【正文】 ............................................... 29 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 2 總 結(jié) ................................................................................................................................. 32 致 謝 ................................................................................................................................. 34 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 35 附錄 1 小車控制狀態(tài)流程圖 .......................................................................................... 36 附錄二 整機(jī)電路圖 ......................................................................................................... 37 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 前言 1 前 言 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展 ,中小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)越來(lái)越多地采用脈寬調(diào)制系統(tǒng)。 脈寬調(diào)制 (PWM)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種調(diào)速形式 , 脈寬調(diào)制 (PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。近年來(lái)，電氣傳動(dòng)的 PWM 控制技術(shù)以成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。 80 年代，以晶閘管為功率開(kāi) 關(guān)器件的斬波調(diào)速器以其無(wú)級(jí)、高效、節(jié)能而得到大力推廣 。 因此直流斬波調(diào)速呼喚快速自關(guān)斷器件 。 脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)是利用數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，現(xiàn)在越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 課題研究的意義 2 課題研究的意義、國(guó)內(nèi)外有關(guān)課題的研究動(dòng)態(tài)和自己的見(jiàn)解 研究的意義 隨著現(xiàn)代交通的飛速發(fā)展，汽車的智能化控制已經(jīng)成為汽車工業(yè) 發(fā)展上 關(guān)注的焦點(diǎn)。 由于單片機(jī) 系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛 ，我們可以用 MCS51 的單片機(jī)控制系統(tǒng)，利用脈沖寬度調(diào)制 （ PWM）對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行 調(diào)速 控制，實(shí)現(xiàn) 對(duì) 小車調(diào)速的智能化 控制 。 國(guó)內(nèi)外有關(guān)課題的研究動(dòng)態(tài) 隨著技術(shù)的發(fā)展， 國(guó)內(nèi)國(guó)外 電氣 行業(yè)對(duì)電機(jī)的 傳動(dòng)在起制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度，調(diào)速范圍，靜態(tài)范圍，靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)因其具有良好的調(diào)速和控制性能 ,仍在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 .脈寬調(diào)制 (PWM)直流調(diào)速系統(tǒng)由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,低速性能好和損耗小等優(yōu)點(diǎn)在直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛 ,其中脈寬調(diào)制變換器的性能決定了調(diào)速系統(tǒng)的特性 [1]。 課題研究的主要內(nèi)容、擬解決的關(guān)鍵性問(wèn)題和預(yù)期的成果 課題的主 要內(nèi)容 利用脈寬調(diào)制原理，設(shè)計(jì)并制造一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線和終點(diǎn)線間的小汽車，使小車實(shí)現(xiàn)智能化行駛。最后在顯示器上顯示出小車行駛過(guò)的路程和走完全程所用的時(shí)間。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 課題研究的意義 3 如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn) PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。 1） 輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（ H 橋或推挽 電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路）入手。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。