的占空比，決定電機(jī) M 的轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng)中 PWM 脈沖頻率就由接通的時間決定，而占空比即為接通時間與總時間的比值。 PWM 驅(qū)動裝置控制原理框圖如圖 56 所示。 （ 3） 電源的功率因數(shù)高， SCR 系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。 并 利用了芯片 AT89C51 的 P1 口的 、 兩個管腳。 本系統(tǒng)工程在小車電機(jī)的控制部分利用 8050、 8550 等不同三極管的組合，構(gòu)造一座“橋”，實現(xiàn)了對驅(qū)動電機(jī)的輕松控制，電機(jī)驅(qū)動電路如圖 57 所示。其中 Q2 為激勵級， 4 為功放級。在單片機(jī)的配合下，通過調(diào)脈寬的方法，實現(xiàn)了對驅(qū)動電機(jī)的輕松調(diào)速，可以使小車適應(yīng)各種不同的電源。 脈沖頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速也有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差，頻率低則反之。 當(dāng)小車從起跑線上出發(fā)碰到第二根黑線時系統(tǒng)就調(diào)用加速子程使小車加速行駛，相應(yīng)的發(fā)光管顯示小車的 加速 行駛狀態(tài)；當(dāng)小車碰到第三根黑線時調(diào)用限速子程，小車進(jìn)入限速區(qū)，相應(yīng)的發(fā)光管顯示小車的限速行駛狀態(tài)；當(dāng)小車 碰到第四根黑線時，小車已經(jīng)過了限速區(qū)，系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的程序控制小車有進(jìn)入加速行駛狀態(tài)；當(dāng)小車碰到第五根黑線時，小車又開始限速行駛直到小車到達(dá)第六根黑線即是終點線，系統(tǒng)調(diào)用子程控制小車停止行駛，同時停車行駛狀態(tài)顯示。接入了這三個發(fā)光二極管后，不但小車的運行狀態(tài)能夠更好的表現(xiàn)出來