【文章內(nèi)容簡介】 脈寬調(diào)制器本身是一個由運算放大器和幾個輸入信號組成的電壓比較器。運算放大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點輸入信號就可使其輸出電壓達(dá)到飽和值，當(dāng)輸入電壓極性改變時，輸出電壓就在正、負(fù)飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉(zhuǎn)換作用。加在運算放大器反相輸入端上的有三個輸入信號。一個輸入信號是鋸齒波調(diào)制信號，另一個是控制電壓，其極性大小可隨時改變，與鋸齒波調(diào)制信號相減，從而在運算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調(diào)制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性,也就改變了PWM 變換器輸出平均電壓的極性,因而改變了電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。改變控制電壓的大小,則調(diào)節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度,從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。只要鋸齒波的線性度足夠好,輸出脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正比的。在可逆PWM 變換器中,跨接在電源兩端的上下兩個晶體管經(jīng)常交替工作。由于晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間,總稱關(guān)斷時間,在這段時間內(nèi)晶體管并未完全關(guān)斷。如果在此期間另一個晶體管已經(jīng)導(dǎo)通,則將造成上下兩管之通,從而使電源正負(fù)極短路。為避免發(fā)生這種情況,設(shè)置了由RC 電路構(gòu)成的延時環(huán)節(jié)。PWM是調(diào)節(jié)脈沖波占空比的一種方式。如圖1所示，脈沖的占空比可以用脈沖周期、Ontime、Offtime表示，如下公式：占空比＝Ontime（脈沖的High時間）/ 脈沖的一個周期（Ontime + Offtime）圖1 Pulse Width Modulation (PWM) 與VM系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（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。（4）對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對于模擬控制的一大優(yōu)點。根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計中受控電機(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現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限。為順利實現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設(shè)計采用了可逆PWM變換器?？赡鍼WM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)計中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。 。電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注意：，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機(jī)。要使電機(jī)運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 H橋驅(qū)動電路 要使電機(jī)運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時針方向）。 H橋電路驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時針方向）。 H橋驅(qū)動電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動雙極式PWM 變換器的優(yōu)點如下：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機(jī)在四象限中運行；（3）電機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000 左右。智能小車既然智能，至少要求其在行走的過程中不能碰到障礙物，所以其必須具有避障的功能。避障的基本原理為小車不斷發(fā)射某種東西（比如光或波），并不斷檢測這種東西的反射情況來判斷前面有無障礙。一般障礙檢測傳感器的選擇有兩種：A．利用光電開關(guān)。這種方法簡單實用，也很穩(wěn)定，而且接口電路簡單，甚至不用單獨設(shè)計接口電路。但是其體積較大，而且檢測距離不夠遠(yuǎn)，對障礙的要求也比較高，比如遇到玻璃之類的透明物體就不能有效識別了。B．利用超聲波。這種方法較為復(fù)雜，特別是接口電路的設(shè)計，有一定的難度，但其具有體積小、靈敏度高、檢測距離遠(yuǎn)、對障礙物要求不高等優(yōu)點。