數(shù)據(jù)采集部分用什么來(lái)接收信 號(hào)比較好，并且受外界的影響也能降到最低，還能迅速的把接收到的信號(hào)準(zhǔn)確的傳到指定的地方。 預(yù)期的成果 通過(guò)脈寬調(diào)制對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，小車從起跑線出發(fā)， 在跑道上 每碰到一次黑線根據(jù)接收到的信號(hào)，小車變換一次行駛狀態(tài)， 每次變換行駛狀態(tài)都有亮燈顯示，不同的狀態(tài)用不同的顏色表示， 到達(dá)終點(diǎn)后，停留 10 秒，然后自 動(dòng)返回起跑線。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 4 2 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線和終點(diǎn)線間的小汽車，要求從起跑線出發(fā)，每碰一次黑線根據(jù)收到的信號(hào)，通過(guò)直流電機(jī)的調(diào)速，就變換一次狀態(tài)，每次變換都有燈亮顯示，不同狀態(tài)用不同的顏色表示，到達(dá)終點(diǎn)后停留 10s，然后自動(dòng)返回起跑線，并在顯示器上顯示小車行駛過(guò)的路程和走完全程所用時(shí)間。 在跑道的 B、 C、 D、 E、 F、 G各點(diǎn)處畫有 6根 2cm寬的黑線，各段的長(zhǎng)度如圖21所示。 2. 到達(dá)終點(diǎn)線和起跑線時(shí)，停車位置的偏差應(yīng)最小。 4. 本設(shè)計(jì)用了三個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管來(lái)顯示小車正處在何種 速度行駛 狀態(tài)， 小車每次進(jìn)入一種行駛狀態(tài)就亮一種顏色的燈來(lái)顯示其行駛的狀態(tài)。接入了這三個(gè)發(fā)光二極管后，不但小車的運(yùn)行狀態(tài)能夠更好的表現(xiàn)出來(lái)，更重要的是，在軟件調(diào)試中，這三個(gè)發(fā)光二極管可以給我們很大的參照，可以提示我們程序運(yùn)行到什么位置，是否按照要求輸出快速的 PWM 波形或者是慢速 PWM 波形。當(dāng)小車從起跑線上出發(fā)碰到第二根黑線時(shí) ， 系統(tǒng)就調(diào)用加速子程使小車加速行駛，相應(yīng)的發(fā)光管顯示小車的加速行駛狀態(tài)；當(dāng)小車碰到第三根黑線時(shí)調(diào)用限速子程，小車進(jìn)入限速區(qū)，相應(yīng)的發(fā)光管顯示小車的限速行駛狀態(tài)；當(dāng)小車碰到第四根黑線時(shí)，小車已經(jīng)過(guò)了限速區(qū)，系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的程序控制小車有進(jìn)入加速行駛狀態(tài)；當(dāng)小車碰到第五根黑線時(shí)，小車又開(kāi)始限速行駛直到小車到達(dá)第六根黑線即是終點(diǎn)線，系統(tǒng)調(diào)用子程控制小車停 止行駛，同時(shí)停車行駛狀態(tài)顯示。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 裝有直流電動(dòng)機(jī)的小車的控制系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)為核心， 實(shí)現(xiàn)小車調(diào)速的智能化，單片機(jī)微型控制系統(tǒng)模塊對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，并通過(guò)軟件程序來(lái)完成復(fù)雜的 調(diào)速 控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要根據(jù)單片機(jī)傳入的信號(hào)控制小車的運(yùn)動(dòng)；用 LED數(shù)碼管完成信息顯示。 系統(tǒng)組成框圖 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)車速控制要 求很高，準(zhǔn)確的定位以及慢速要求，為減少硬件開(kāi)銷，我們考慮利用軟件脈寬調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的調(diào)速控制。單片機(jī)對(duì)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理，從 號(hào)輸出信號(hào)控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，使 小車的行駛速度得以調(diào)整；小車返回起點(diǎn)后，立即從單片機(jī)的串行通信口輸出數(shù)據(jù)顯示已行駛的距離和所用的時(shí)間。為了使汽車與固定點(diǎn)保持聯(lián)絡(luò)，本系統(tǒng)加裝了紅外數(shù)碼傳感器裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的行駛過(guò)程定位。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案 的 選擇 根據(jù)課題研究的目的，系統(tǒng)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)在上電啟動(dòng)后根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)已有很多種方式，但我們?cè)O(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)時(shí)要根據(jù)實(shí) 際情況 分析論證， 選用最適合本設(shè)計(jì)的方案。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。 方案二： 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。 方案三： 利用 8050、 8550 等不同三極管的組合，構(gòu)造一座“橋”，實(shí) 現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輕松控制。