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一種輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-文庫吧資料

2025-06-28 05:41本頁面
  

【正文】 D2 的作用是防止電池向 LM317 反向供電。 開關(guān) Sl 為繼電器的動(dòng)作端,當(dāng)停止充電時(shí) Sl 開路。R 的功率不小于電流的平方乘以電阻,因此必須選用合適的功率電阻,不能使用普通的 1/4W 電阻。27 圖 充電及電壓檢測(cè)電路示意圖 其中,LM317 是飛兆半導(dǎo)體公司出品的三端可調(diào)穩(wěn)壓塊,如圖接法作為恒流源使用。通過微控制器內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集電池電壓,當(dāng)電池電壓的變化率出現(xiàn)負(fù)值,則通過繼電器切斷充電電路的輸入電源,停止充電,以防止埋電池過充電。溫度超出設(shè)定值時(shí)任何電池都得停止充電。這個(gè)方法通常用于恒定電流充電,適用于電池的快速充電。對(duì)于某些類型的電池,當(dāng)電池充滿后繼續(xù)充電將導(dǎo)致電壓的下降。對(duì)于 NiCd 電池和 NiMH 電池本方法可以作為后備的判斷停止充電方案。為了防止充電時(shí)電流過大導(dǎo)致電池過熱,此時(shí)電流限制是非常關(guān)鍵的。通常與恒定電流充電配合使用。適用于各種電池。通常用于快速充電時(shí)的后備方案。有時(shí)候溫度不容易測(cè)得,但可以測(cè)得電壓,或者是其他情況。因此,埋電池的充電電路必須符合其充電特性要求,即對(duì)停止充電的判定必須嚴(yán)格準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)中充電電流為 ,即 300mA。最大第三章 移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)26充電電流往往以電池容量的數(shù)值來表示。設(shè)計(jì)中,上述功能主要通過電池電壓檢測(cè)、電池充電電路及聲光報(bào)警電路三部分實(shí)現(xiàn)。 (4)控制電路中,紅外一體化接收頭必須有良好的電源濾波,以減少電源紋波對(duì)傳感器內(nèi)部電路的干擾。 (3)二極管的選擇。輸入電容應(yīng)大于 ,并要求盡量靠近電路;而輸出F?47電容推薦使用的電容量為 ~ ,其耐壓值應(yīng)大于額定輸出的 ~2 倍。根據(jù)輸出的電壓檔次、最大輸入電壓 Vin(MAX)、最大負(fù)載電流ILoad( MAX )等參數(shù)選擇電感時(shí)可參照產(chǎn)品手冊(cè)上相應(yīng)的電感曲線圖來查找所需采用的電感值。25 圖 3. 13 移動(dòng)機(jī)器人電源部分電路原理圖 其中,Vin 引腳是未穩(wěn)壓電壓輸入端;OUTPUT 引腳是開關(guān)電壓輸出,接電感及肖特基二極管;GND 引腳是電源地;FEEDBACK 引腳是反饋輸入端,將穩(wěn)壓輸出的電壓接到反饋輸入端的目的是同內(nèi)部電壓基準(zhǔn)比較,若電壓偏低,則用放大器來控制內(nèi)部振蕩器以提高輸出占空比,從而提高輸出電壓;ON/OFF 引腳是控制輸入端,接低電平時(shí),穩(wěn)壓電路工作;接高電平時(shí),穩(wěn)壓電路關(guān)斷。 LM2575 系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路最大輸出電流 1A;最大輸入電壓為 45V;內(nèi)置振蕩頻率 54kHz;最大穩(wěn)壓誤差 4;轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 75 %~88%( 不同的電壓輸出的效率不同)。 為了消除線性穩(wěn)壓的弊端,有效提高能源利用效率,本課題采用單片開關(guān)式 1A 穩(wěn)壓電路 LM257512 和 LM25755 作為系統(tǒng)電源的核心。這是由于 78XX 系列穩(wěn)壓塊均采用線性調(diào)壓原理,即輸入高電壓和輸出穩(wěn)壓值之間的壓差全部以發(fā)熱的形式消耗。而機(jī)器人控制電路需要+5V 直流供電,驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分則需要+12V 直流供電。并且,埋電池具有輸出電流大,無記憶效應(yīng)、無污染、電池循環(huán)充放電次數(shù)多(壽命長) 等優(yōu)點(diǎn)。 綜合考慮移動(dòng)機(jī)器人自重、單次工作時(shí)間以及電池體積、維護(hù)成本等多方面因素,我們將單節(jié)容量 600mAH,額定電壓 的鏗電池 4 節(jié)串連后使用,作為移動(dòng)機(jī)器人的車載能源。 本課題設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人,能耗主要來源于機(jī)器人控制電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩部分。BIT (K1)) {第三章 移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)24//special functions for Klwhile (PINBamp。 