DZ241電動(dòng)汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)

DZ241電動(dòng)汽車自動(dòng)控制系統(tǒng),DZ241,電動(dòng)汽車,自動(dòng)控制系統(tǒng) 電動(dòng)汽車自動(dòng)控制系統(tǒng) 摘要 本設(shè)計(jì)小車能在規(guī)定的跑道上按規(guī)定的動(dòng)作自動(dòng)往返行駛，車子從起跑線出發(fā)后到達(dá)終點(diǎn)線停車10s,然后返回到起點(diǎn)停止。在限速區(qū)行駛時(shí)間能夠達(dá)到大于8s，終點(diǎn)縣停車與最后停車時(shí)車子中心點(diǎn)與黑線的誤差很小。車子能夠自動(dòng)記錄時(shí)間及里程并在車上顯示。車子的自動(dòng)控制系統(tǒng)部分以AT89C52為核心，對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行控制。通過對(duì)光敏二極管和發(fā)光二極管組成的跑道標(biāo)志的脈沖檢測(cè)電路對(duì)小車位置進(jìn)行定位，從而控制智能小車在相應(yīng)的黑線標(biāo)志處自動(dòng)選擇適合的速度檔進(jìn)行變速。通過引進(jìn)改進(jìn)的脈寬調(diào)速系統(tǒng)可以完成對(duì)小車的往返行駛的控制。而且可以通過控制小車車輪的反轉(zhuǎn)進(jìn)行減速的控制方法實(shí)現(xiàn)小車的快速準(zhǔn)確制動(dòng)。通過霍爾速度集成傳感器對(duì)小車車輪的轉(zhuǎn)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)從而能夠使小車精確的測(cè)量行駛距離，并配合LED動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)顯示小車所行駛的里程數(shù)。通過軟件計(jì)時(shí)并配合顯示器顯示行駛時(shí)間。本次設(shè)計(jì)采用一鍵開關(guān)的方法，既方便又實(shí)用。軟件部分采用主程序總領(lǐng)，子程序分部完成各個(gè)單元模塊任務(wù)的程序設(shè)計(jì)思想。每個(gè)獨(dú)立的任務(wù)都由相應(yīng)的子程序獨(dú)立完成，整體結(jié)構(gòu)清晰明了。尤其是延時(shí)子程序采用調(diào)用顯示子程序的獨(dú)特方法，以改善LED現(xiàn)實(shí)的效果，設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特。最后，由于本設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，這就方便了它以后得升級(jí)和擴(kuò)展的功能。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統(tǒng) 光電檢測(cè)傳感器 霍爾速度集成傳感器 動(dòng)態(tài)顯示 模塊化顯示 Automatic control system of electronic mini-car Abstract This mini-car can run on the designed route all by itself ,when car reach the destination stopping 10s at there ,then go back and stop at the beginning line . the mini-car also can display time journey . base on the micro-controller AT89C52.the mini-car can race intellectually. The system adopts photo electronic sensors to detecting the black line and control the direction then adds or reduces the speed of mini-car by PWM at once. By introducing the HALL speed sensor, the car can measure the distance accurately while running at different speed. To the display distance and time, it adopts a 8-bit LED. The car has only one key to start it, which make it feel more useful. The design of software adopts modularized designing method, and has a special characteristic, the display course constitute delay course, which strengthens display effect. Because this design applied modularized designing method, it has upgrade and extensible capability. Keywords: Automatic control system , Photo electronic sensor , HALL speed sensor , 8-bit LED , Modularized designing method 目錄 第一章 選題背景……………………………………………………………………… 5 第二章 方案論證……………………………………………………………………… 7 2.1測(cè)線方案比較……………………………………………………………………… 7 2.2測(cè)速方案比較……………………………………………………………………… 7 2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案比較………………………………………………………………… 7 2.4驅(qū)動(dòng)方案比較……………………………………………………………………… 8 2.5剎車方案比較……………………………………………………………………… 8 2.6單片機(jī)選用比較…………………………………………………………………… 9 2.7顯示方案比較……………………………………………………………………… 9 第三章 硬件設(shè)計(jì)……………………………………………………………………… 11 3.1總體設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 11 3.2調(diào)速設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 12 3.3測(cè)速設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 23 3.4測(cè)線設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 25 3.5顯示設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 26 3.6鍵盤 ……………………………………………………………………… 27 3.7電源設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 27 第四章 軟件設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 28 4.1內(nèi)存分配 ……………………………………………………………………… 28 4.2初始化程序設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 28 4.3主程序設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 28 4.4延時(shí)子程序設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 28 4.5慢車，停車程序設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 29 4.6里程計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 29 4.7計(jì)時(shí)子程序設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 30 4.8動(dòng)態(tài)顯示程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 31 第五章 結(jié)果分析 ……………………………………………………………………… 32 第六章 總結(jié) ……………………………………………………………………… 34 主要參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………… 35 附錄 ……………………………………………………………………… 37 A.