【文章內(nèi)容簡介】 調(diào)節(jié) ,調(diào)速范圍根據(jù)負載的要求而定。由公式 [1] ????eCRIUn ?? [1] 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 n :電 樞轉(zhuǎn)速 , Uα :電機端電壓 , Iα :電機端電流 , Rα :電樞電阻 , Ce :常數(shù) , φ :每極總磁通 可以看出 ,調(diào)速可以有三種方法 : （ 1）改變電機端電壓 Uα ,即改變電樞電源電壓 。 （ 2）改變磁通φ ,即改變激磁回路的調(diào)節(jié)電阻 Rj以改變激磁電流 Ij。 （ 3）在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻 Rtj。此時的轉(zhuǎn)速公式 [2]為 : ???? e tjCRRIUn )( ??? [2] 在實際電路設計中，改變電機的磁通φ或調(diào)節(jié)樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rtj并不方便、實用。因此，主要選擇通過改變電機兩端電壓的方法來實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。 下面是通過調(diào)節(jié)電機兩端電壓達到調(diào)速目的的三種方案： 方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率且實現(xiàn)困難。 方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短 、可靠性不高。 方案三：采用由達林頓管組成的 H型 PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關狀態(tài) ,精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下 ,效率非常高。 H型電路保證了可以簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術。 L298為 SGSTHOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片 (Dual FullBridge Driver) ，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。內(nèi)含二 HBridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 接收標準 TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動 46V、 2A以下的步進電機，輸出電壓最高可達 50V。 可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓 ， 可以直接用單片機的 IO口提供信號 ， 而且電路簡單，使用比較方便。 PWM脈寬調(diào)制實際上就是改變電機端電壓的平均值從而進行調(diào)速的一種方法。這種方法便于與單片機等數(shù)字系統(tǒng)接口，實現(xiàn)方便，而前兩種方法必須要配合一定的外圍模擬電路才能達到單片機控制目的，基于以上分析 , 在電動機驅(qū)動模塊上擬選定采用 PWM脈寬調(diào)制方法。 選用 L298雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片 。 167。 電源管理 167。 采用單電源供電 所有器件采用 12V 蓄電池為直流電機供電。將 12V 電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其它芯片供電。這樣供電比較簡單，但是由于電動機啟動瞬間電流很大，而且 PWM 驅(qū)動的電動機電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn) 、有毛刺等干擾，嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電，缺點十分明顯。因此我們放棄此方案。 167。 采用雙電源供電 采用雙電源供電方式。將電動機驅(qū)動電源與單片機以及周邊電路電源完全隔離。這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動機驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 蓄電池具有較強的電流 驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，故采用 12V蓄電池為 L298N 電機驅(qū)動芯片供給電源電壓。 L298N 接受標準 TTL 邏輯電平信號 VSS， VSS 可接 4． 5～ 7 V 電壓。 因此采用單一電源（ 4 節(jié) AA 電池）為單片機、 Vss 端和傳感器供電。這樣供電比較簡單采用 可充電動力電池組。動力電池組具有較強的電流驅(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，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 基于以上分析 ,小車系統(tǒng)選用蓄電池和 AA 電池的雙電源供電 方式。 167。 路面黑線探測模塊 探測路面黑線的大致原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強弱判斷車子是否到達黑線。 采用集成電路技術制造的新一代光電開關器件具有延時、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高和工作區(qū)域穩(wěn)定等優(yōu)良性能。這種光電開關采用脈沖調(diào)制的主動式光電探測系統(tǒng)，可在物位檢測、速度檢測、液位控制、計數(shù)、寬度判別等諸多領域。 使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復的圖像處理工作，反應靈敏，響應時間低，便 于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測距離有限，而且容易受到諸多擾動的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其造成干擾。在本次比賽中，賽道只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本項目中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。光電開關按檢測方式可分為對射式和反射式兩種。 167。 采用對射式紅外光電傳感器 用可見發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射－接收分立對管光電傳感器 。這種方案的缺點在于，其他環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判。雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。在跑道上設置檢測裝置很不方便，故無法應用對射式光電開關探測跑道標志，只能采用反射式光電開關。 167。 采用反射式紅外光電傳感器 1. 不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射－接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾；但如果直接使用直流電壓對管子進行供電，限河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 于管子的平均功率要求，工作電流只能在 10mA 左右，仍然容易受到干擾。 2. 脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射－接收器。 采用帶有交流分量的調(diào)制信號，可以減少環(huán)境光源的直流分量的干擾 ?？