光電開關(guān)避障比較簡單，就是在一定距離內(nèi)有反射就認(rèn)為遇到障礙，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)接收靈敏度來小幅度調(diào)節(jié)避障距離，這種方式不需要單片機(jī)參與計算，所以可以為單片機(jī)節(jié)省資源；而超聲波的避障原理則相對復(fù)雜一些：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播 TCT4016T/R1速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄時間t，就可以計算出發(fā)射點距離障礙物的距離（s），即：s=340t/2。當(dāng)計算的距離小于程序中設(shè)定的障礙安全距離時，則認(rèn)為遇到障礙。所以這個距離可以方便的在程序中調(diào)節(jié)，但是這種避障方式需要單片機(jī)參與計算，占用了資源。綜合對比兩種方案的優(yōu)略，最終采用超聲波避障，從網(wǎng)絡(luò)上查得一種比較合適的超聲波傳感器，型號為TCT4016T/R1。 障礙檢測模塊的程序是在小車執(zhí)行語音命令前進(jìn)、左拐、右拐時在前進(jìn)、左拐、右拐的子程序中調(diào)用的，障礙檢測其實是個測距的過程。進(jìn)入否退出是否返回沒處理結(jié)果并置標(biāo)志位關(guān)外部中斷初始化發(fā)波開中斷是否超時沒進(jìn)入退出記下時間值否是是延時主程序流程圖 中斷程序流程圖 避障程序流程圖流程描述：在調(diào)用避障程序的時候，首先進(jìn)行初始化，然后發(fā)射幾個40KHz的波，同時開始計時，延時一斷時間再開中斷，延時的作用是避開余波信號的干擾，在中斷中記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，然后返回主程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，再得出距離并與安全距離比較，如果小于安全距離，則認(rèn)為遇到障礙，將障礙標(biāo)志位置1，反之置0。避障程序其實是個測距的程序，在小車前進(jìn)、左拐、右拐的過程中不斷的調(diào)用，不斷檢測障礙標(biāo)志位，當(dāng)障礙標(biāo)志位為1時就認(rèn)為遇到障礙了，下面以前進(jìn)程序的流程圖（）為例進(jìn)行說明，左拐、右拐的程序很相似。進(jìn)入退出是否有障沒前進(jìn)關(guān)識別器并初始化開識別器并停車是否有障沒是否超時急停否是是否是否 前進(jìn)程序流程圖流程描述：在接到前進(jìn)命令時，調(diào)用小車的前進(jìn)命令，首先關(guān)閉識別器，防止干擾，然后初始化相關(guān)端口，然后調(diào)用避障程序，看看是否小車前面本來就有障礙，如果有，則不前進(jìn)并播放遇到障礙語音提示，沒有的話就開始前進(jìn)，前進(jìn)的過程中不斷的調(diào)用避障程序，并檢測障礙標(biāo)志，當(dāng)障礙標(biāo)志為1時立即停車，并播放遇到障礙的語音提示。如果小車一直沒有遇到障礙，在前進(jìn)一段設(shè)定的時間后會自然停止。問題討論：由小車的避障程序和前進(jìn)程序可以看出，避障程序在等待回波中斷的時候浪費了不少時間，所以在循線中沒法實現(xiàn)避障，在此，提出一個解決方案：把數(shù)據(jù)處理程序都放到中斷程序里，這樣就能節(jié)省大量的時間而使得避障功能能在循線時實現(xiàn)了。由于時間問題，沒有對此方案進(jìn)行驗證。由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。方案1： ，電壓達(dá)到15V，經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。方案2：，經(jīng)過7812的電壓變換后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足，并且可以充電，重復(fù)利用，因此，這種方案比較可行。但鋰電池的價格過于昂貴，使用鋰電池會大大超出我們的預(yù)算，因此，我們放棄了這種方案。方案3：采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我們的車體設(shè)計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。綜上考慮，我們選擇了方案3。3 系統(tǒng)程序設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計說明：在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設(shè)計方法叫模塊程序設(shè)計法。在工業(yè)現(xiàn)場運行的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，由于壞境惡劣，常有強(qiáng)磁場、電源尖峰、電火花等外界干擾，這些干擾可能造成儀表中單片機(jī)的程序運行出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象，引起程序混亂，輸出或顯示不正確，甚至“死機(jī)”。系統(tǒng)無法繼續(xù)正常的運行，處在一種癱瘓狀態(tài)，它的硬件電路并沒有損壞，只是內(nèi)部程序運行出現(xiàn)了錯誤，這時，即使干擾消失，系統(tǒng)也不會恢復(fù)正常，這就需要采取一些措施來保障系統(tǒng)失控后能自動恢復(fù)正常，“程序運行幾天來視系統(tǒng)”（Watchdog看門狗）就是常用的一種抗干擾措施，用以保證系統(tǒng)因干擾失控后能自動復(fù)位。