【文章內(nèi)容簡介】 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。(3) 與步進(jìn)電機(jī)相比，小體積較易獲得大功率。167。 直流電機(jī)調(diào)速原理直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速可以用式21表示： n=(UIR)/Kφ （21）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(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。直流電機(jī)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(yīng)用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)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(jī)電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時其速度增加，電機(jī)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(jī)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)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，且設(shè)占空比為D=t／T，則電機(jī)的平均速度Vd為：Vd=VmaxD （22）由公式可知，當(dāng)改變占空比D=t／T時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。 在直流電機(jī)驅(qū)動控制電路中，PWM信號由單片機(jī)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(jī)電樞上平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速。當(dāng)用單片機(jī)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(dāng)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(dāng)?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。控制方法相同，只是在這里利用單片機(jī)定時器來定時進(jìn)行高低電平的翻轉(zhuǎn)，而不用軟件延時。利用單片機(jī)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。167。 L298N電機(jī)驅(qū)動原理前面已經(jīng)提到，由于單片機(jī)的驅(qū)動能力不足，無法驅(qū)動像電機(jī)這樣的大功率外部器件，因此必須外加驅(qū)動電路。電機(jī)常用的驅(qū)動芯片很多，在本設(shè)計中筆者選用硬件設(shè)計簡單，驅(qū)動效率高的L298N作為電機(jī)驅(qū)動芯片，L298N芯片是一種集成大功率H橋芯片。電機(jī)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(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實際的動作。本設(shè)計中采用的L298N電機(jī)驅(qū)動電路板使用ST公司的L298N作為主驅(qū)動芯片，具有驅(qū)動能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。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(fù)載(比如繼電器，直流電機(jī))，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(jī)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(jī)供電。模塊板載7805三端穩(wěn)壓集成電路穩(wěn)壓芯片，可以方便給單片機(jī)以及其他需要5V的系統(tǒng)供電，前提是VCC接大于6V電壓?？蓪崿F(xiàn)電機(jī)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(jī)。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27所示：圖27 H橋電路圖若H橋的1端為低電平，2端為高電平時，三極管Q4導(dǎo)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(dǎo)通，Q3和Q5截止，電流流向如圖28所示，電機(jī)正轉(zhuǎn)。圖28電機(jī)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(dǎo)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(dǎo)通，Q2和Q6截止，電流流向如圖29所示，電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖29 電機(jī)反轉(zhuǎn)示意圖H橋電路雖然有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實際制作過程中，由于元件較多，電路的搭建較為麻煩，增加了硬件設(shè)計的復(fù)雜度，因此在本設(shè)計中筆者采用H橋集成驅(qū)動芯片L298N。