在單片機(jī)的配合下，通過(guò)調(diào)脈寬的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，可以使小車適應(yīng)各種不同的電源。 信號(hào)檢測(cè) 方案 的 選擇 系統(tǒng)中小車在跑道上行駛需要對(duì)跑道上的黑線進(jìn)行識(shí)別和判斷，這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須有對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的電路以把信息送給單片機(jī)來(lái)控制小車的行駛狀態(tài)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證 8 方案一： 可見(jiàn)光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射 — 接收電路。 方案二： 不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射 — 接收器。這個(gè)檢測(cè)器具有體積小、靈敏度高、線性好等特點(diǎn)，外圍電路及電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝方便、電源要求不高、性能穩(wěn)定可靠。 顯示模塊方案的選擇 系統(tǒng)最終要求現(xiàn)實(shí) 對(duì) 小車行駛的路程以及所用的時(shí)間 的顯示 ，這就要求我們必須要一個(gè)顯示模塊來(lái)顯示這個(gè)結(jié)果信息。液晶顯示器不但能顯示數(shù)字還能顯示漢字，給人以清晰，完善的解釋。 方案二： MAX7219 驅(qū) 動(dòng)的 數(shù)碼 管 顯示器。 系統(tǒng)要求顯示小車行駛的路程和整個(gè)路程所用的時(shí)間，都是數(shù)字顯示，不需顯示漢字，所以選用 MAX7219 驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管顯示更好，即選擇方案二。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證 9 方案一 ： 所有器件采用單一電源（ 6 節(jié) AA 電池）。 方案二： 采用自制穩(wěn)壓電源。 方案 三 ： 采用 雙電源供電。這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 綜合以上 所有方案的論證 ， 本 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的主要特色 是 ： （ 1） 高效的 H 型 PWM 電路 ，提高電源利用率。 （ 3） 優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動(dòng)控制，定位精確。 （ 5） 采用 紅外探測(cè)提高小車智能化 的控制 系統(tǒng)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 系統(tǒng) CPU 的選擇 104 系統(tǒng) CPU 的選擇 單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的介紹 MCS51 等系列單片機(jī) 每 一類芯片的 RAM 和 ROM 根 據(jù)工藝的 許 可和用 戶 的要求，一 般 有：片內(nèi)帶 掩膜 ROM、片內(nèi)帶 EPROM 和外接 EPROM 的 三 種 形 式， 這 是 Intel 公司 的 首創(chuàng) ，現(xiàn)已成為單片機(jī)的統(tǒng)一規(guī) 范 。片內(nèi)帶 掩膜 型 ROM 適 合于定型大 批 量應(yīng)用產(chǎn)品的 生 產(chǎn) ； 片內(nèi)帶 EPROM 適 合于 研 制產(chǎn)品 樣 機(jī) ； 外接 EPROM 的方式 適 用于 研 制新產(chǎn)品。 8031 片內(nèi) 無(wú) ROM 程序存儲(chǔ)器 ； 8051 片內(nèi)有 4KB ROM 程序存儲(chǔ)器 ； 8751 片內(nèi)有 4KB EPROM 程序存儲(chǔ)器 ；89C51 片內(nèi)有 4KB FLASH E2PROM 程序存儲(chǔ)器。 片機(jī)是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機(jī)，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、程序存儲(chǔ)器 ROM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器和多種 I/O 接口電路。 單片機(jī) AT89C51 的 選擇 本設(shè)計(jì)選用的 AT89C51 是具有高性能的 8 位單片微型計(jì)算機(jī)，比原來(lái)的 48 系列結(jié)構(gòu)更先進(jìn)、功能更強(qiáng)，它的基本特點(diǎn)為： 1． 8 位 CPU 2． 128 個(gè)字節(jié)的 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 3． 片內(nèi)帶振蕩器，振蕩頻率 f 范圍為 ,可有時(shí)鐘輸出 4. 4K 字節(jié)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 5. 4 個(gè) 8 位并行 I/O 接口 :P0、 P P P3 6. 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 7. 中斷系統(tǒng)有 5 個(gè)中斷源 ,可編程為兩個(gè)優(yōu)先級(jí) 8. 用單一 +5V電源 概述 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器 ，俗稱單片機(jī)。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 [3]。 AT89C51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu) AT89C51 有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出 （ I/O） 端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工