為使程序脫離“死循環(huán)”，通常采用“看門狗技術(shù)”?？撮T狗電路它實質(zhì)上是一個可由CPU復(fù)位的定時器，它的定時時間是固定不變的，一旦定時時間到，電路就產(chǎn)生復(fù)位信號或中斷信號。當(dāng)程序正常運行時，在小于定時時間隔內(nèi)，單片機(jī)輸出一信號刷新定時器，定時器處于不斷的重新定時過程，因此看門狗電路就不會產(chǎn)生復(fù)位信號或中斷信號，反之，當(dāng)程序因出現(xiàn)干擾而“跑飛”時，單片機(jī)不能刷新定時器，產(chǎn)生復(fù)位信號或產(chǎn)生中斷信號使單片機(jī)復(fù)位或中斷，在中斷程序中使其返回到起始程序，恢復(fù)正常。它的工作原理如同（圖31）所示的兩個計時周期不同的定時器T1和T2是兩個時鐘源相同的定時器，設(shè)T1=，T2=，而用T1定時器的溢出脈沖P1同時對T1和T2定時器清零，只要T1定時器工作正常，則定時器T2永遠(yuǎn)不可能計時溢出。當(dāng)T1定時器不在計時，定時器T2則會計時溢出，并產(chǎn)生溢出脈沖P2。一旦產(chǎn)生溢出脈沖P2，則表明T1出了故障。這里的T2即是看門狗。利用溢出脈沖P2并進(jìn)行巧妙的程序設(shè)計，可以檢測系統(tǒng)的出錯，而后使“飛掉”的程序重新恢復(fù)運行。圖31 看門狗工作原理示意圖看門狗電路的應(yīng)用，使單片機(jī)可以在無人關(guān)態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作?？撮T狗芯片和單片機(jī)的一個I/O引腳相連，該I/O引腳通過程序控制它定時地往看門狗的這個引腳上送入高電平（或低電平），這一程序語句是分散地放在單片機(jī)其它控制語句中間的，一旦單片機(jī)由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段不進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)時，寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行，這個時候，看門狗電路就會由于得不到單片機(jī)送來的信號，便在它和單片機(jī)復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個復(fù)位信號，使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位，即程序存儲器的起始位置開始執(zhí)行，這樣便實現(xiàn)了單片機(jī)的自動復(fù)位?！翱撮T狗”技術(shù)可由硬件實現(xiàn)，可由軟件實現(xiàn)，也可由兩者結(jié)合實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用硬件“看門狗”電路。實現(xiàn)硬件“看門狗”電路方案較多，目前采用較多的方案有以下幾種：采用微處理器監(jiān)控器；采用單穩(wěn)態(tài)電路來實現(xiàn)“看門狗”，單穩(wěn)定電路可采用74LS123。采用內(nèi)帶震蕩器的記數(shù)芯片。本設(shè)計采用第三種方案實現(xiàn)“看門狗”電路，下面就對該方案作以介紹。本系統(tǒng)采用MAX813L看門狗電路監(jiān)控單片機(jī)的工作，如果單片機(jī)工作不正常，看門狗電路在規(guī)定時是內(nèi)得不到刷新復(fù)位，就輸出信號強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位重新啟動工作，保證儀器正常工作。MAX813L主要有以下幾個功能：（1）上電、掉電以及降壓情況下具有RESET輸出。（2）獨立的“看門狗”電路?！翱撮T狗”。（3），用于低壓報警，適時監(jiān)視+5V以外的電源電壓。（4） 具有手工復(fù)位輸入端。MAX813L是MAXIM公司推出的低成本微處理器監(jiān)控芯片，封裝形式為8腳雙列直插式（DIP）和小型（SO）式封裝，引腳圖如（圖32）所示。 圖32 MAX813L引腳MAX813L引腳說明如下：（MR）：手動復(fù)位輸入端，當(dāng)該端輸入低電平保持140ms以上，MAX813L就輸出復(fù)位信號。該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效地消除開關(guān)的抖動。與TTL/CMOS兼容。（VCC）：5V電源。（GND）：電源地。（PFI）：電源檢測輸入端?？蓪⑿枰獧z測的電源連接于此，不用時接地或電源。（PFO）：電源檢測輸出端。被檢測電源正常時，輸出高電平，否則輸出低電平。（WDI）：“看門狗”輸入端，俗稱“喂狗”信號。程序正常運行時，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器。，則內(nèi)部定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?。（RESET）：上電時自動產(chǎn)生200ms的復(fù)位脈沖；手動復(fù)位端輸入低電平時，該端也產(chǎn)生復(fù)位信號輸出。（WDO）：“看門狗”輸出端“喂狗”，該腳即產(chǎn)生1個低電平信號。* 硬件實現(xiàn)電路圖（圖33）給出了MAX813L在系統(tǒng)中的線路圖。此電路可以實現(xiàn)上電、瞬時掉電以及程序運行出現(xiàn)“死機(jī)”時的自動復(fù)位和隨時的手動復(fù)位；并且可以實時地監(jiān)視電源故障，以便及時地保存數(shù)據(jù)。本電路巧秒地利用了MAX813L的手動復(fù)位輸入端。只要程序一旦跑飛引起程序