L298N 的工作原理和以上介紹的H橋相同，引腳圖如圖210所示：圖210 集成H橋芯片L298N管腳圖直流電機(jī)由驅(qū)動芯片L298N提供驅(qū)動電機(jī)所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機(jī)上的電壓的平均值來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過單片機(jī)的I/0輸入芯片控制端的電平，即可以對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，表21是其輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。表21輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系IN1(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行情況10正轉(zhuǎn)01反轉(zhuǎn)11剎車00停止其外部電路原理圖如圖211所示。L298N芯片的1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，本電路未用到采樣所以將其接地。L298可以驅(qū)動2個直流電機(jī)，OUTOUT2和OUTOUT4之間分別接2個電動機(jī)。5腳、7腳、10腳、12腳接輸入控制信號，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB為電機(jī)控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)，、進(jìn)行PWM調(diào)速。操作非常方便，能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。圖211集成H橋芯片L298N外部電路原理圖VSS端口的電容是為了去除供電電壓的紋波波動，根據(jù)電容的阻直流通交流的特性，供電電壓的交流波動會通過此電容直流流向GND，這樣設(shè)計是為了使芯片的供電電源更穩(wěn)定有效。當(dāng)電感線圈通電后再斷電時，繞組兩端會產(chǎn)生一個比電源電壓高N倍，極性與電源電壓相反的反向電壓，這就是自感電動勢。這個反向電壓就會加在L298的功率開關(guān)器件上，將L298的功率開關(guān)器件擊穿燒壞，所以要建立一個泄放通道，將繞組自感電動勢所產(chǎn)生的高壓和電流釋放，以保護(hù)功率開關(guān)器件。輸出端口的八個續(xù)流二極管是為了消除電機(jī)轉(zhuǎn)動時的尖峰電壓保護(hù)電機(jī)而設(shè)計，簡化電路時可以不加。DD3，DD7兩組的作用分別為：M1電機(jī)正轉(zhuǎn)時，OUT1為正，OUT2為地，電流從OUT1經(jīng)M1繞組流向OUT2。當(dāng)切斷電流，電機(jī)停轉(zhuǎn)時M1電機(jī)繞組的感生電壓使OUT2為正，OUT1為負(fù)，這時接在正端(OUT2)的D6會正向?qū)?；而接在?fù)端(OUT1)的D3也導(dǎo)通將負(fù)端接地。為感生電流提供泄放通道向C1C14充電。這時，C1C14作為儲能器件將自感電流吸收儲存。電路中的二極管在為L298提供保護(hù)同時，也為感生電流向電源電路充電提供通道。CC2不但是濾波電容，也是儲能器件。167。 障礙物檢測電路設(shè)計避障檢測采用紅外傳感器，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計件等眾多場合。實物如圖212所示：其工作電壓為2—6v，滿足小車行進(jìn)過程中的電量消耗。圖212 紅外傳感器這種傳感器將發(fā)射管和接收管放置在一個塑料殼內(nèi)，發(fā)射管和接收管均為長方形，尺寸為4mm*3mm，系統(tǒng)中我們設(shè)計探測距離在30cm 左右,此時探測環(huán)境良好,不易受到其它光線的干擾。傳感器采用E18D80NK式反射紅外傳感器。該封裝形狀規(guī)則,便于安裝。探測距離在3CM到80CM范圍內(nèi)可調(diào),完全能滿足探測距離要求。傳感器由于發(fā)射和接受的是紅外光，所以常見光對它的干擾較小。光電反射式傳感器的原理圖如213所示，其具體原理為：當(dāng)電源穩(wěn)定供電時，紅外發(fā)射管不斷地發(fā)射出紅外光，當(dāng)發(fā)射出的紅外光遇到障礙物時，發(fā)射出的紅外光會發(fā)生漫反射，反射回傳感器，這時傳感器的三極管就會導(dǎo)通，傳感器的I/O端口與地導(dǎo)通，輸出為低電平，反之，發(fā)射出的紅外光沒有遇到障礙物，發(fā)射出的紅外光無法返回傳感器，傳感器的三極管就會截止，傳感器的I/O口經(jīng)10K歐的電阻與電源相連，輸出為高電平。所以從宏觀上來看，光電反射式傳感器在電路正常工作的情況下，有障礙物時輸出低電平，沒有障礙物時輸出高電平，為低電平有效器件。在實際測試中，需要指出，光電反射式傳感器是基于障礙物能反射部分紅外光，在極端條件下，比如黑色完全不反光的障礙物，這種障礙物能夠完全吸收紅外光，所以，光電反射式傳感器無法檢測這種障礙物，或者檢測精度下降。 圖213 E18D80NK型反射紅外傳感器原理圖E18D80NK型反射紅外傳感器的技術(shù)參數(shù)： DC：100mA/5V DC：25mA：1ms：15176。：380cm可調(diào)：反光物體（實際測試中黑色墻壁不可檢測）：25176。C ~ 55176。C：3000LX167。 報警電路設(shè)計報警模塊通過單片機(jī)給定不同頻率的高低電平利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。報警模塊電路圖如圖214所示。三極管主要是做驅(qū)動用的。因為單片機(jī)的IO口驅(qū)動能力不夠讓蜂鳴器發(fā)出聲音，所以通過三極管放大驅(qū)動電流，從而可以讓蜂鳴器發(fā)出聲音，三極管采用PNP型，當(dāng)輸出低電平，三極管導(dǎo)通，集電極電流通過蜂鳴器讓蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)輸出高電平時，三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，不會發(fā)出聲音。圖214 報警模塊電路圖167。 