【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速。 PWM 的理論基礎(chǔ)是：沖量相等而形狀不同的的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。采用 PWM 進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速控制，實(shí)際是保持加在電機(jī)電機(jī)電樞上的脈沖電壓頻率不變，調(diào)節(jié)其脈沖寬度。電機(jī)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，它的電樞電流餓轉(zhuǎn)速均不能突變，很高的頻率的 PWM 加在電機(jī)上，效果相當(dāng)于施加一個(gè)恒定電壓的直流電。如圖 36 所示。這個(gè)電壓可以由脈沖的寬度調(diào)節(jié)。 3 硬件設(shè)計(jì) 12 圖 36 PWM 等效圖示意圖 使用 PWM 方式可以很容易的實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 PWM 信號(hào)由單片機(jī)軟件產(chǎn)生，使用非常方便。由于電路總體上并不復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)電路的控制輸入端也可以不用經(jīng)光耦合隔離，直接與單片機(jī)引腳相連。 前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)都正轉(zhuǎn) ,后退時(shí)，則兩電機(jī)都反轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn)時(shí)前進(jìn)時(shí)，左電機(jī)不轉(zhuǎn)而右電機(jī)正轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)，則右電機(jī)不轉(zhuǎn)而左電機(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(guò)軟件改變脈沖調(diào)寬波形 的占空比 ,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。所有這些都是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)控制。 循跡檢測(cè)電路 該智能小車(chē)在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色。由于黑紙和白色路面對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷道路 ——黑紙軌跡。本設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單易用，應(yīng)用也較為普遍的紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)法，即用紅外線在不同顏色的物表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外線遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑紙則紅外光被吸收，小車(chē)上的接收管接收不到信號(hào)。 市面上用于紅外探測(cè)法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡(jiǎn)單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠的集成式紅外探測(cè)頭。 ST 系列集成紅外探測(cè)頭價(jià)格便宜。體積小。簡(jiǎn)便易用，性能可靠。所以本設(shè)計(jì)選擇了 ST178 反射式紅外線光電傳感器作為紅外光的發(fā)射和接受器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡(jiǎn)單 . 本系統(tǒng)采用反射式紅外線光電傳感器 ST178 進(jìn)行軌跡檢測(cè)（約 3cm 寬的黑線），反射式紅外光電傳感器 ST178 由一個(gè)高發(fā)射功率紅外發(fā)光管和一個(gè)高度靈敏光晶體管3 硬件設(shè)計(jì) 13 封裝在一個(gè)塑料外殼里組成，一般檢測(cè)距離可達(dá) 4~10cm,鑒于小 車(chē)底部聚地面的距離不超過(guò)五厘米，故用紅外光電傳感器足以滿足地面黑線的檢測(cè)。且安裝電路簡(jiǎn)單。檢測(cè)電路如圖 37 所示 。 圖 37 ST168 檢測(cè)電路 正確選擇檢測(cè)方法和傳感器是決定循跡效果的重要因素，而正確的器件安裝方法也是影響循跡電路好壞的一個(gè)重要因素。從簡(jiǎn)單。方便?？煽康冉嵌瘸霭l(fā)，設(shè)計(jì)裝設(shè)四個(gè)紅外傳感器，及采用四套上面的電路。具體位置分布如圖 38 所示。此套紅外光電傳感器固定在底盤(pán)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(hào)；電動(dòng)車(chē)經(jīng)過(guò)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(hào)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(lái)控制玩具車(chē)的行駛狀態(tài) 。 圖 38 循線傳感器布局 障礙物檢測(cè)電路 本設(shè)計(jì)中小車(chē)采用超聲波檢測(cè)障礙物。超聲波檢測(cè)的原理是：超聲波發(fā)生器 T 發(fā)出超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)遇到障礙物時(shí)反射回來(lái)，被接收器 R 收到。為使小車(chē)能準(zhǔn)3 硬件設(shè)計(jì) 14 確避障，設(shè)計(jì)在小車(chē)的車(chē)體前端左右兩側(cè)分別各裝一個(gè)超聲波傳感器。小車(chē)則可以根據(jù)接收到的信號(hào)做出相應(yīng)的避障反應(yīng)。超聲波發(fā)射和檢測(cè)接收電路如圖 39， 310 所示 。 圖 39 超聲波發(fā)射電路 圖 310 超聲波接收電路 設(shè)計(jì)中還加了一個(gè)聲光報(bào)警功能，當(dāng)小車(chē)檢測(cè)到障礙物時(shí)，小車(chē)的報(bào)警系統(tǒng)中的蜂鳴器鳴叫，同時(shí)指示 LED 發(fā)光。直到小車(chē)避開(kāi)障礙物，警報(bào)排除。 超聲波傳感器簡(jiǎn)介： 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱 向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中 傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十 KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。 