紤]到環(huán)境光干擾主要是直流分量，如果采用帶有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界干擾。另外，紅外發(fā)射管的最大工作電流取決于平均電流，如果使用占空比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流可以很大（ 50～ 100mA），這樣也大大提高了信噪比。 基于上述考慮， 考慮到本系統(tǒng)的傳感器主要是安裝在小車的底部檢測黑線，擬采用經(jīng)脈沖調(diào)制的反射式紅外傳感器檢測路面黑線。 167。 測速及里程計量模塊 167。 采用霍爾傳感器 霍 爾傳感器內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當磁鋼正對金屬板時，由于霍爾效應，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在車輪上安裝磁鋼，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進行車速測量。此方案的優(yōu)點是霍爾傳感器響應速度快，結(jié)構(gòu)簡單，但精度不夠高。 167。 采用 U 型紅外光電傳感器 采用 U 型紅外光電傳感器， 在車輪上貼上白紙黑條，當作光電編碼盤，當車輪轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤轉(zhuǎn)動，利用紅外傳感器對不同顏色的物體反射的光線強度的不同，從而導致接收管的導通和截止。用中斷對接收到的信號進行計數(shù)。 碼盤形狀如圖 22 所示： 圖 22 測 速 碼盤 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 以上兩種都是比較可行的轉(zhuǎn)速測量方案。尤其是霍爾元件，在工業(yè)上得到廣泛采用。但是在本題中，小車的車輪較小，方案一的磁片密集安裝十分困難，容易產(chǎn)生相互干擾。相反，方案二適用于精度較高的場合，可以車輪上加較多的黑線來滿足脈沖計數(shù)的精度要求，因此擬采用方案二。 167。 計時模塊 對于定時器，由于我們選用的單片機內(nèi)部已經(jīng)有定時器了，使用單片機內(nèi)部的定時器已經(jīng)可以實現(xiàn)系統(tǒng)的總計時和倒計時功能，而且可以簡化系統(tǒng)硬件，雖然定時時間沒有專用的計時芯片精確，但誤差也不會很大。故我們采用單片機內(nèi)部的定時器作為計時模塊。 167。 顯示模塊 167。 采用 LED 數(shù)碼管 LED顯示具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、調(diào)試方便、軟件實現(xiàn)相對容易等優(yōu)點，但占用單片機 IO口太多，而且顯示的信息不多。由于我們計劃要顯示小車運行時間、速度、路程等內(nèi)容。 LED數(shù)碼管無法顯示如此豐富的內(nèi)容，因此我們放棄此方案。 167。 采用 LCD 液晶顯示 采用 LCD液晶顯示。用自帶中文字符庫的液晶顯示模塊，顯示方便美觀，而且人機交互界面也很友好。采用串口通訊的顯示方式，可以大大節(jié)省單片機的 IO口。 LCD液晶具有功耗低、顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，顯示速度較快，界面友好等而得 到廣泛應用，因此我們選擇此方案。 通過以上方案論述我們選擇方案二，顯示小車運行時各個測量參數(shù)的任務。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 第 3章 智能小車 系統(tǒng) 設計 167。 主控單片機功能設計 智能小車系統(tǒng)的核心模塊即為主控單片機。選擇一片數(shù)據(jù)處理 能力強大、 片內(nèi)資源豐富的單片機，對設計各功能的更好實現(xiàn)具有極大意義。 一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如 ROM﹑ RAM﹑ I/O口﹑定時 /記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等。若不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如 液晶顯示器﹑ A/D﹑ D/A轉(zhuǎn)換器等，且需要設計合適的接口電路。 SST89E516RD是 SST公司 8位微處理器 FlashFlex51系列的成員，是采用先進的閃存 CMOS半導體技術設計和制造，芯片采用 8051的指令集，并和標準的 8051控制器管腳兼容。 芯片內(nèi)部帶有 72Kbyte的片內(nèi) FLASH EEPROM存儲器，使用了 SST公司專利的 CMOS閃存技術。單片機已經(jīng)預先燒錄一段引導下裝（ BOOT STRAP LOADER）的代碼，通過 IAP 操作，實現(xiàn)開始的用戶程序代碼燒錄和以后的用戶代碼升級。 CHIPERASE 操作會擦除該引導下裝程序。使用在線 SoftICE模式，不需要反復的將調(diào)試程序下載到單片機中，避免了單片機的老化損壞，可方便的與 Keil C實現(xiàn) SoftICE在線仿真調(diào)試功能 。 故 本次畢業(yè)設計選用 SST89E516RD作為智能小車主控單片機。 167。 單片機硬件結(jié)構(gòu) SST89E516RD 單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行 I/O 口、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器 。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 1．中斷系統(tǒng) ： 具有 5 個中斷源， 2 級中斷優(yōu)先權(quán)。 2．定時器 /計數(shù)器 ： 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器， 具有四種工作河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 方式。 3．串行口 ： 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進行串行通訊，擴展并行 I/O 口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。 4． P1 口、 P2 口、 P3 口、 P4 口為 4 個并行 8 位 I/O 口。 圖 31為單片機的功能方 框圖： 圖 31 SST89E516RD 功能方框圖 由上可見， SST89E516RD 單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點 ，在數(shù)據(jù)采集，運算處理方面有明顯的長處。 豐富的外部中斷、 I/O口資源 滿足 智能小車 的各種控制需求。 167。 單片機引腳鎖定 SST89E516RD單片機具有豐富的 I/O口資源 和外部中斷。 小車運行過程中需要實時進行黑線探測和測速、里程計量， 當 CPU正在處理某項事務時，如果外界或內(nèi)部發(fā)生了緊急事件， 例如小車檢測到黑線或測速傳感器檢測到車河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 輪轉(zhuǎn)動等， 要求 CPU暫停正在處理 的工作轉(zhuǎn)而處理這個緊急事件，待處理完成后再回到被中斷的地方，繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序 。 SST系列單片機允許有5個中斷源，提供兩個中斷優(yōu)先級（能實現(xiàn)二級中斷嵌套）。 ， 端口 ，可分別用來檢測黑線和測速 、里程計量 。 設定 0INT 、 1INT 為跳變觸發(fā)方式，電平發(fā)生由高到低的跳變時觸發(fā)，置 IT0、 IT1為 1，在 CPU響應中斷后，由內(nèi)部硬件自動復位中斷標志 TF0、 TF1和 IE0、 IE1，而自動撤出中斷請求。 下面圖 32為兩個外部中斷接收、處理并發(fā)出相應控制指令流程框圖 ： 圖 32 外部中斷控制 引腳鎖定及 流程 框圖 0INT 來自 （外中斷 0）。 1INT 來自 （外中斷 1）。