【正文】 電動機(jī)上當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)直流電源與電動機(jī)斷開電動機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流兩端電壓接近于零脈沖寬度調(diào)制 Pulse Width Modulation 簡稱 PWM 脈沖周期不變只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí) 間即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速 與 VM 系統(tǒng)相比 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn) 1由于 PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流電樞電流容易連續(xù)系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)調(diào)速范圍較寬可達(dá)110000 左右由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好在相同的平均電流下電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小 2 同樣由于開關(guān)頻率高若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶因此快速響應(yīng)性能好動態(tài)抗擾能力強(qiáng) 3 由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)主電路損耗較小裝置效率較高 根據(jù)以上綜合比較以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電 機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向本設(shè)計(jì)采用了 H 型單極型可逆 PWM 變換器進(jìn)行調(diào)速 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器簡稱 PWM 變換器 脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)但是驅(qū)動能力有限為順利實(shí)現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車本設(shè)計(jì)采用了可逆 PWM變換器可逆 PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H型 T型等類型我們在設(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式 H型變換器它是由 4 個(gè)三極電力晶體管和 4 個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路 二 檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)光電檢測即利用各種傳感器對電動車的避障位置行車狀態(tài)進(jìn)行測量 1．行車起始終點(diǎn)及光線檢測 本系統(tǒng)采用 反射式紅外線光電傳感器用于檢測路面的起始終點(diǎn) 2cm 寬的黑線玩具車底盤上沿黑線放置一套以適應(yīng)起始的記數(shù)開始和終點(diǎn)的停車的需要利用超聲波傳感器檢測障礙光線跟蹤采用光敏三極管接收燈泡發(fā)出的光線當(dāng)感受到光線照射時(shí)其 ce 間的阻值下降檢測電路輸出高電平經(jīng) LM393 電壓比較器和74LS14 施密特觸發(fā)器整形后送單片機(jī)控制 本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)兩個(gè)光電三極管分別放置在電動車車頭的左右兩個(gè)方向用來控制電動車的行走方向當(dāng)左側(cè)光電管受到光照時(shí)單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左轉(zhuǎn)當(dāng)右側(cè)光電管受到光照時(shí)單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右轉(zhuǎn)當(dāng)左右兩側(cè)光電管都受到光照 時(shí)單片機(jī)控制直行見圖 21 電動車的方向檢測電路 a 行車方向檢測電路見圖 22 電動車的方向檢測電路 b 采用反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射接收傳感器該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通發(fā)出一個(gè)電平跳變信號 此套紅外光電傳感器固定在底盤前沿貼近地面正常行駛時(shí)發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收輸出高電平信號電動車經(jīng)過黑線時(shí)發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收接收端接收不到反射光線傳感器輸出低電 平信號后送 80C51 單片機(jī)處理判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來控制玩具車的行駛狀態(tài)前進(jìn)時(shí)驅(qū)動輪直流電機(jī)正轉(zhuǎn)進(jìn)入減速區(qū)時(shí)由單片機(jī)控制進(jìn)行 PWM 變頻調(diào)速通過軟件改變脈沖調(diào)寬波形的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速最后經(jīng)反接制動實(shí)現(xiàn)停車前行與倒車控制電路的核心是橋式電路和繼電器電橋上設(shè)置有兩組開關(guān)一組常閉另一組常開 圖 21 電動車的方向檢測電路 a 圖 22 電動車的方向檢測電路 b 電橋一端接電源另一端接了一個(gè)三極管三極管導(dǎo)通時(shí)電橋通過三極管接地電機(jī)電樞中有電流通過三極管截止時(shí)電橋浮空電機(jī)電樞中沒有電流通過系統(tǒng)通過電橋的輸出端為轉(zhuǎn) 向電機(jī)供電通過對繼電器開閉的控制即可控制電機(jī)的開斷和轉(zhuǎn)速方向進(jìn)而達(dá)到控制玩具車前行與倒車的目的實(shí)現(xiàn)隨動控制系統(tǒng)的糾偏功能如圖 23 前行與倒車控制電路所示 圖 23 前行與倒車控制電路 檢測放大器方案 方案一使用普通單級比例放大電路其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單調(diào)試方便價(jià)格低廉但是也存在著許多不足如抗干擾能力差共模抑制比低等 