【文章內(nèi)容簡介】 何自動控制系統(tǒng)的正常工作極為重要，一旦發(fā)生故障，將會直接導致本 次 設(shè)計的失敗。 ● 高精度。在本次設(shè)計中對電機的響應精度要求較高，因為我們所加的脈沖寬度是毫秒級得，有時甚至是微秒級的。從廣義上而言，直流電機特性的線性度 14 和失靈區(qū)會直接影響到系統(tǒng)的精度。 ● 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行，具有良好的響應特性。 ● 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)的特性相同，且運行特性穩(wěn)定。 ● 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。 常用的控制電機有步進電機和直流電機兩大類。步進電機效率較低，功率較小，雖然近年來不斷有小體積大功率的步進電機出現(xiàn)，但其價格昂貴， 因此在小車類控制中常用 的是直流電機。直流電機能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘栕兂赊D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，用途很廣泛，主要有如下優(yōu)點 ： ● 寬廣的調(diào)速范圍。直流電機的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。 ● 線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性。直流電機在控制電壓一定時，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化 而變化。轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動態(tài)精度。 ● 與步進電機相比，小體積較易獲得大功率。 直流電機調(diào)速 原理 直流電動機轉(zhuǎn)速 可以用下式表示： n=(UIR)/Kφ 其中 U為電樞端電壓， I為電樞電流， R為電樞電路總電阻， φ 為每極磁通量， K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。 直流電機轉(zhuǎn)速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。大多數(shù)應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中 PWM(脈寬調(diào)制 )便是常用 的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。 PWM 調(diào)速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間比 (占空比 )來改變直流電機電樞上電壓的 占空比 ，從而改變平均電壓，控制電機的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉(zhuǎn)速。而且采用 PWM 技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng)．啟停時對直流系統(tǒng) 15 無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。 設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，且設(shè)占空比為 D=t／ T，則電機的 平均速度 Vd 為： Vd=VmaxD 由公式可知，當改變占空比 D=t／ T時，就可以得到不同的電機平均速度 Vd，從而達到調(diào)速的目的。嚴格地講，平均速度與占空比 D 并不是嚴格的線性關(guān)系，在一般的應用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。 在直流電機驅(qū)動控制電路中，PWM 信號由 單片機產(chǎn)生 ，驅(qū)動 L298N 的 H橋 左右兩邊的三極管 開關(guān)來改變直流電機電樞上平均電壓 的大小 ，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)直流電機 PWM 調(diào)速。 當用單片機 I/O 口輸出 PWM 信號時，可采用以下三種方法： 利用軟件延時。當高電平延時時間到時，對 I/O 口電平取反變成低 電平，然后再延時；當?shù)碗娖窖訒r到時，再對 I/O 口電平取反，如此循環(huán)就可得到 PWM信號。 利用定時器?？刂品椒ㄏ嗤?，只是在這里利用單片機定時器來定時進行高低電平的翻轉(zhuǎn)，而不用軟件延時。 利用單片機 單片機 自帶的 PWM 控制器。 但 本實驗用的 STC89C52并沒有 PWM控制器，所以采用定時器產(chǎn)生 PWM 信號。 L298N 雙 H 橋直流電機驅(qū)動芯片 簡介 電機驅(qū)動模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過電機控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實際的動作。