以下是主程序中檢測(cè) 1 鍵是否按下的部分源碼。當(dāng) 17 腳為高電平時(shí) 315MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào),當(dāng) 17 腳為低平時(shí) 315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩。 如果發(fā)送端一直按住按鍵,編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。 編碼芯片 PT2262 發(fā)出的編碼信號(hào)由:地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字,解碼芯片 PT2272 接收到信號(hào)后,其地址碼經(jīng)過兩次比較核對(duì)后,VT 腳才輸出高電平,與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。PT2262/2272是一種 CMOS 工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路,PT2262/2272 最多可有 12 位(A0All)三態(tài)地址端管腳(懸空、接高電平、接低電平),任意組合可提供 531441 地址碼。只需將編碼器的數(shù)據(jù)輸出端與 RF 發(fā)射模塊的 DATA IN 引腳連接,RF 接收模塊的 DATA OUT 引腳與解碼器的數(shù)據(jù)輸入端 14 連接,系統(tǒng)即可正常工作。 其中,發(fā)射和接收電路采用模塊化的 315MHz 超再生式 RF 收發(fā)模塊。通過和編碼模塊配套使用的解碼模塊,即可從串行碼中分離出相應(yīng)鍵值。串行碼由發(fā)射電路調(diào)制到高頻載波,通過天線向外發(fā)射。 圖 3. 12 遙操作模塊工作原理圖 移動(dòng)機(jī)器人遙操作模塊的工作原理如圖 所示。 在瞬間高頻振動(dòng)的時(shí)刻,原來一個(gè)方波周期內(nèi)可能包含幾個(gè)高頻方波脈沖,如果計(jì)數(shù)電路中不加措施就會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)結(jié)果偏離實(shí)際值,引起誤計(jì)數(shù)。 實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,將 D 觸發(fā)器的輸出端 Wl 與微控制器 PBO 引腳連接。反轉(zhuǎn)時(shí),Out_A 信號(hào)的相位延后 Out_B 信號(hào) 90 度,Wl 輸出始終為低電平。圖 3. 12 示意了光電編碼器正轉(zhuǎn)時(shí),Out_A、Out_B 的信號(hào)波形和鑒相電路的輸出。圖 3. 10 鑒相電路原理圖 光電編碼器輸出的 Out_A 和 Out_B 分別接至 D 觸發(fā)器時(shí)鐘端 Clk 和控制端 D。通過對(duì)光電編碼器所輸出的相位差 90 度的兩路電壓脈沖信號(hào) Out_A 和 Out_B 進(jìn)行鑒相,就能夠判別車輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 光電編碼器的鑒相 光電編碼器與機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)車輪同軸安裝,該軸的正反轉(zhuǎn)代表了移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)和后退兩種相反的運(yùn)動(dòng)方向。實(shí)際編程中,使用微控制器定時(shí)器 0 產(chǎn)生的 1KHz 時(shí)基中斷產(chǎn)生固定時(shí)間段。通過編制中斷子函數(shù),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光電編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算,經(jīng)換算后即得轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過的精確角位移。 本設(shè)計(jì)中基于 T 法測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。(2) T 法測(cè)速:測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來確定被測(cè)速度的方法叫做 T 法測(cè)速,適合于低速時(shí)測(cè)量。其中,Out_A 和 Out_B兩路信號(hào)相位差為 90 度,可通過 Out_A 和 Out_B 的相位關(guān)系,判斷主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。一般圓盤上還設(shè)有定相標(biāo)志,產(chǎn)生零信號(hào),每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè),又稱基準(zhǔn)脈沖。光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤以及裝在圓盤兩側(cè)的發(fā)光元件和光敏元件組成。