方案二采用差動放大電路選擇優(yōu)質(zhì)元件構(gòu)成比例放大電路雖然可以達(dá)到一定的精度但有時(shí)仍不能滿足某些特殊要求例如在測量本設(shè)計(jì)中的光電檢測信號時(shí)需要把檢測過來的電平信號放大并濾除干擾而且要求對共模干擾信號具有相當(dāng)強(qiáng) 的抑制能力這種情況下須采用差動放大電路并應(yīng)設(shè)法減小溫漂但在實(shí)際操作中往往滿足了高共模抑制比的要求卻使運(yùn)算放大器輸出飽和為獲得單片機(jī)能識別的 TTL 電平卻又無法抑制共模干擾 方案三電壓比較器方案電壓比較器的功能是比較兩個(gè)電壓的大小例如將一個(gè)信號電壓 Ui 和一個(gè)參考電壓 Ur 進(jìn)行比較在 Ui Ur 和 Ui Ur 兩種不同情況下電壓比較器輸出兩個(gè)不同的電平即高電平和低電平而 Ui變化經(jīng)過 Ur時(shí)比較器的輸出將從一個(gè)電壓跳變到另一個(gè)電平 比較器有各種不同的類型對它的要求是鑒別要準(zhǔn)確反應(yīng)要靈敏動作要迅速抗干擾能力要強(qiáng)還應(yīng)有一定的保護(hù) 措施以防止因過電壓或過電流而造成器件損壞 比較器的特點(diǎn) ⑴ 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)放大運(yùn)算電路為了實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定并滿足 一定的精度要求這些電路中的運(yùn)放均引入了深度負(fù)反饋而為了提高比較器的反應(yīng)速度和靈敏度它所采用的運(yùn)放不但沒有引入負(fù)反饋有時(shí)甚至還加正反饋因此比較器的性能分析方法與放大運(yùn)算電路是不同的 ⑵ 非線性由于比較器中運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)它的兩個(gè)輸入端之間的電位差與開環(huán)電壓放大倍數(shù)的乘積通常超過最大輸出電壓使其內(nèi)部某些管子進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)因此在絕大多數(shù)情況下輸出與輸入不成線性關(guān)系即在放大運(yùn)算等電路 中常用的計(jì)算方法對于比較器不再適用 ⑶1 盡可能使輸入信號接近理想情況使它在閾值附近的變化接近理想階躍 且幅度足夠大 2 選用集成電壓比較器 3 如果選用集成運(yùn)放構(gòu)成比較器為了提高響應(yīng)速度可以加限幅措施以避免集成運(yùn)放內(nèi)部的管子進(jìn) 入深飽和區(qū)具體措施多為在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并聯(lián)二極管如圖 24 電壓比較器電路所示 圖 242．行車距離檢測 由于紅外檢測具有反應(yīng)速度快定位精度高可靠性強(qiáng)以及 可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)故采用紅外光電碼盤測速方案具體電路同圖 25 行車距離檢測電路所示 圖 25 行車距離檢測電路 紅外測距儀由測距輪遮光盤紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的測長輪的周長為記數(shù)的單位最好取有效值為單一的數(shù)值如本設(shè)計(jì)中采用 0180C51 單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)根據(jù)預(yù)先實(shí)測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計(jì)算出電動機(jī)車的行車距離 三 顯示電路 本設(shè)計(jì)中用兩片 4位八段數(shù)碼管 gem4561ae作顯示器并具有雙重功能在小車不行駛時(shí)其中一片顯示年、月另一片顯示時(shí)、分 當(dāng)小車行駛時(shí)分別顯示時(shí)間和行駛距離 四 系統(tǒng)原理圖 簡易智能電動車采用 80C51 單片機(jī)進(jìn)行智能控制開始由手動啟動小車并復(fù)位當(dāng)經(jīng)過規(guī)定的起始黑線由超聲波傳感器和紅外光電傳感器檢測通過單片機(jī)控制小車開始記數(shù)顯示并避障調(diào)速系統(tǒng)的 自動避障功能通過超聲波傳感器正前方檢測和紅外光電傳感器左右側(cè)檢測由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)在電動車進(jìn)駛過程中采用雙極式 H型 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)以提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能采用動態(tài)共陰顯示行駛時(shí)間和里程 系統(tǒng)原理圖如圖 26 所示 圖 26 系統(tǒng)原理圖 第三章 硬件設(shè)計(jì) 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容一是系統(tǒng)擴(kuò)展即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元如 ROM、 RAM、 IO 口、定時(shí)記數(shù)器、中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展選擇適當(dāng)?shù)男酒O(shè)計(jì)相應(yīng)的電路二是系統(tǒng)配置既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備如鍵盤顯示器、打印機(jī) 、 AD、 DA 轉(zhuǎn)換器等要設(shè)計(jì)合適的接口電路 一 80C51 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 80C51 單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上 [2]如果按功能劃分它由如下功能部件組成即微處理器數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器并行 IO 口串行口定時(shí)器計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式 1 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè) 8 位的微處理器與通用的微處理器基本相同同樣包括了運(yùn)算器和控制器 兩大部分只是增加了面向控制的處理功能不僅可處理數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行位變量的處理 2 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為 128個(gè)字節(jié)片外最多可外擴(kuò)至 64k字節(jié)用來存儲程序在運(yùn)行期間的工作變量運(yùn)算的中間結(jié)果數(shù)據(jù)暫存和緩沖標(biāo)志位等所以稱為數(shù)據(jù)存儲器 3 程序存儲器 由于受集成