本設(shè)計中采用的電機專用驅(qū)動芯片 L298N。 L298N 是歐洲著名的SGS 公司的產(chǎn)品 ，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動。設(shè)計用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平，驅(qū)動感性負載 (比如繼電器，直流電機 )，和開關(guān)電源晶體管。 L298N 芯片有一個電源引腳 VCC 和接地引腳 GND。四個電機驅(qū)動引腳和四個 PWM 波控制引腳。 VCC引腳可以接 +12V 電源用來給芯片和電動機供電。還可從板內(nèi)?。?5V 電壓用來給單片機部分供電。 可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動性能好 、 啟動轉(zhuǎn)矩大 、 可同時驅(qū)動兩臺直流電機 。 L298N 驅(qū)動電路實物如圖 38所示： 16 圖 38 L298N 驅(qū)動電路實物 其 原理圖 如圖 39 所示 。 . 圖 39 L298N 原理圖 圖 直流電機由驅(qū)動芯片 L298N 提供驅(qū)動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉(zhuǎn)。 L298N 可直接的對電機進行控制，無須隔離電路。由于需要驅(qū)動電路在接收到單片機發(fā)出的控制信號時就能立即做出動作因此使能端既 ENA、 ENB 引腳直接 +5v，即讓電機直使能。通過單片機 17 的 I/0 輸入芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，表 31是其輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。操作非常方便，能滿足直流減速電機的大電流 要求。 L298N 是雙 H橋驅(qū)動芯片，包含兩個 H橋電路。每個 H橋電路原理大體如圖 310所示： 圖 310 H橋電路圖 表 31輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 IN1(IN3) IN2(IN4) 電機運行情況 1 0 正轉(zhuǎn) 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 剎車 0 0 停止 若 H 橋的 1端為低電平， 2 端為高電平時，三極管 Q4導通， Q1截止，此時Q3 的基極為低電平， Q2 的基極為高電平，因此三極管 Q2 和 Q6 導通， Q3 和 Q5截止，電流流向如圖 311所示，電機正轉(zhuǎn)。 18 圖 311 電機正轉(zhuǎn) 示意圖 若 H 橋的 1端為 高電平， 2 端為低電平時，三極管 Q1導通， Q4截止，此時Q3 的基極為 高 電平， Q2 的基極為 低 電平，因此三極管 Q3 和 Q5 導通， Q2 和 Q6截止，電流流向如圖 312所示，電機 反 轉(zhuǎn)。 圖 312 電機 反 轉(zhuǎn) 示意圖 HC— SR04 超聲波測距模塊 HC— SR04 超聲波測距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 本模塊性能 19 穩(wěn)定，測度距離精確。能和國外的 SRF05,SRF02 等超聲波測距模塊相媲美。 模塊高精度，盲區(qū)（ 2cm）超近 。 如表 32所示 表 32 HC— SR04 超聲波測距模塊 參數(shù) 如圖 313 所示， 板上 各引腳 的含義： VCC 供 5v 電源 、 Trig觸發(fā)控制信號輸入 、 Echo 回響信號輸出 、 out（空腳）、 GND 為地線。 Trig 引腳是內(nèi)部上拉 10K的電阻，用單片機的 IO 口拉 高 Trig 引腳，然后給一個 持續(xù)時間 10us 以上的脈沖信號 ,OUT 腳為此模塊作為防盜模塊時的開關(guān)量輸出腳，測距模塊不用此腳 。但是此模塊應先插好在電路板上再通電，避免產(chǎn)生高電平的誤動作，如果產(chǎn)生了，重新通 電方可解決。 圖 313 HC— SR04 超聲波測距模塊實物圖 20 ● 采用 IO 口 Trig 觸發(fā)測距 ,給至少 lOus 的低電平信號； ● 模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測足否有信號返回； ● 如果有信號返回，通過 IO 口 Echo 輸出一個高電平脈沖，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。 把單片機的 P2 口的第四位定義為 Trig 位，單片機的 P3 口的第二位定義為Echo 位，然后單片機的引腳就可以直接用杜邦線接在超聲波傳感器的相應引腳上。因為單片機的引腳用作輸入口的時候需要先給單片機的相應引腳一個高電平，然后從才能輸入信號，因此在發(fā)送觸發(fā)脈沖的時候應先把單片機的相應引腳拉高。在程序中先用指令產(chǎn)生 一個 持續(xù)時間 20us的 低 電平 脈沖 ,就可以在接收口Echo 等待高電平輸出 。 一有 高電平 輸出就可以開 啟 定時器計時 ,當 Echo 引腳 變?yōu)榈碗娖綍r 關(guān)閉定時器 T0， 就可以讀 出 定時器的值 ,此時 定時器里面計下的數(shù)就是此 次測距 時超聲波傳播 的時間 ,就 可算出距離 。 