超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類(lèi)。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（ PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā) 送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為 2325KHZ 及 4045KHZ。這類(lèi)傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有 T/R4060， T/R4012 等（其中 T 表示發(fā)送， R 表示接收， 40 表示頻率為 40KHZ，16 及 12 表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（ MA40EI 型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開(kāi)關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類(lèi)型，透射型用 于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門(mén)、接近開(kāi)關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等 [15]。這里我們只需要利用超聲波檢測(cè)到前方障礙物，返回信號(hào)即可。 3 硬件設(shè)計(jì) 15 光源檢測(cè)電路 光敏電路如圖 311 所示。通過(guò)調(diào)節(jié) RP2 可以改變電路檢測(cè)的靈敏度。這里采用多個(gè)光敏陣列管。本設(shè)計(jì)使用六套下面的電路。按照一定的方式排列。為了達(dá)到較好的檢測(cè)，這里選擇將光敏陣列排成一個(gè)放射狀。本設(shè)計(jì)采用六個(gè)光敏管組成，為了使得一個(gè)光敏管只對(duì)一個(gè)小的角度內(nèi)的強(qiáng)光遠(yuǎn)敏感，考慮在光敏感外面加一個(gè)遮光罩。實(shí)物陣列排列方式如圖 312。考慮到提高小車(chē)的光源搜索效率，將光敏陣列安裝在小車(chē)的頂部，靠車(chē)頭的位置。 圖 311 光源檢測(cè)電路 圖 312 光敏管陣列 速度檢測(cè)電路 本設(shè)計(jì)使用光電碼盤(pán)作為測(cè)量元件。光電碼盤(pán)是一種光電器件。分為絕對(duì)式和增量式兩種。這里采用增量式。他在現(xiàn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可以輸出 A、 B 兩相脈沖，每旋轉(zhuǎn)一周輸出一脈沖，通過(guò)對(duì) A、 B 兩相脈沖計(jì)數(shù)就可以確定光電碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度。其計(jì)數(shù)原理如圖 313 所示 。 . 3 硬件設(shè)計(jì) 16 圖 313 碼盤(pán)計(jì)數(shù)原理 從上圖可以看出，在 光 電碼盤(pán)器輸出脈沖的一個(gè)周期內(nèi)最多可記四次數(shù)。而我們使用的是經(jīng)改進(jìn)的光電碼盤(pán)，如圖 314碼盤(pán)中的透射式光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射管和接收管經(jīng)過(guò)了對(duì)準(zhǔn)，當(dāng)光槽中無(wú)障礙時(shí)光路是通的，當(dāng)有障礙物時(shí)光路斷開(kāi)。如果發(fā)射管和接收管之間的障礙物時(shí)有時(shí)無(wú)，則接收管的狀態(tài)就呈現(xiàn) 0和 1的交替，形成脈沖信號(hào)。只要對(duì)這個(gè)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以得到小車(chē)的行程。光電開(kāi)關(guān)的靈敏度很高，可以分辨出很小的間隙。車(chē)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，可以檢測(cè)到十二個(gè)信號(hào)。我們?cè)谲?chē)輪的軸上安裝的碼盤(pán)與車(chē)輪同軸同步旋轉(zhuǎn)，就可以得到車(chē)輪 旋轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果精度高。它常用的檢測(cè)電路與反射式光電傳感器一樣，這里就不再贅述。 小車(chē)一周內(nèi)可計(jì)數(shù) 12次，小車(chē)的行駛一周的行程范圍約為 ,因此可計(jì)算出行程的測(cè)量精度可以達(dá)到 1cm，可以達(dá)到小車(chē)的精度要求。小車(chē)的速度 v等于小車(chē)行駛路程 s除以小車(chē)行駛時(shí)間 t。 圖 314 碼盤(pán) 液晶顯示電路 這里使用 1602液晶顯示器。其連接電路如下圖 315 3 硬件設(shè)計(jì) 17 圖 315 液晶顯示電路 1602字符液晶如圖 316 圖 316 1602字符液晶顯示屏 1602采用標(biāo)準(zhǔn)的 16腳接口，引腳介 紹 見(jiàn)表 33. 表 33 1602引腳介紹 引腳號(hào) 功能介紹 第 1腳 VSS 為電源地 第 2腳 VDD 接 5V 電源正極 第 3腳 V0 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比 度最高 第 4腳 RS 為寄存器選擇，高電平 1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平 0時(shí)選擇指令寄存器 第 5腳 RW 為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平 (1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平 (0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作 第 6腳 E(或 EN) 為使能 (enable)端 第 7~14腳D0~D7 為 8位雙向數(shù)據(jù)端 第 15~16腳 空腳或背燈電源。 15腳背光正極， 16腳背光負(fù)極 4 軟件設(shè)計(jì) 18 4 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制流程 圖 41 控制系統(tǒng)的流程圖 算法設(shè)計(jì) 循跡算法設(shè)計(jì) 循跡控制算法的流程如 42所示。 