程序清單 ……………………………………………………………………… 37 B.設(shè)計(jì)中使用器件列表………………………………………………………………… 48 C.硬件小圖 ……………………………………………………………………… 49 一 選題背景 （一）背景 本次設(shè)計(jì)題目是參考2001年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽（C題）自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車來擬訂的。設(shè)計(jì)要求也基本一樣，詳細(xì)內(nèi)容參看下面的設(shè)計(jì)基本要求。自動(dòng)電動(dòng)小汽車題目曾經(jīng)多次被全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽以不同的形式和要求選出，這充分說明這個(gè)題目的科技實(shí)用性，實(shí)踐性，變化多樣性以及可操作性，可塑造行之強(qiáng)。而且隨著汽車工業(yè)在全國(guó)乃至全球的蓬勃發(fā)展，自動(dòng)控制，導(dǎo)航，行駛的智能汽車控制系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)早就進(jìn)行了大量的研究，實(shí)驗(yàn)，乃至應(yīng)用。而且這種系統(tǒng)有很大的可移植性，不僅僅是應(yīng)用于汽車自動(dòng)控制方面，還可以移植到電車，輪船，飛機(jī)，導(dǎo)彈以及航天航空等許多方面，對(duì)未來的運(yùn)輸也有極深遠(yuǎn)的影響意義。 （二）要求 本次設(shè)計(jì)的要求：小汽車能在如圖1.1所示的跑道上自動(dòng)往返行駛。車子從起跑線出發(fā)后到達(dá)終點(diǎn)線停車10s，然后返回到起點(diǎn)停止。在限速區(qū)行駛時(shí)間要求大于8s，終點(diǎn)線停車與最后停止時(shí)求車子中心點(diǎn)與黑線的誤差盡量小。車子能自動(dòng)記錄時(shí)間及里程并在車上顯示。跑道寬為0.5m，兩側(cè)擋板高度大于0.2m，跑道表面貼有白紙，在B，C，D，E，F(xiàn)和G處畫有2cm寬的黑線。 圖1.1跑道俯視圖 1． 參數(shù)要求 （1） 車輛從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車體不得超出起跑線），到達(dá)終點(diǎn)線后停留10秒，然后自動(dòng)返回起跑線（允許倒車返回）。往返一次的時(shí)間應(yīng)力求最短（從合上電源開關(guān)開始計(jì)時(shí)）。 （2） 到達(dá)終點(diǎn)線和往返起跑線時(shí)，停車位置離起跑線和終點(diǎn)線偏差應(yīng)最?。ㄒ攒囕v中心點(diǎn)與終點(diǎn)線或起跑線中心線之間距離作為偏差的測(cè)量）。 （3） D~E 間為限速區(qū)，車輛往返均要求以低速通過，通過時(shí)間不的超過秒，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。 2． 發(fā)揮部分 （1） 自動(dòng)記錄，顯示一次往返時(shí)間（記錄顯示裝置要求安裝在車上）。 （2） 自動(dòng)記錄，顯示行駛距離（記錄顯示裝置要求安裝在車上）。 其它特色與創(chuàng)新。 二 .方案論證 （一）標(biāo)志線探測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與比較： 本次設(shè)計(jì)要求探測(cè)元件對(duì)白色質(zhì)地和黑色質(zhì)地有不同檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生。所以我對(duì)如下方案作了比較： 方案一：用一個(gè)發(fā)光二極管作為發(fā)射光源，光敏二極管檢測(cè)返回信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是便于觀察信號(hào)的產(chǎn)生和接收，而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單實(shí)用，理論簡(jiǎn)單適合用于畢業(yè)設(shè)計(jì)中。缺點(diǎn)是環(huán)境對(duì)它有一定的干擾，但是本次設(shè)計(jì)中對(duì)精度要求不是十分高的情況下是完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。 方案二：紅外線光作為發(fā)射光源，光敏三極管可以檢測(cè)返回信號(hào)，雖然外界對(duì)其干擾很小，精度也比較高，但是這樣的傳感器十分昂貴，用在這樣的小車設(shè)計(jì)中十分浪費(fèi)，而且驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，所以并不采納。 方案三：也可以用一個(gè)紫外線傳感器接收發(fā)光二極管發(fā)出的可見光，但是紫外線傳感器主要用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，所以也不適用于本設(shè)計(jì)。 通過對(duì)三個(gè)方案的比較，本設(shè)計(jì)采用方案一。 （二）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)比較： 方案一：采用外接ROM進(jìn)行存儲(chǔ)。 采用外接ROM進(jìn)行存儲(chǔ)是保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的慣用方法，其特色是在單片機(jī)斷電后仍然能保存住數(shù)據(jù)，但無疑將增加硬件資源的占用和軟件編程的麻煩，而且也會(huì)使設(shè)計(jì)圖紙混亂不堪。 方案二：直接用單片機(jī)內(nèi)部的RAM進(jìn)行存儲(chǔ)。 雖然不能在斷電后保存數(shù)據(jù)，但可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)按鍵顯示相應(yīng)值。而且本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不大，采用RAM可以減少I/O接口的使用，便利I/O接口分配，故此方按具有成本低，易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，更符合實(shí)際需要。 鑒于方案二的以上優(yōu)點(diǎn)，綜合比較，本設(shè)計(jì)采用方案二。 （三）距離檢測(cè)方案比較： 方案一： 通過檢測(cè)得出小車平均速度v，在行駛過程中將行駛時(shí)間與其乘積t.v作為駛過的距離。但該方案受電池電量，路面介質(zhì)等因素的影響，在大多數(shù)情況下均暴露出誤差大的缺點(diǎn)。故不予采用。 方案二： 在后輪輪軸均距貼上m個(gè)磁鐵，車廂內(nèi)裝上霍爾開關(guān)。對(duì)輪子轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，由于低速下輪子與地面接觸良好，設(shè)輪周長(zhǎng)為c，可以用霍爾開關(guān)輸出脈沖數(shù)n乘以c/m得出行駛距離。只要磁鋼在后輪輪軸上的位置足夠精確，霍爾開關(guān)固定牢靠，就可以獲得較好的測(cè)試效果。但車子顛簸時(shí)，穩(wěn)定性較差。 方案三： 在齒輪箱中安裝透射式開關(guān)，測(cè)出變速齒輪的每秒轉(zhuǎn)速，用變速比和車輪周長(zhǎng)計(jì)算出線速度，積分求出行駛距離。但在齒輪箱中使用光電開關(guān)，要求有足夠的安裝位置，不能影響機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)作。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定。 綜合以上方案優(yōu)劣和小車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本系統(tǒng)再用方案二。 （四）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路： 由直流激勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式： n= U/CeΦ-R0T/CeCtΦ2 看出，改變電驅(qū)回路電阻，磁通及電驅(qū)端電壓可以達(dá)到調(diào)速的目的。 方案一： 電驅(qū)回路串聯(lián)電阻調(diào)速，不能改變理想空載轉(zhuǎn)速，只能改變機(jī)械特性的硬度。尤其是在輕載的條件下，調(diào)速的可能性就更小了。