如此不斷的 循環(huán) 測 量 ,就可以達到移動測量的 目的了。 圖 314 超聲波測距時序 圖 以上時序圖表明我們只需要提供一個 10us 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將自動發(fā)出 8 個 40kHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響 21 信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號的時間間隔可以計算得到距離。 距離 =高電平持續(xù)時間 *聲速 (340m/s)/2 超聲波測距原理及系統(tǒng)組成 超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的，設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為 t，超聲波在空氣中的傳播速度為 c，則從傳感器到目標物體的距離 D 可用下式 求出： D = ct /2 相應的系統(tǒng)框如圖 315 所示： 圖 315 超聲波測距原理框圖 基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長約 6mm，頻率為 40kHZ 的超聲波信號。此信號被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實質(zhì)上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產(chǎn)生 mV級的微弱電壓信號。 22 圖 316 超聲波檢測電路 速度檢測模塊 采用光電編碼器對驅(qū)動輪后輪的轉(zhuǎn)速進行了實時檢測，將反饋信號輸入核心控制單元，并進行處理，從而對直流電機的轉(zhuǎn)速、加減速進行準確快速的調(diào)節(jié)。本智能車的測速 采用光柵編碼器，它每轉(zhuǎn)動一圈都會輸出一定個數(shù)的脈沖，通過在單位時間內(nèi)測量得到的脈沖數(shù)，就可以得出電機的轉(zhuǎn)速。光柵編碼器由光柵盤和光柵式光電開關(guān)組成。光柵盤可以自己制作，光柵式光電開關(guān)為配對并集成的LED 管和光敏三極管。 LED(發(fā)射端 )的出射光照射到一小段距離之外的光敏三極管 (接收端 )上，傳感器的狀態(tài)隨出射光是否被遮擋而改變。光電開關(guān)外圍電路如圖 317 所示。 圖 317 經(jīng)施密特觸發(fā)器的光電開關(guān)外圍電路 23 電路 A為傳感器的發(fā)射端提供了限流電阻 R1。 Rl可以選 220Ω 一 1kΩ 。與反射 式光電開關(guān)不同的是，在這里 LED 管的亮度不需要很高。事實上，如果 LED管過亮，不僅增加功耗，而且紅外光容易穿過阻光區(qū)域，造成誤信號。因此，可以從高阻值的電阻開始選用 (約 1 kΩ )，當發(fā)生誤差信號問題時，只需將電阻值下調(diào)。 電路 B為傳感器接收器 (光敏三極管 )的外圍電路。如果接收端使用的是 PNP型光敏三極管，則采用電路 C。對 B與 C的兩個電路來說， R3 決定著靈敏度，其取值范圍由具體的接收端光敏三極管所決定，一般為 10 kΩ 一 20 MΩ 。但光電開關(guān)直接輸出的信號并不理想，為了使光電開關(guān)的輸出信號數(shù)字化，提高抗噪聲能 力，應用施密特觸發(fā)器。 使用施密特觸發(fā)器后，可將所得信號直接送給單片機，由單片機對其計數(shù)，進而算出小車的速度。 電源模塊的設(shè)計 智能小車的供電設(shè)施是一塊充電電池，它有 低成本 ， 循環(huán)壽命長 ， 無污染 ，安全性能好 ， 溫度使用范圍廣 等特點。最高輸出電壓 8V,有很強的續(xù)航能力。電機啟動時產(chǎn)生的電壓波動會嚴重影響單片機的正常工作，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)采用兩組電源供電如圖 318， 319所示∶ 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 28 D e c 2 00 8 S h e e t of F il e : E : \單片機材料 \材料 \自動進出庫小車 \ L ove Z Y X .D dbD r a w n B y:1 32V VG N DIN O U TI C 578 05D1L E D C 170. 1C 190. 15VG N D162534K G 112J6R 22 1KC 1810 00 UC 1647 0U12 V 圖 318 5V供電電路 24 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 28 D e c 2 00 8 S h e e t of F il e : E : \單片機材料 \材料 \自動進出庫小車 \ L ove Z Y X .D dbD r a w n B y:1 32V VG N DIN O U TI C 678 09 C 110. 1C 130. 19VG N DC 1210 00 UC 1047 0UC 1516 V \ 22 0uL168 U HC 14