【文章內(nèi)容簡介】 臺勵磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。且技術(shù)落后，因此擱置不用。 方案二：靜止可控整流器， 簡稱 VM系統(tǒng)。 VM系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 VM系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。它的另一個缺 點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。 方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓加到電動機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時，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)通時間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速?？?在行進(jìn)間變速，直道高速，彎道低速。 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) 1： 10000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)展方重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 9 向，本設(shè)計(jì)采用 PWM波 進(jìn)行調(diào)速。 PWM的產(chǎn)生 可通過單片機(jī) 中的定時器 來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限 ，因此 PWM的輸出需通過驅(qū)動電路才能驅(qū)動電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn) 。 綜上，考慮到本設(shè)計(jì)重在尋跡，且 PWM波可由軟件直接實(shí)現(xiàn)，簡單方便，因此本設(shè)計(jì)選擇方案三 。 電機(jī)驅(qū)動模塊 方案一： 在直流電機(jī)中 ，可 用功率管構(gòu)成驅(qū)動電路來驅(qū)動電機(jī) ，如 GTR集電極輸出型和射極輸出性驅(qū)動電路 。 其 性能可靠，具有自動保護(hù)功能， 但是它們都屬于不可逆變速控制 ， 其電流不能反向 ， 無制動能力 ， 也不能反向 驅(qū)動 ， 電機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn) ， 因此這種驅(qū)動電路受到了很大的限制。 方案二 ：采用集成芯片 L298N驅(qū)動直流電機(jī)。 L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A；額定功率 25W。內(nèi)含兩個 H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下 工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。 綜上分析，本設(shè)計(jì) 選擇方案二 。 電源模塊 方案一： 利用電池組構(gòu)成 5V電源，直接給系統(tǒng) 各部件 供電 ，此電路結(jié)構(gòu)簡單成本低，但穩(wěn)定性不好，電機(jī)工作時易產(chǎn)生較大干擾電流竄入控制系統(tǒng)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行 。 方案二：用電池串聯(lián) 68V電壓，接后續(xù)穩(wěn)壓電路，單片機(jī)與大電流器件分開供電，避免大電流器件對單片機(jī)造成干擾 。在不超過單片機(jī)工作電壓范圍的情況下，又能驅(qū)動直流電機(jī)。且 這個電源結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，容易得到。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇方案二。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 10 AT89C51 LN289N 直 流 電 機(jī) 晶振 復(fù)位 ST188 放大電路 電源 顯示模塊 本系統(tǒng)采用兩個顏色不同的的 LED燈來 顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況， 。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時， ， ，綠色 LED燈亮，紅燈熄滅，電機(jī)正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時， ， 輸出低電平，綠燈熄滅，紅燈亮，電機(jī)停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)須復(fù)位后才能正常運(yùn)行。 系統(tǒng) 工作原理 本次設(shè)計(jì)利用 ST188紅外傳感器作為路經(jīng)檢測元件，由于傳感器輸出信號微弱且?guī)в性胍舾蓴_，因此傳感器 輸出接放大電路（施密特觸發(fā)器）進(jìn)行濾波整形，將 傳感器 信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的高低電平以供單片機(jī)查詢。 系統(tǒng)上電后， 單片機(jī) 開始不停地掃描與 檢測電路 連接的 I/O 口 狀態(tài) 。 一旦檢測到某個 I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序， 并 通過電機(jī)驅(qū)動 LN298N驅(qū)動左、右電機(jī)。在驅(qū)動過程中， 單片機(jī)采用 T0定時計(jì)數(shù)器，通過來產(chǎn)生 PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 當(dāng)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時則小車直走，若不同則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。 小車轉(zhuǎn)向主要通過兩不同占空比的 PWM波 通過驅(qū)動電路來控制左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于占空比不同因此兩輪轉(zhuǎn)速不同，左輪快則向右轉(zhuǎn)反之 則左轉(zhuǎn) 從而糾正小車的狀態(tài) ，使之回到預(yù)設(shè)軌道上 。 系統(tǒng)原理圖如圖 。 圖 系統(tǒng)原理圖重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 11 根據(jù)各 模塊 方案 選擇 結(jié)果 ，本次設(shè)計(jì)所涉及到的硬件部分主要包括： 1) 電源模塊 ， 電源采用干電池接后續(xù)穩(wěn)壓電路為各模塊獨(dú)立供電。 2) 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 ，使單片機(jī)能正常工作。 3) 前向通道模塊 ，包括傳感器電路和放大電路。 4) 后向通道模塊 ，利用單片機(jī)通過驅(qū)動芯片 L298N驅(qū)動直流電機(jī)。 電源模塊設(shè)計(jì) 智能車電源設(shè)計(jì)要點(diǎn) 由于電機(jī)在正常工作時對電源的干擾很大 ， 只用一組電源時會影 響單片機(jī)的正常工作 ， 所以選用雙電源供電。一組 5V 電源給單片機(jī)和控制電路供電 ， 另外一組 5V、 9V 電源給 L298N 的 +VSS、 +VS供電。 電源是整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，因此必須有一個合理的電源設(shè)計(jì)， 且 應(yīng)該主要注意穩(wěn)壓壓差和最大輸出電流兩個指標(biāo)能否滿足設(shè)計(jì)要求。 對于小車來說電源設(shè)計(jì)應(yīng)注意兩點(diǎn)： 1. 與一般的穩(wěn)壓電源不同，小車的電池電壓一般在 68V ，還要考慮在電池?fù)p耗的情況下電壓的降低，因此常用的 78系列穩(wěn)壓芯片不再能夠滿足要求，因此必須采用低壓差的穩(wěn)壓芯片，在本 設(shè)計(jì) 中以較為常見的 為 核心器件 。 2. 單片機(jī)必須與大電流器件分開供電，避免大電流器件對單片機(jī)造成干擾，影響單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。 