電驅(qū)串電阻調(diào)速是有級(jí)的。這種調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：方法比較簡(jiǎn)單。所以，該方法僅使用在電動(dòng)機(jī)容量不大時(shí)，在低速工作時(shí)間不長(zhǎng)，調(diào)速范圍較小的場(chǎng)合。 方案二： 減弱磁通調(diào)速的手段是在勵(lì)磁回路中串接等效電阻，還可以用單獨(dú)的可調(diào)支流電源向勵(lì)磁賄賂供電。調(diào)速時(shí)能量消耗較少，控制比較容易，可以平滑調(diào)速，但不能進(jìn)行低速調(diào)整。 方案三： 降低電驅(qū)電壓調(diào)速的方法又有兩種：一種是晶閘管整流張制供電的支流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍大，平滑性好，效率高，運(yùn)行可靠，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但整流電流中交流成分大，損耗加大，而且不易控制：另一種是直流脈沖寬度調(diào)速型的調(diào)速系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單，須用的功率元件少，開關(guān)頻率高，諧波少，機(jī)電損耗少，低速性能好，調(diào)速范圍寬，快速響應(yīng)好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)控制。 經(jīng)過比較和討論，本設(shè)計(jì)采用方案三中的直流脈沖寬度調(diào)速型的調(diào)速系統(tǒng)。 （五）剎車機(jī)構(gòu)功能方案比較： 方案一：自然減速式 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出停止信號(hào)時(shí)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，小車在無動(dòng)力狀態(tài)因阻力而自然變?yōu)榫?。由于慣性，小車全速行駛時(shí)需要2秒后才能停止，因?yàn)檐囕喕性斐傻恼`差較大，無法實(shí)現(xiàn)精確的制動(dòng)目標(biāo)。 方案二：反轉(zhuǎn)式 當(dāng)小車需要停車時(shí)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以反轉(zhuǎn)信號(hào)，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消與慣性效應(yīng)。由于小車車速時(shí)漸減的，反向驅(qū)動(dòng)信號(hào)長(zhǎng)度也要漸減，否則小車可能反向行駛。使用此方案后全速剎車反應(yīng)時(shí)間為0.5s，左右。 所以，本系統(tǒng)采用方案二。 （六） 單片機(jī)選用比較 方案一：選用8031 8031位最基本的單片機(jī)，它具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（8位CPU，片內(nèi)振蕩器，128個(gè)字節(jié)用戶RAM，21個(gè)字節(jié)專用寄存器SFR，4個(gè)8位并行I/O口 P0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙工串行I/O口，2個(gè)16位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等），電路大件容易的特點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也是顯而易見的，8031內(nèi)部沒有ROM，這就需要大程序存儲(chǔ)時(shí)外接片外存儲(chǔ)器（通過I/O口可以外接多達(dá)64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器）。而外接存儲(chǔ)器一定會(huì)占用大量的硬件資源。 方案二：選用8051 8051與8031內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較相似（8位CPU，片內(nèi)振蕩器，128個(gè)字節(jié)用戶RAM，21個(gè)字節(jié)專用寄存器SFR，4個(gè)8位并行I/O口P0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙工串行I/O口，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器等）。這樣，在程序較小的情況下，可以不用外界存儲(chǔ)器就可以工作，減少了硬件資源的浪費(fèi)。 方案三：選用AT89C52 AT89C52作為C51系列產(chǎn)品，其內(nèi)部有8KB FLASH 存儲(chǔ)器，128字節(jié)RAM，32條I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷電源，1個(gè)串行I/O口，片內(nèi)振蕩器等。顯然AT89C52作為新一代的單片機(jī)芯片它的硬件資源大大的提高了，存儲(chǔ)器對(duì)于一般的程序都應(yīng)該是足夠的了，6個(gè)中斷源，大大的滿足了多路口控制，檢測(cè)的需要，可以說是比較全能的單片機(jī)之一了。 綜上，本系統(tǒng)采用AT89C52為內(nèi)部核心芯片，即方案三。 （七）顯示方案比較 方案一： 液晶顯示是一種極低功耗的顯示器件。在袖珍式儀表或低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中使用較大。但是，考慮到本系統(tǒng)的具體因素（如：小車運(yùn)行中顛簸大容易導(dǎo)致顯示器失效），所以一般不采用LCD顯示。 方案二：采用LED顯示 LED是設(shè)計(jì)中最常用的顯示器件，它是由發(fā)光二極管組成的顯示字段的顯示器，并且主要用于顯示數(shù)字，本系統(tǒng)需要一個(gè)8位的數(shù)字顯示器，考慮到LED的耐磨損的特點(diǎn)，所以選用這種顯示器。在多位LED顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O口控制的顯示方式，有硬件搭建簡(jiǎn)便，清楚的特點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)采用的是LED動(dòng)態(tài)顯示電路。 綜上，本系統(tǒng)采用方案三 三 硬件設(shè)計(jì) （一）總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)圖如下： 特色鍵盤與顯示模塊 速度控制模塊 光電傳感器 測(cè)線模塊 單 片 機(jī) AT89C52 測(cè) 速 模 塊 本次設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。整個(gè)設(shè)計(jì)可分為如上圖所示的五個(gè)模塊部分，下面分別介紹每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 （二）電機(jī)調(diào)速模塊的設(shè)計(jì)、 1.直流調(diào)速介紹 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起，制動(dòng)性能，宜于在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)，礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)，挖掘機(jī)，海洋鉆機(jī)，金屬切割機(jī)床，造紙機(jī)，高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖東控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，他又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以還是比較實(shí)用的技術(shù)手段。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速（更本質(zhì)的說，是控制點(diǎn)機(jī)的轉(zhuǎn)距）來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。 n=（U-IR）/KeΦ （3.1） 式中 n——轉(zhuǎn)速，單位r/min； U——電樞電壓，單位V； I——電樞電流，單位A； R——電樞回路總電阻，單位Ω； Φ——?jiǎng)?lì)磁磁通，單位Wb； Ke——由電動(dòng)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 由公式3.1可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （1） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U； （2） 減弱勵(lì)磁磁通Φ； （3） 改變電樞回路電阻R。