本設(shè)計(jì)中,采用增量式光電編碼器測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人左右兩方輪子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而通過特定算法得到實(shí)時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的 PWM 控制量,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)第三章 移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)20控制。19 圖 3. 9 微控制器內(nèi)置 PWM 信號(hào)時(shí)序圖因此,在運(yùn)動(dòng)過程中,只需改變 OCRlA/B 的值就可完成對(duì)左右兩個(gè)電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)速。此高頻操作特性使得快速 PWM 模式十分適合于功率調(diào)節(jié),整流和DAC 應(yīng)用。輸出比較引腳 OClx 在 TCNTl 與 OCRlx 匹配時(shí)置位,在 TOP 時(shí)清零??焖?PWM 模式采用其單邊斜坡工作方式。 設(shè)定定時(shí)/計(jì)數(shù)器 1 工作于快速 PWM 模式。本設(shè)計(jì)只需對(duì)四個(gè)直流電機(jī)和四個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,故選用同屬于 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 1 的 2 通道 PWM 單元 OClA,OC1B。具體電路如圖 3. 9 所示,微控制器的硬件 PWM 輸出端口 OClA 和 OC1B 分別接至 L293D 的 ENl 和 EN2 作為使能信號(hào),通用 IO 口 PA2 和 PA3 通過反相器邏輯處理后,接至 L293D 的 INl~I(xiàn)N4 控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。亦即,不論電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),INl 與 IN2 電平始終絕對(duì)相反,而兩者同相時(shí)所達(dá)到的控制目的——電機(jī)停轉(zhuǎn),完全可通過將使能端 ENA 的邏輯電平置零實(shí)現(xiàn)。 圖 3. 7 L293D 內(nèi)部電路原理 其中,INl~I(xiàn)N4 為電機(jī)工作控制端分,通過不同的電壓邏輯組合,分別決定兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向;ENABLE 1~2 為電機(jī)工作使能端,分別連接至微控制器的兩路 PWM 輸17出信號(hào);VS 為電機(jī)的工作電源輸入端,最高可達(dá)+36V,本設(shè)計(jì)按照電機(jī)的標(biāo)稱值采用+12V 供電;VSS 為 L293D 的芯片工作電源輸入端,本設(shè)計(jì)中采用默認(rèn)值,+5V 供電。并且 L293D 具有發(fā)熱量低、體積小以及節(jié)省印刷電路板面積等優(yōu)點(diǎn),因此非常適合于本文的的設(shè)計(jì)需要。本課題采用意法半導(dǎo)體公司的 L293D 專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片作為移動(dòng)機(jī)器人左、右驅(qū)動(dòng)輪的直流電機(jī)的核心功率模塊。故本設(shè)計(jì)中,采用 PWM 控制方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。占空比的方式,即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,縮寫為 PWM);另一種第三章 移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)16方式為導(dǎo)通脈沖寬度,恒定,通過改變開關(guān)頻率( )來改變占空比,亦即脈沖頻率Tf1?調(diào)制(PulseFrequency Modulation,縮寫為 PFM)。 改變占空比有兩種調(diào)制方法。電壓平均值 可用下式表示:Uav (31)UtSSonavT?? 式中 為開關(guān)每次接通的時(shí)間, 為開關(guān)通斷的時(shí)間周期, 為占空比,ton ?。這種控制方式很容易在微控制器中實(shí)現(xiàn)。 絕大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。 線性放大驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)。現(xiàn)在,大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞控制方法。15 直流電機(jī) PWM 調(diào)速 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩類:調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的勵(lì)磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法。