低壓差穩(wěn)壓芯片 LM2940 簡介 LM2940 系列是輸出電壓固定的低壓差三端端穩(wěn)壓器；輸出電壓有 5V、 8V、 10V 多種；最大輸出電流 1A；輸出電流 1A 時，最小輸入輸出電壓差小于 ；最大輸入電壓 26V；工作溫度 40～ +125℃；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。同時 LM2940 價(jià)格適中而且較容易購買，非常適合在本設(shè)計(jì)中使用。 封裝和實(shí)物圖如圖 所示。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 12 圖 LM2940 封裝和實(shí)物圖 從封裝可以看出 與 78 系列完全相同，實(shí)際應(yīng)用中電路也大同小異。圖 為參考電路圖。 圖 LM2940 參考電路圖 如圖 所示，采用兩路供電，這樣可以使用其中一路單獨(dú)為單片機(jī)，指示燈等供電。另外一路提供 L298N、光電管 工作電壓 。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) AT89C51是片內(nèi)有 ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單、可靠。用 89C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng) [4]時，只要將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路即可 [2]。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)：有可供用戶使用的大量 I/O口線 ，內(nèi)部存儲器容量有限， 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。 1) 時鐘電路 AT89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。 AT89C51單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩 。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 13 鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在 12MHZ之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求， CX CX2可在 20pF到 100pF之間取值。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇 ，電容選擇 30pF。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用 NPO電容。 2) 復(fù)位電路 AT89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST通過在每個機(jī)器周期的對復(fù)位電路采樣一次， 然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要 VCC的上升時間不超過 1ms， 就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位。時鐘頻率用 C取 10uF， R取 10KΩ 。控制器模塊如圖 。 圖 51 單片機(jī)最小系統(tǒng) 除 了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 RST端經(jīng)電阻與電源 Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖 。時鐘頻率選用 6MHZ時， C取 22uF，Rs取 200Ω， RK取 1KΩ。 X T A L 1X T A L 2RE SR11 0 kX1CR Y S T A LC13 0 pC23 0 pC31 0 u F重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 14 圖 80C51復(fù)位電路 3) 程序存儲器 MCS51具有 64kB程序存儲器尋址空間，可以分為片內(nèi) ROM空間和片外 ROM空間，主要用于存放程序（可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼映像文件，包括程序中的數(shù)據(jù)信息）以及初始化代碼等軟件。在 MCS51系列中， 8051/89C51片內(nèi)分別駐留最低地址空間的 4KB的 ROM/EPROM， 而 8031則無內(nèi)部程序存儲器，需要外部擴(kuò)展 EPROM[6]。 80C52內(nèi)部駐留最低地址空間的 8KB ROM， 8032無內(nèi)部程序存儲器，也需要外部擴(kuò)展EPROM[5]。 MCS51系列的程序計(jì)數(shù)器 PC是 16位的寄存器，它具有 64KB的尋址能力。在使用邏輯地址尋址程序存儲器時，不分內(nèi)部和外部， CPU會自動按指定地址去片內(nèi)或片外讀取程序的指令代碼。但是 MCS51不會把程序的執(zhí)行從程序存儲器地址空間轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲器地址空間，它不提供這種轉(zhuǎn)移指令 [5]。 前向通道設(shè)計(jì) 單片機(jī)用于測控系統(tǒng)時，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道 [5]。因此，前向通道設(shè)計(jì)與被測對 象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在前向通道設(shè)計(jì)時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計(jì)等。在通道電路設(shè)計(jì)中還涉及到模擬電路諸多問題。 1) 前向通道的含義 當(dāng)將單片機(jī)用作測 控系統(tǒng)時，系統(tǒng)中總要有被測信號輸入通道，有計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務(wù)，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。 對被測對象狀態(tài)的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因?yàn)楸粶y對象的狀態(tài)參數(shù)常常是一些非電物理量，如溫 度、壓力、載荷、位移等，而計(jì)算機(jī)是一個數(shù)字電路系統(tǒng)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有RS TRKC23 0 pCRS重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì) 15 重要地位。 對被測對象的信號的拾取其主要任務(wù)就是最忠實(shí)地反映被測對象的真實(shí)狀態(tài)，它包括實(shí)時性與測量精度。同時使這些測量信號能滿足計(jì)算機(jī)輸入接口的電平要求。 因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號輸入通道，原始參數(shù)輸入通道。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關(guān)的信號調(diào)節(jié)、變換電路 ， 故也可稱為傳感器接口通道 [7]。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對信號輸入、傳感、變換應(yīng)作廣義理解，例如開關(guān) 量的檢測及信號輸入，在單片機(jī)的各種應(yīng)用系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。最簡單的開關(guān)量輸入通道就是一個具有 TTL電平的狀態(tài)開關(guān)，如水銀溫度觸點(diǎn)、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關(guān)等。故只要反映外界狀態(tài)的信號輸入通道都可稱為前向通道。 并不是所有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都有前向通道，例如時序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時間序列來控制外部的運(yùn)行狀態(tài)；分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場測、控子站計(jì)算機(jī)之間的指