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基礎(chǔ)速度（即電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。 以位移或轉(zhuǎn)角為被調(diào)量的系統(tǒng)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)，一般在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加位置控制環(huán)就能實(shí)現(xiàn)。 2.直流調(diào)速方法 在直流調(diào)速系統(tǒng)中主要采用變電調(diào)速。便電壓調(diào)速時(shí)直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種形式： （1） 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動(dòng)機(jī)和支流電動(dòng)機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào) 的直流電壓。 （2） 靜止可控整流器——用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 （3） 直流斬波器和脈沖寬度調(diào)制變換器——用恒定的直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓，從而獲得需要的直流電壓。 下面分別對(duì)各種可控直流電源以及由他供電的直流調(diào)速系統(tǒng)做概括性的介紹。 （1）、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組由變流電動(dòng)機(jī)（異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓！從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，在國(guó)際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。為了供給直流發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁，通常專門設(shè)置一臺(tái)直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，可裝在變流機(jī)組同軸上，也可另外單用一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時(shí)，勵(lì)磁電流可直接由勵(lì)磁電源供電，要求較高的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般都應(yīng)通過放大裝置進(jìn)行控制。G-M系統(tǒng)的放大裝置多采用電機(jī)型放大器（如交磁放大機(jī)）和磁放大器，需要進(jìn)一步提高放大系數(shù)時(shí)還可增設(shè)電子放大器作為前級(jí)放大。如果改變勵(lì)磁電流的方向，則輸出電壓的極性和轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)向都跟著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。分析變流機(jī)組供電時(shí)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性知，無論正轉(zhuǎn)減速還是反轉(zhuǎn)減速時(shí)都能夠?qū)崿F(xiàn)反饋制動(dòng)，因此G-M系統(tǒng)是可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運(yùn)行的系統(tǒng)。 機(jī)組供電的支流調(diào)速系統(tǒng)在50年代曾廣泛地使用著，至今在尚未進(jìn)行設(shè)備更新的地方仍沿用這種系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝須打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，在50年代開始采用汞弧整流器（大容量時(shí)）和閘流管（小容量時(shí)）這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。到了60 年代有讓位給更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器。 （2）、靜止可控整流器 如上所述，離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用的靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還縮短了響應(yīng)時(shí)間，但汞弧整流器造價(jià)較高，維護(hù)麻煩，特別是水銀，如果泄露，將會(huì)污染環(huán)境，危害人體健康。 1957年，晶閘管（俗稱可控硅整流元件，簡(jiǎn)稱“可控硅” ）問世，到了60年代，已經(jīng)生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。到今天，晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。晶閘管可控整流器（V）可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置（GT）的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。由圖3.2可見，晶閘管可控整流器餓功率放大倍數(shù)在10000以上，其門極電流可以直接用晶體三級(jí)管來控制，不再像支流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 圖3.2各種變流裝備技術(shù)性能的比較 晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。由半控整流電路構(gòu)成V-M系統(tǒng)只允許單象限運(yùn)行（如圖3.3a）全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電動(dòng)機(jī)工作在反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，因此能夠獲得第二象限運(yùn)行（如圖3.3b）。必須實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行時(shí)（如圖3.3c），只好采用正，反兩組全控整流電路，所用交流設(shè)備要增多一倍，這樣V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)比較常用。 圖3.3 V-M系統(tǒng)的運(yùn)行范圍 A）單象限運(yùn)行 b）二象限運(yùn)行 c）四象限運(yùn)行 晶閘管的另一個(gè)缺點(diǎn)是，元件對(duì)過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)留有足夠的余量。只要元件質(zhì)量過關(guān)、裝置設(shè)計(jì)合理、保護(hù)設(shè)施齊備，晶閘管裝置的運(yùn)行就十分可靠，如果不是這樣，就可能常出事故，給維護(hù)運(yùn)行帶來不少麻煩。 最后，當(dāng)系統(tǒng)處在深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，秧及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管調(diào)速的設(shè)備在電網(wǎng)中所占的容量比重較大，就會(huì)造成所謂的“電力公害”。在這種情況下，必須增設(shè)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。 （3）、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電源供電。過去多用切換電阻來控制電車的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，電能在電阻中損耗很大。晶閘管也可用來控制直流電壓，這就是直流斬波器，或稱直流調(diào)壓器。 采用晶閘管的直流斬波器基本原理示于圖3.4a。