該直流電機(jī)具有優(yōu)良的速度控制性能,具體來說,它有下列優(yōu)點(diǎn): (1) 具有較大的轉(zhuǎn)矩,以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩; (2) 調(diào)速范圍寬,且運(yùn)行速度平穩(wěn); (3) 具有快速響應(yīng)能力,可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化; (4) 電機(jī)的負(fù)載特性硬,有較大的過載能力,確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主要通過對(duì)這八個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),包括速度和轉(zhuǎn)向的控制。 圖 3. 6 JTAG 仿真接口電路原理圖當(dāng)需要在線下載程序或調(diào)試系統(tǒng)時(shí),需將下載電纜或調(diào)試接線一端插入目標(biāo)板相應(yīng)插座,另一端連至計(jì)算機(jī)的 25 針并口,之后啟動(dòng)相應(yīng)軟件即可進(jìn)行操作。由于沒有外圍零件,故 PB5 (MOSI)、PB6 (MISO)、 PB7 (SCK)、復(fù)位腳仍可以正常使用,不受 ISP 的干擾。(4)ISP 在系統(tǒng)編程和 JTAG 仿真接口ISP 下載接口,不需要任何的外圍零件,原理圖見圖 。本設(shè)計(jì)采用芯片內(nèi)部自帶的參考電壓。 圖 3. 4 AD 轉(zhuǎn)換濾波電路原理圖ATMEGAI6 內(nèi)帶 標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。為減小 AD 轉(zhuǎn)換的電源干擾,ATMEGAI6 芯片有獨(dú)立的 AD 電源供電??紤]到線路的規(guī)范,設(shè)計(jì)時(shí)并未省略 CC2。圖 3. 3 晶振電路原理圖早期的 90S 系列微控制器,晶振兩端均需要接 22pF 左右的電容。但內(nèi)置 RC 振蕩的誤差受溫度影響波動(dòng)較大,并且使用內(nèi)部 RC 振蕩所產(chǎn)生的功耗遠(yuǎn)大于使用外部晶振,故本設(shè)計(jì)采用 8M 外部石英晶振作為系統(tǒng)振蕩源。當(dāng) AVR 在工作時(shí),按下 S0 開關(guān)時(shí),復(fù)位腳 RESET 變成低電平,觸發(fā) AVR 芯片復(fù)位。微控制器復(fù)位電路的原理圖如圖 3. 2 所示。并且在熔絲位里,可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間,故 AVR 外部的復(fù)位線路在上電時(shí),可以設(shè)計(jì)得很簡單:直接拉一只 l0K 的電阻到 VCC 即可。 ATMEGA16 微控制器最小系統(tǒng)電路ATMEGA16 微控制器最小系統(tǒng)的硬件線路,主要包括復(fù)位線路、晶振線路、AD轉(zhuǎn)換濾波線路、ISP 下載接口和 JTAG 仿真接口等幾部分。 ATMEGA16 微控制器特點(diǎn)1997 年,ATMEL 挪威設(shè)計(jì)中心出于市場(chǎng)考慮,充分發(fā)揮其 Flash 技術(shù)優(yōu)勢(shì),推出全新的精簡指令集(RISC)微控制器,簡稱 AVR 微控制器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率,并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。ATmegal6 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。同時(shí),為實(shí)現(xiàn)電路完成后的程序升級(jí),微控制器需支持代碼在系統(tǒng)下載功能。此外,為便于日后擴(kuò)展移動(dòng)機(jī)器人的功能,微控制器應(yīng)具有較強(qiáng)的 I/O 能力。并且該種微控制器的片內(nèi)資源應(yīng)當(dāng)較為豐富,以減小電路板面積并提高整機(jī)穩(wěn)定性。在硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中,對(duì)微控制器的選型往往需要考慮諸多因素,本課題的微控制器選用依據(jù)主要包括以下幾個(gè)方面:(1) 對(duì)于微控制器類型,目前國內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)采用的微控制器有多種,如飛思卡爾微控制器、東芝微控制器,甚至有的設(shè)計(jì)采用更高檔 16 位、32 位微控制器。 微控制器的選用依據(jù)微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件,直接影響到控制系統(tǒng)的功能和性能。與 CPU 相比,MCU 的最大特點(diǎn)是使 PC 機(jī)單片化,體積大大減小,功耗和成本下降,可靠性提高。微控制器是一種嵌入式微處理器,顧名
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