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計對于一個實際的電子系統(tǒng)，要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細(xì)考慮總功耗，電源實現(xiàn)的效率，電源部分對負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。由于本設(shè)計采用的芯片L298N電機(jī)驅(qū)動電路板可以提供+5V輸出，可以方便給5V的單片機(jī)供電，因此采用單電源給電機(jī)驅(qū)動芯片L298N供電即可。L298N理論上可以最高輸入46V，但是理論上L298N芯片的最高功率只有25W，在50V最高工作電壓時，實際模塊上有7805芯片給單片機(jī)提供5V，7805的正向工作電壓不應(yīng)超過28V，所以模塊VCC理論最大工作電壓不應(yīng)超過28V，實際建議不應(yīng)該超過24V，在24V工作電壓下，單個電機(jī)的電流不應(yīng)超過1A，；VCC輸入多少伏，完全取決于電機(jī)的額定電壓，OUT的高電平電壓等于VCC，低電平電壓等于0V，本設(shè)計采用的減速電機(jī)額定電壓為6V左右。7805三端穩(wěn)壓集成電路，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。穩(wěn)壓電路如圖215所示。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(diǎn)。它的容量為2A，有很強(qiáng)的續(xù)航能力。動力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。圖215穩(wěn)壓電源電路167。 系統(tǒng)整體電路設(shè)計根據(jù)本章前面對設(shè)計的各個相關(guān)模塊的分別講述講述，再結(jié)合單片機(jī)的引腳功能，從而得到系統(tǒng)整體電路圖，如圖216所示。圖216 系統(tǒng)整體電路圖167。 本章小結(jié)本章主要設(shè)計了智能避障機(jī)器人的硬件系統(tǒng)，包括主控電路設(shè)計、障礙物檢測電路設(shè)計、報警電路設(shè)計、穩(wěn)壓電源電路設(shè)計和電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計。對每一部分的硬件作了詳細(xì)介紹和電路設(shè)計，最終完成了智能避障機(jī)器人的整體電路原理圖設(shè)計和硬件組裝。26第3章 軟件設(shè)計簡介本設(shè)計采用的是模塊化的思路來進(jìn)行設(shè)計和編寫程序，程序主要由主程序模塊、延時模塊、驅(qū)動模塊、報警模塊、中斷模塊等五大部分組成，每一部分都針對相應(yīng)的硬件電路。由于本設(shè)計軟件部分是由搭檔來完成這里只作簡要介紹介紹，整機(jī)程序見附錄。167。 主程序模塊167。 程序控制設(shè)計小車的程序控制系統(tǒng)是由主程序模塊、延時模塊、驅(qū)動模塊、報警模塊、中斷模塊五大模塊相互配合組成。各個程序的功能不一樣其中PWM波產(chǎn)生子程序是利用單片機(jī)的定時器產(chǎn)生的其主要目的是利用產(chǎn)生的PWM波控制L29N的使能端使其電機(jī)的平均電壓隨著PWM波的占空比改變而改變，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)控制子程序則是通過定義L298N的IN端口信號分別控制電機(jī)的起、停、前進(jìn)和后退。避障子程序則是單片機(jī)檢測P17端口信號當(dāng)信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r開始控制左右電機(jī)的PWM波的占空比通過調(diào)節(jié)不同占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使小車轉(zhuǎn)彎自動避障。本次小車程序是利用C語言進(jìn)行編程通過不同子模塊的調(diào)用來實現(xiàn)小車自動避障。167。 主程序流程圖如圖31所示為系統(tǒng)主程序流程圖。首先小車進(jìn)行上電初始化程序，接下來單片機(jī)控制小車開始前進(jìn)，前進(jìn)過程中單片機(jī)通過紅外傳感器模塊不斷檢測前方30厘米內(nèi)障礙物，并將開關(guān)量傳送給單片機(jī)。當(dāng)檢測到前方有障礙物時，蜂鳴器報警與此同時單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)完成避障操作完，避障動作完成后小車?yán)^續(xù)前進(jìn)并檢測前方障礙物。開始初始化前進(jìn)蜂鳴器報警前方有障礙物？左轉(zhuǎn)90176。右轉(zhuǎn)180176。右轉(zhuǎn)90176。前方有障礙物？前方有障礙物？NYYYNN圖31 系統(tǒng)軟件的整體流程圖167。 初始化模塊該模塊對定時器T0、T1做初始化，使定時器控制字為0x11，即“00010001”，并使定時器關(guān)閉Gate門控位，也就是僅由單片機(jī)內(nèi)部的控制寄存器TCON決定定時器的工作與否，當(dāng)TR0=0時定時器0停止工作，當(dāng)TR0=1時定時器0正常工作。CT=0，也意味著定時器0工作在定時模式而不是計數(shù)模式，M1M0=01設(shè)置了定時器0的工作方式為方式一，為16位定時器計數(shù)器模式。167。 延時模塊這個模塊定義了延時函數(shù)，具體原理是，單片機(jī)執(zhí)行空操作100*Z條，其中Z為調(diào)用函數(shù)的形參，十二個晶振周期為一個指令周期，所以單片機(jī)的機(jī)器周期大約為1Mhz，也就是說，單片機(jī)在一秒之內(nèi)運(yùn)行1M條指令，那么單片機(jī)執(zhí)行一條指令的時間大約為一微妙，*Z的時間。167。 中斷模塊中斷模塊主要是完成PWM調(diào)速功能，PWM調(diào)速的原因是小車左輪右輪轉(zhuǎn)速不一樣，左輪轉(zhuǎn)速比右輪快20%，所以在兩輪全正