與整流電路不同的是，在這里晶閘管VT不是受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)VT被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，Us加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)VT截?cái)鄷r(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)短開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，的電樞端電壓波形u=f（t）如圖3.4b所示，好像是電源電壓Us在一段時(shí)間（T-ton）內(nèi)被斬?cái)嗪笮纬傻?。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為： Ud=TonUs/T 式中T——晶閘管的開關(guān)周期； Ton——VT的開通時(shí)間； P——占空比； f——開關(guān)頻率。 晶閘管一旦導(dǎo)通，就不能再用門極觸發(fā)信號(hào)來使它關(guān)斷，若要關(guān)斷，必須在陽(yáng)、陰極間施加反壓，這就需要一種附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路。受到晶閘管關(guān)斷時(shí)間的限制，由普通晶閘管構(gòu)成的斬波器的開關(guān)頻率只能是100~200Hz。為了縮小裝置的體積，可以逆導(dǎo)通晶閘管代替普通晶閘管和反向二極管，同時(shí)開關(guān)頻率也可適當(dāng)提高。 強(qiáng)迫關(guān)斷電源 圖3.4 斬波器—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 a）原理圖 b）電壓波形圖 直流斬波器的平均Ud可以通過改變主晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)。 如下： 1.脈沖寬度調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)稱PWM——脈沖周期不變，只改變主晶閘管的導(dǎo)通時(shí) 間，即改變脈沖的寬度。 2.脈沖頻率調(diào)制，簡(jiǎn)稱PFM——導(dǎo)通時(shí)間不變，只改變開關(guān)頻率或開關(guān)周期，也就是只改變晶閘管關(guān)閉時(shí)間。 3.兩點(diǎn)式控制——當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使VT觸發(fā)導(dǎo)通 ； 當(dāng)電流或電壓達(dá)到某一最大值時(shí)，使VT關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間都是不確定的。 由普通晶閘管或逆導(dǎo)晶閘管構(gòu)成的斬波器開關(guān)頻率不高，因而輸出脈沖電流較大，調(diào)速范圍有限。此外，附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路也增加了裝置的體積和復(fù)雜性。為了適應(yīng)大功率開關(guān)電路的要求，自70年代以來研制了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶閘管、電力場(chǎng)效應(yīng)管等等。全控式器件的關(guān)斷時(shí)間短，因而由它們構(gòu)成的斬波器其工作頻率可以提高到1~4HZ 甚至打倒20KHZ。采用全控器件實(shí)行開關(guān)控制時(shí)，多用脈沖寬度調(diào)制 的控制方式，形成近年來應(yīng)用日益廣泛的PWM裝置-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱PWM調(diào)制系統(tǒng)或脈寬調(diào)素系統(tǒng)。 與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： 1.由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用可能就足以獲得脈沖很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬。又由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都很少。 2.同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，十分不容易受到干擾。 3.由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 受到器件容量的限制，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)目前只用于中、小功率的系統(tǒng)。 3.PWM調(diào)速簡(jiǎn)單介紹 本設(shè)計(jì)參考脈寬調(diào)制式變換器（PWM）的相應(yīng)方法對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)制變換器就是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器。直流斬波器最早是用在直流供電的電動(dòng)車輛和機(jī)車中，取代變阻調(diào)速，從而獲得顯著的節(jié)能效果。由于器件容量的限制，目前直流PWM調(diào)速還只限于中、小功率的系統(tǒng)。 PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。本設(shè)計(jì)采用單極式可逆PWM變換器。 采用PWM調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單，須用的功率元件少，開關(guān)頻率高，諧波少，電機(jī)損耗小，低速性能好，調(diào)速范圍寬，快速響應(yīng)好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)控制。 工作原理簡(jiǎn)介：雙極式可逆PWM 變換器的主電路如下圖（圖3.5）所示： 圖3.5 PWM變換器電路圖 它是由四個(gè)晶體管T1、T2、T3、T4及四個(gè)二極管D1、D2、D3、D4組成橋式電路。V1和V4為一組，V2和V3為一組。同一組的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)閉，兩組晶體管之間是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷的。這種電路可以工作在四種模態(tài)。 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行，由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓的脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)， tm 〉T/2，電樞兩端的電壓為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，tm〈T/2，電樞兩端平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)正、負(fù)脈沖寬度相等時(shí)，tm=T/2，平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)停止。 可逆PWM 變換器電樞平均端電壓用公式表示為： Ud=ton U S /T – （ T –ton U S ）/T=（2 ton/T–1）U S 若以ρ=Ud/Us來定義PWM電壓的占空比，則： ρ=2 ton /T –1 可見改變?chǔ)眩?1〈ρ〈1）即可調(diào)速。ρ為正值，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，ρ為負(fù)值，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。ρ為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但電樞兩端的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電樞電流都不為零，而是交變的，它增加了電動(dòng)機(jī)的損耗，同時(shí)也使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻的微振，后者可以消除正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。 單極式變換器與雙極式變換器有所不同，它是電力晶體管T3，T4二者之中總有一個(gè)導(dǎo)通，一個(gè)截止，運(yùn)行中無須頻繁交替導(dǎo)通，因此和雙極式變換器相比開關(guān)損耗可以減少，裝置的可靠性有所提高。