4 軟件設(shè)計(jì) 19 圖 42 循跡控制 根據(jù)傳感器的布局，可以將傳感器位置用數(shù)字標(biāo)記，檢測(cè)到黑線用數(shù)字 ‘0’表示，沒(méi)有檢測(cè)到，也即檢測(cè)到白線用數(shù)字 ‘1’表示。為不漏掉狀態(tài)，我們先考慮了四個(gè)傳感器的所有十六種狀態(tài)，剛好可以用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。 在初 始狀態(tài)下，黑線應(yīng)位于傳感器的中間，此時(shí) 3傳感器檢測(cè)到黑線，即四個(gè)傳感器的狀態(tài)分別為 0、 0、 1，表示為二進(jìn)制數(shù)是 1001，此時(shí)小車(chē)前進(jìn)。 當(dāng)小車(chē)從中間逐漸往左偏離軌道黑線時(shí)，即黑線在小車(chē)右邊，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)有 1000、1100、 11 1101。此時(shí)小車(chē)應(yīng)左轉(zhuǎn)。 當(dāng)小車(chē)往右偏離時(shí)，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)有 000 001 011 1011。此時(shí)小車(chē)應(yīng)左轉(zhuǎn)。 還有最后一種狀態(tài)就是四個(gè)傳感器都檢測(cè)不到黑線，此時(shí)說(shuō)明小車(chē)已行駛到中點(diǎn)，或者可能完全脫離了軌到，說(shuō)明此次循跡失敗，停車(chē)。 在實(shí)際行駛過(guò)程中，由于軌道設(shè)計(jì)了很 多銳角，鈍角，小車(chē)需要轉(zhuǎn)彎的角度較大，為防止轉(zhuǎn)彎過(guò)程中小車(chē)擺動(dòng)角度過(guò)大而沖出軌道，導(dǎo)致小車(chē)無(wú)法返回，先讓小車(chē)后退，再執(zhí)行轉(zhuǎn)彎。實(shí)踐證明這種算法可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)靈敏的轉(zhuǎn)彎 。 避障的問(wèn)題可以很復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、編程及調(diào)試，宜使用一種比較簡(jiǎn)單的解決方法?？紤]到小車(chē)的速度和能檢測(cè)到障礙物的距離，為避免小車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)撞上障礙物，設(shè)計(jì)小車(chē)檢測(cè)到障礙物后先后退，然后左轉(zhuǎn)，再次檢測(cè)障礙物，繼續(xù)調(diào)整，直至繞過(guò)障礙物。 這個(gè)避障的程序不能保證對(duì)所有的障礙物布局情況都能順利的避障，但對(duì)大多數(shù)的情況確實(shí)能有效地 進(jìn)行避障。障礙物的檢測(cè)距離和小車(chē)的轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)避障的效果有較大的影響，根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整轉(zhuǎn)彎角度可以達(dá)到較好的避障效果。 測(cè)速算法設(shè)計(jì) 對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制既可采用開(kāi)環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。與開(kāi)環(huán)控制相比，速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大 提高；理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比）要小得多；當(dāng)要求的靜差率相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。無(wú)刷直流電機(jī)的速度控制方案如圖 43所示。 4 軟件設(shè)計(jì) 20 圖 43 電機(jī)速度控制 PID 控制算法 PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制中。數(shù)字 PID控制算法是將模擬 PID離散化得到，各參數(shù)有著明顯的物理意義，調(diào)整方便，所以 PID控制器很受工程技術(shù)人員的喜愛(ài)。 PID控制器各控制環(huán)節(jié)的作用是這樣的，比例控制 (P控制 )即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，積分控制 (I控制 )主要用于消除靜差，微分控制 (D控制 )反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )。比例控制是對(duì)現(xiàn)在誤差的一種校正，積分 控制是對(duì)過(guò)去誤差的校正，而微分控制是對(duì)將來(lái)可能的誤差的校正。數(shù)字 PID控制算法如圖 44所示 . 圖 44 PID控制算法的簡(jiǎn)化示意圖 ， …… 式（ 41） 或者 …… 式（ 42） 式中 u0— 控制量的基值，即 k=0時(shí)的控制； u（ k） — 第 k個(gè)采樣時(shí)刻的控制； KP—— 比例放大系數(shù)； KI—— 積分放大系數(shù)； 。 KD—— 微分放大系數(shù)； 。 TS—— 采樣周期5 調(diào)試 21 5 調(diào)試 調(diào)試方法 由于本次實(shí)驗(yàn)需要捍接的電路模塊較多，特別是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)于電源電流的需要極大， 我們先以直插式１２Ｖ電源開(kāi)始調(diào)試，小車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。但直插式電源對(duì)于運(yùn)動(dòng)的小車(chē)是個(gè)很大的束縛，極為不方便。所以考慮采用電池供電。市面上常用的有干電池和蓄電池。由于小車(chē)相當(dāng)耗電，９Ｖ的干電池用不了多久，就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件很難穩(wěn)定地給單片機(jī)送正確值的情況。只有當(dāng)更換新電池或小車(chē)剛剛啟動(dòng)時(shí)才會(huì)很準(zhǔn)確，經(jīng)過(guò)思考，這都是開(kāi)關(guān)元件消耗電量很大的原因，一旦電池電量不足其工作將會(huì)萎靡不振，于是我們可充電的蓄電池給小車(chē)供電，選擇合適的蓄電池可以很好的滿足小車(chē)耗電量大的情況。 在前輪 PWM驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電路運(yùn)行中，我們發(fā)現(xiàn)，電機(jī)只給一個(gè)轉(zhuǎn) 向力，但保持長(zhǎng)期