具體差異如下表（表3.1）所示： 控制 方式 雙極式 單極式 電機(jī) 轉(zhuǎn)向 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 0≤t〈ton 開關(guān)狀況 UAB D1，D4續(xù)流 T2，T3截止 T1，T4導(dǎo)通 T2，T4截止 T1，T4導(dǎo)通 T2，T3截止 +US +US +US ton ≤t 〈T T1，T4截止 D2，D3導(dǎo)通 T1，T4截止T2，T3導(dǎo)通 T4導(dǎo)通，D2續(xù)流 T1，T3截止 T2不通 UAB －US －US 0 開關(guān)狀況 占空比調(diào)節(jié)范圍 -1≤ρ≤1 -1≤ρ≤0 0≤ρ≤1 單極式 反轉(zhuǎn) T3導(dǎo)通，D1續(xù)流，T2，T4截止 0 T2，T3導(dǎo)通 T1，T4截止 －US -1≤ρ≤0 因此，小功率直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法是：先將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)一段時(shí)間，然后切斷電源，由于電動(dòng)機(jī)具有慣性所以將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間；在電動(dòng)機(jī)尚未停止轉(zhuǎn)動(dòng)之前再次接通電源，于是電動(dòng)機(jī)再次加速。因此，系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)可以反轉(zhuǎn)，而且系統(tǒng)的頻率響應(yīng)較好，這樣只要控制他的導(dǎo)通和截止的時(shí)間比，就可以控制電動(dòng)機(jī)正向和反向速度。 考慮到本次設(shè)計(jì)題目的要求并PWM 變換器的調(diào)速方法，本次設(shè)計(jì)采用類似的調(diào)速方法。為了編程簡(jiǎn)單并且考慮到實(shí)際的汽車操作者的控制狀態(tài)，本次設(shè)計(jì)取消了通過占空比調(diào)速的復(fù)雜方法，取而代之的是通過設(shè)定幾個(gè)調(diào)速檔的方法改變小車的速度，并且參考PWM的正反轉(zhuǎn)功能設(shè)計(jì)了小車的正反轉(zhuǎn)功能控制器，不但有實(shí)際汽車的類似的控制感覺，而且有硬件搭建簡(jiǎn)單，軟件容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，更重要的是它能夠完全的符合題目設(shè)計(jì)的要求。 本次設(shè)計(jì)為了達(dá)到快速變速以及快速停車的功能，速度控制中加入了快速反轉(zhuǎn)制動(dòng)環(huán)節(jié)，可以把變速時(shí)間控制在0.15秒以內(nèi)。 直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法有：能耗制動(dòng)，回饋制動(dòng)，反接制動(dòng)等。能耗制動(dòng)主要通過串聯(lián)電樞電路內(nèi)的電阻消耗由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化的電能來實(shí)現(xiàn)的，所以稱之為能耗制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)可能出現(xiàn)位能負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和他勵(lì)電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速兩種情況，為了獲得位能負(fù)載下較低的穩(wěn)定下放速度，一般在回饋制動(dòng)時(shí)，將電樞內(nèi)串聯(lián)的R切除。在回饋制動(dòng)過程中，有UI回饋電網(wǎng)。因此與能耗制動(dòng)及反接制動(dòng)相比，從電能消耗來看，回饋制動(dòng)是比較經(jīng)濟(jì)的。反接制動(dòng)可以用轉(zhuǎn)速反向（用于位能負(fù)載）和電樞反接（用于反作用負(fù)載）兩種方法實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)采用的就是反接制動(dòng)中的轉(zhuǎn)速反向方法。 （三）、測(cè)速模塊設(shè)計(jì) 1.有關(guān)霍爾開關(guān)傳感器的說明 集成化霍爾元件傳感器是一種新型的磁敏感器件，它集磁敏霍爾效應(yīng)片和集成電路為一體，具有靈敏可靠，體積小巧，無觸電，無磨損，使用壽命長(zhǎng)，功效低以及不怕塵土，油污，濕熱等優(yōu)點(diǎn)。在自控裝置，家用電器和儀器儀表等電路中應(yīng)用這種傳感器，可簡(jiǎn)化電路和提高可靠性。 2.基本工作原理 在這次設(shè)計(jì)中我采用的是CS系列CS6839開關(guān)型霍爾集成電路，如圖3.8所示。其中的敏感元件是霍爾電勢(shì)發(fā)生器，它是一片用P型硅材料作襯底，N型硅材料為外延層的霍爾效應(yīng)片。當(dāng)霍爾效應(yīng)片垂直于磁通密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）為B的磁場(chǎng)中，并對(duì)其施加控制電流I，使在垂直于電流I和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E，即霍爾電勢(shì)。 霍爾電勢(shì)E與外加磁場(chǎng)B和控制電流I成正比，而與霍爾效應(yīng)片的厚度d成反比，即 E=KIB/d，式中K為霍爾系數(shù)，是一個(gè)與霍爾效應(yīng)片材料有關(guān)的常數(shù)。對(duì)工作電壓穩(wěn)定的霍爾傳感器來講，其產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)基本上與材料有關(guān)，且兩者為線性正比關(guān)系。 霍爾效應(yīng)片產(chǎn)生的電勢(shì)由差分放大器進(jìn)行放大，隨后送往施密特觸發(fā)器。當(dāng)外加磁場(chǎng)的B小于霍爾器件的磁場(chǎng)工作點(diǎn)Bop（0.075T）時(shí)，差動(dòng)放大器的電壓不足以開啟施密特觸發(fā)器，故而驅(qū)動(dòng)管BG截止，霍爾器件處于關(guān)態(tài)。外加磁場(chǎng)的B等于或大于Bop時(shí)，差分放大器的輸出電壓也達(dá)到或大于施密特觸發(fā)器的開啟電壓值，于是BG導(dǎo)通，霍爾器件處于開態(tài)。此時(shí)若外加電場(chǎng)逐漸減弱，霍爾器件并不立即進(jìn)入關(guān)態(tài)，而是逐漸至磁場(chǎng)釋放點(diǎn)Brp，使差分放大器的輸出電壓降到施密特觸發(fā)器的關(guān)閉值，至此，GB才由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止。 霍爾器件的磁場(chǎng)工作Bop和Brp之差B為磁感應(yīng)強(qiáng)度的回差（磁滯）寬度。Bop和 △B是霍爾器件的兩個(gè)重要參數(shù)。Bop越小，器件的靈敏度越高；△B愈大，則器件的抗干擾性能愈好?；魻柶骷邆涞幕夭钐匦允顾目垢蓴_性能明顯提高外來雜散干擾磁場(chǎng)不易使其產(chǎn)生誤動(dòng)作；同時(shí)器件的輸出信號(hào)已經(jīng)有施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，因此可直接去驅(qū)動(dòng)對(duì)波形前后沿要求較高的電路，這樣便能大大簡(jiǎn)化整個(gè)裝置中有關(guān)部分的電路結(jié)構(gòu)。 H 放大 施密特 觸發(fā)器 輸出 注：上圖1、2、3引腳分別接+9v電源、單片機(jī)中斷1和地線。 3.應(yīng)用電路 霍爾器件主要作為無觸電開關(guān)檢測(cè)元件使用，例如用作行程開關(guān)，接近開關(guān)，限位開關(guān)，汽車點(diǎn)火器，溫度開關(guān)，壓力開關(guān)，無刷電動(dòng)機(jī)觸電抖動(dòng)現(xiàn)象，其開關(guān)可靠性比單簧管和電磁繼電器等普通元件要高，還適合在特殊或惡劣條件下工作。 霍爾器件與后級(jí)電路很容易接口，只要保證電壓級(jí)負(fù)載電流不超過器件的允許范圍，它就能安全地直接與各種器件接口。下圖（圖3.9）示出了CS6839在本系統(tǒng)中的應(yīng)用原理圖。 H S N 圖3.9 CS6839原理圖 使用時(shí)，在小汽車的電機(jī)軸上貼幾個(gè)磁鋼，將開關(guān)型霍爾傳感器檢測(cè)電路固定在相應(yīng)的位置上，能夠使磁鋼在后輪旋轉(zhuǎn)的過程中與傳感器做切割運(yùn)動(dòng)。這樣，后輪旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器輸出一個(gè)脈沖觸發(fā)中斷，單片機(jī)計(jì)算后輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來計(jì)算行駛的距離。 （四）、檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 1.光敏二極管的簡(jiǎn)單介紹 光敏二極管與普通半導(dǎo)體二極管的主要區(qū)別在與PN結(jié)面積較大，距表面較淺，上電極較小，利于接受關(guān)照射以提高光電轉(zhuǎn)換效率。它的工作機(jī)理是光生電勢(shì)效應(yīng)，即當(dāng)受光照射時(shí)半導(dǎo)體本征載流子濃度增加，本征載流子在P和N區(qū)均為少數(shù)載流子，在PN結(jié)勢(shì)壘作用下，分別向?qū)Ψ絽^(qū)域漂移，此時(shí)若將兩端短路，便構(gòu)成短路光電流；若兩端開路或接負(fù)載，則輸出光生電動(dòng)勢(shì)；若外加電場(chǎng)則反向飽和電流增加。 2.本次設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路（圖3.10） 為了檢測(cè)跑道上黑線標(biāo)志的限制速度區(qū)域以及停車標(biāo)志線，以控制自動(dòng)小汽車完成規(guī)定動(dòng)作。本次設(shè)計(jì)采用由發(fā)光二極管、光敏二極管組成的光電耦合器加驅(qū)動(dòng)電路組成的跑道標(biāo)志檢測(cè)電路。如下圖3.10所示，電路輸出端與單片機(jī)中中斷引腳相連，當(dāng)小車在白紙上運(yùn)行時(shí)，輸出高電平，遇黑條，輸出低電平脈沖作為中斷記數(shù)判斷用。 圖3.10 跑道標(biāo)志檢測(cè)電路 （五）、顯示模塊設(shè)計(jì) 1.LED動(dòng)態(tài)顯示方式簡(jiǎn)介 在多位LED顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，減低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O控制，而共陰極點(diǎn)或共陽(yáng)極點(diǎn)分別由相應(yīng)的I/O口線控制，這就構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)態(tài)顯示器。 8位LED動(dòng)態(tài)顯示電路中只需要兩個(gè)8位I/O口。其中一個(gè)控制段選碼另一個(gè)控制位選。由于所有位的段選碼皆有一個(gè)I/O口控制，因此，在每個(gè)瞬間，8位LED只可能顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方法。即在每一個(gè)瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。在此瞬間段選控制I/O口輸出相應(yīng)字符段選碼，位選控制I/O口在該顯示位送入選通電平（共陰極送低電平，共陽(yáng)極送高電平）以保證該位顯示相應(yīng)字符。并保持延時(shí)一段時(shí)間，以造成視覺暫留效果。不斷循環(huán)送出相應(yīng)的段選碼、位選碼，就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。LED顯示塊是由發(fā)光二極管字段的顯示器件。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽(yáng)極兩種，共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共LED顯示塊的發(fā)光二極管陽(yáng)極并接。本設(shè)計(jì)采用的是共陽(yáng)極的接法。 圖3.11 七段LED顯示塊 通常的七段LED顯示塊中有八個(gè)發(fā)光二極管，所以也有人叫八段顯示器。其中 七個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字型“8”，一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成“.” 七段顯示塊與單片機(jī)接口非常容易。只要將一個(gè)8位并行口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符，通?？刂瓢l(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。 在單片機(jī)中應(yīng)用系統(tǒng)中使用LED顯示塊構(gòu)成N位LED顯示器。N位顯示器的構(gòu)成原理為并連方式，N位LED顯示器有N根選線和8*N根段選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線與段選線的連接方式不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮，暗。LED顯示器有靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式，本設(shè)計(jì)采用的是靜態(tài)顯示方式 LED顯示器工作在靜態(tài)顯示方式下，共陽(yáng)極或共陰極連接在一起接地或+5V；每位的段選線（a—dp）與一個(gè)8位并行口相連。并且每一位可獨(dú)立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。由于每一位由一個(gè)8位輸出口控制段選碼，所以在同一時(shí)間里每一位顯示的字符可以各不相同。 2.本次設(shè)計(jì)采用的顯示電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于單片機(jī)本身有較強(qiáng)的邏輯控制能力，采用軟件譯碼并不復(fù)雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯可隨意編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯限制。采用軟件譯碼還能簡(jiǎn)化硬件電路結(jié)構(gòu)。因此，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，使用的最廣的還是軟件譯碼的顯示器接口。 本次設(shè)計(jì)采用的就是軟件譯碼的動(dòng)態(tài)顯示接口電路。由AT89C52通過8155擴(kuò)展I/O控制8位LED顯示。這里只需要8155提供兩個(gè)8位輸出口即可。由PB口輸出段選碼，PA口輸出位選碼。位選碼占用的輸出口線數(shù)決定于顯示器位數(shù)。BIC-8718為8為集成驅(qū)動(dòng)芯片。 本設(shè)計(jì)中的八位數(shù)碼管，前四位數(shù)碼管顯示的數(shù)值表示小車運(yùn)行時(shí)間，顯示的范圍為0s~59min59s；后四位數(shù)碼管的數(shù)值表示小車經(jīng)過的里程數(shù)，顯示范圍是1~9999m。 （六）、鍵盤設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)只設(shè)有一個(gè)按鍵，即開始鍵：主程序上電復(fù)位后，按開始鍵，小車按指定程序運(yùn)行。 （七）、電源設(shè)計(jì) 在小汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)，單片機(jī)也要隨之運(yùn)行，所以要有一個(gè)供單片機(jī)工作的+5V電源，本設(shè)計(jì)采用了+9V電源進(jìn)行供電，其中一部分9V電源供小汽車行駛使用，+5V電源由+9V經(jīng)過7805穩(wěn)壓管得到供單片機(jī)使用。 四、 軟件設(shè)計(jì) （一）、系統(tǒng)內(nèi)存資源的分配： 20H~25H內(nèi)存單元作為里程計(jì)數(shù)用（23H為跑道條數(shù)存放單元），采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)值為9999m。70H~73H為時(shí)間計(jì)數(shù)單元，采用十進(jìn)制BCD碼計(jì)數(shù)，最大記錄時(shí)間為59min59s。顯示數(shù)據(jù)在70H~77H單元中，七種4H~77H單元內(nèi)為里程顯示數(shù)據(jù)。為了標(biāo)志是終點(diǎn)停車還是起點(diǎn)停車，用位地址30H（即35H.0位）的位值作為判斷標(biāo)志。 （二）、初始化子程序設(shè)計(jì)： 主要完成70H~77H、20H~25H等單元的清零工作，設(shè)置T1為16位定時(shí)模式開放T1、外中斷0、外中斷1的中斷等。 （三）、主程序的設(shè)計(jì)： 主程序主要完成初始化調(diào)用：檢測(cè)開始鍵開始運(yùn)行程序；設(shè)定小汽車的初始運(yùn)行狀態(tài)，最后循環(huán)調(diào)用顯示程序，其程序流程圖如下圖4.1所示： 開始 初始化 置快車狀態(tài) 打開電機(jī)電源 置前進(jìn)狀態(tài) 調(diào)用顯示程序 圖4.1 主程序流程圖 （四）、延時(shí)子程序設(shè)計(jì)： 延時(shí)程序均采用調(diào)用顯示子程序的方法，以改善LED顯示的效果。 （五）、車子慢速行駛子程序設(shè)計(jì) 慢車子程序執(zhí)行時(shí)，先對(duì)電機(jī)進(jìn)行反向驅(qū)動(dòng)約150ms，使其剎車，然后改供低電壓，使電機(jī)慢速轉(zhuǎn)動(dòng)。 （六）、停車子程序設(shè)計(jì) 當(dāng)執(zhí)行停車時(shí)，先對(duì)黑線道計(jì)數(shù)器單元3H清零，在反向驅(qū)動(dòng)剎車后關(guān)電機(jī)電源，然后延時(shí)10s，對(duì)30 H位取反，以判斷是中途停車還是起點(diǎn)停車。若是起點(diǎn)停車，計(jì)時(shí)單元清零。最后，設(shè)小車為初始運(yùn)行狀態(tài)。 （七）、里程計(jì)數(shù)處理子程序設(shè)計(jì)（外中斷1服務(wù)程序） 里程計(jì)數(shù)器采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)值為9999m。當(dāng)退出時(shí)，將計(jì)數(shù)器移入74H~77H顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。 （八）、外終端服務(wù)子程序設(shè)計(jì) 它的任務(wù)是根據(jù)小車到達(dá)黑線的位置控制小車的運(yùn)行狀態(tài)，其程序流程圖如下圖4.2所示： 中斷0開始 關(guān)中斷 跑道數(shù)加1 延時(shí)7ms 開中斷，中斷返回 第3條？ 第6條？ 第4條？ 第5條？ 停止 慢車 快車 慢車 圖4.2 ZNTO小車狀態(tài)控制流程圖 （九）、計(jì)時(shí)子程序設(shè)計(jì)： T1用于時(shí)間計(jì)時(shí)，定時(shí)溢出中斷周期設(shè)為50ms，中斷累計(jì)20次（即1s）時(shí)對(duì)秒計(jì)數(shù)單元進(jìn)行加1操作。時(shí)間計(jì)數(shù)單元地址分別微70H~71H（s）、72H~73H（min）。在計(jì)數(shù)單元中采用十進(jìn)制BCD碼計(jì)數(shù)，滿60進(jìn)位。T1中斷服務(wù)程序流程圖如下圖4.3所示： T1中斷 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 1s到？ 秒單元加1 60s？ 秒單元清零，分加1 60min？ 分單元清零 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，中斷返回 圖4.3 T1中斷服務(wù)子程序框圖 （十）、動(dòng)態(tài)顯示程序設(shè)計(jì) 程序?qū)⒁@示的8位數(shù)據(jù)以分離BCD碼的形式放在780H~77H內(nèi)存單元中（70H~73H為時(shí)間數(shù)據(jù)，74H~77H為里程數(shù)據(jù)），用動(dòng)態(tài)掃描的方式依次顯示每個(gè)數(shù)據(jù)。其程序框圖如下圖4.4所示： 開始 8155初始化 動(dòng)態(tài)顯示初始化 送掃描字到PA口 查段選表 段選碼送PB口 顯示延時(shí)1ms 指向下一個(gè) 顯示數(shù)據(jù) 8位顯示完？ 顯示下一位 結(jié)束 圖4.4 動(dòng)態(tài)顯示程序框圖 五、 結(jié)果分析 按題目要求小車的理想速度曲線，如下圖5.1所示： 圖5.1 小車?yán)硐胨俣惹€ （一）、低速區(qū)行駛時(shí)間計(jì)算 設(shè)計(jì)一項(xiàng)參數(shù)要求在低速區(qū)（2m）內(nèi)小車行駛超過8s，下面計(jì)算本次設(shè)計(jì)的小車的完成程度： 根據(jù)轉(zhuǎn)速特性方程： n=n0-βIn；In=Ua/Ra；可知轉(zhuǎn)速n和電動(dòng)機(jī)兩端電壓成線形比例關(guān)系，則：n= n0*Ua/Un 以本次設(shè)計(jì)小車電機(jī)為例，Un=9V，n0=100r/min，低速行駛時(shí)電機(jī)電壓Ua=4.3V，所以計(jì)算如下： N= n0*Ua/Un=100*4.3/9=47.7778≈48（r/min） 又小車的驅(qū)動(dòng)輪大約周長(zhǎng)20cm=0.2m，則小車低速行駛速度為： VLOW=0.2*48/60=0.16（m/s） 所以小車在低速區(qū)行駛時(shí)間為： t1=2/0.16=12.5s 〉8s（要求參數(shù)） 考慮到小車當(dāng)探測(cè)到低速區(qū)標(biāo)志線并已經(jīng)行駛進(jìn)低速區(qū)才開始減速，（有小車探測(cè)到D線開始反轉(zhuǎn)減速，減速時(shí)間約為0.15s）所以誤差如下： Sa≈0.15*0.28（小車高速行使速度）=0.042m〈0.05m 所以這個(gè)誤差并不影響參數(shù)達(dá)標(biāo)。 （二）、小車停車距停車線誤差計(jì)算： 小車停車時(shí)間約為0.15s，并且以低速行駛，所以停車誤差距離為： Sa≈0.15*0.16=0.024m〈0.05m （三）、終點(diǎn)停車10s的軟件延時(shí)誤差： 由于終點(diǎn)停車采用軟件延時(shí)，而由本次設(shè)計(jì)的10s延時(shí)程序的相應(yīng)指令周期疊加可知：t≈9.956s，所以絕對(duì)誤差為0.044s,相對(duì)誤差:0.44%。 綜上，本次設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的誤差均在誤差要求范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)內(nèi)容基本符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求，設(shè)計(jì)方案可以達(dá)到預(yù)期效果。 六、 總結(jié) 這次《工業(yè)自動(dòng)小車的位置檢測(cè)及其控制》的畢業(yè)設(shè)計(jì)我在指導(dǎo)老師的認(rèn)真指導(dǎo)下，運(yùn)用大四所學(xué)的自動(dòng)化，測(cè)控技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，配合查找的大量相關(guān)資料，順利的完成了設(shè)計(jì)題目的基本要求，并且從中穴道了很多有益的知識(shí)。但是，由于本人還處在學(xué)習(xí)階段，設(shè)計(jì)也是剛剛起步，所以本次設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)一些錯(cuò)誤。希望各位老師同學(xué)能給我指出，我一定虛心接受并認(rèn)真改正。本次設(shè)計(jì)題目要求也比較簡(jiǎn)單，主要用來培養(yǎng)我們學(xué)生的設(shè)計(jì)思想，和相關(guān)技能，如果要將它改進(jìn)為一門技術(shù)并在實(shí)際中應(yīng)用的話，我認(rèn)為至少還需要改進(jìn)以下幾點(diǎn)： （一）本次設(shè)計(jì)應(yīng)用的定位傳感器精度不高，并且容易受到外界尤其是強(qiáng)光影響；建議在實(shí)際應(yīng)用中采用更合適的傳感器； （二）本次設(shè)計(jì)的速度控制只是為了完成設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單設(shè)定了高、低兩個(gè)檔；實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該改進(jìn)為根據(jù)不同區(qū)域需要能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)并且穩(wěn)定在所有需要的速度上的速度控制系統(tǒng)； （三）本次設(shè)計(jì)的小車沒有在加減速時(shí)的自動(dòng)聲光報(bào)警信號(hào)，改進(jìn)中應(yīng)適當(dāng)加上； （四）本次設(shè)計(jì)小車只能直線運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該在改進(jìn)中增加轉(zhuǎn)彎功能，以適應(yīng)多變的環(huán)境的需要。總之，還有許多的方面的改進(jìn)，以至可以把之中的某項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過改進(jìn)處理，應(yīng)用到實(shí)際的汽車自動(dòng)控制工業(yè)中去，以達(dá)到理論指導(dǎo)時(shí)間，實(shí)踐應(yīng)用到生產(chǎn)