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苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 1 页 共 34 页 基于直流电机的小车运动控制设计基于直流电机的小车运动控制设计 目录目录 摘要摘要 3 3 前前言言 4 4 第第 1 1 章章 系统系统概概述述 5 5 第第 2 2 章章 直流电机直流电机工工作原理作原理 6 6 第 2.1 节 直流电机的结构.6 第 2.2 节 直流电机的分类.6 第 2.3 节 直流电动机的工作原理.7 第 2.4 节 直流电机的可逆运行原理.7 第第 3 3 章章 脉冲宽度调脉冲宽度调制制(pwm)(pwm)控制技术控制技术 9 9 第 3.1 节 脉冲宽度调制基本原理.9 第 3.2 节 脉冲宽度调制具体过程10 第 3.3 节 脉冲宽度调制的优点10 第 3.4 节 脉冲宽度调制控制方法11 第 3.5 节 脉冲宽度调制相关应用领域11 第第 4 4 章章 硬件硬件设设计计 1212 第 4.1 节 供电电源模块12 第 4.2 节 控制器模块12 第 4.3 节 电机驱动模块15 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 2 页 共 34 页 第 4.4 节 测速模块17 第 4.5 节 显示模块17 第第 5 5 章章 软件软件设设计计 1919 第 5.1 节 主程序设计19 第 5.2 节 直流电机驱动算法19 第 5.3 节 测速算法21 第 5.4 节 数码管显示算法21 总总结结 2323 参考参考文文献献 2424 致谢致谢 2525 附附录录 2626 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 3 页 共 34 页 摘要摘要 本文主要介绍了基于直流电机的小车运动控制设计。该车以玩具小车为车体，直流 电机及其控制电路为整个系统的驱动部分，at89s51 单片机为整个系统的控制核心，采 用 st188 反射式光电传感器来检测小车的运行速度，并通过一个 4 位一体的数码管显示 出来，使用驱动芯片 74hc245 来驱动数码管的显示；整个系统使用 5v 的直流电源供电， 直流电机驱动采用 pwm 控制技术，可以灵活方便地对车速进行控制。 关键词：直流电机，单片机，小车关键词：直流电机，单片机，小车 abstract : in this paper, the car based dc motor motion control design , the toy car as the car body , dc motor and control circuit for the driving part of the whole system , at89s51 microcontroller core for the control of the entire system , using st188 reflective photoelectric sensor to detect the cars speed , and through a 4-in-one digital display up , use the driver ic 74hc245 to control the digital tube display . the system uses the 5v dc voltage power supply , dc motor-driven use pwm control technology , the flexibility to easily control the speed . key words: dc motor , mcu , car 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 4 页 共 34 页 前言前言 随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、dvd、洗衣机、汽 车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。各种智能化小车在 市场玩具中也占一个很大的比例。根据美国玩具协会的调查统计，近年来全球玩具销量 增幅与全球平均 gdp 增幅大致相当。而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大改变： 传统玩具的市场比重正在逐步缩水，高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上，已经成为玩家 行业发展的主流。因此，遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高市场 价值的。 智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环 境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能电动车就是 其中的一个体现。 智能电动车是由一个电动玩具车改造而成，更换了电动玩具车的电机和驱动电路， 增加了电控系统。电控系统的主要任务是使智能电动车按既定控制方法行驶。 智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技 术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。它在军事、民用和 科学研究等方面已获得了应用，随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速 发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。计算机控制与电子技术融合为电子设备智能 化开辟了广阔前景。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 5 页 共 34 页 第第 1 章章 系统概述系统概述 整个系统基于玩具小车的机械结构，小车控制系统总体结构如图 11 所示。以 at89s51 单片机为控制核心，主要由电源模块、控制器模块、直流电机驱动模块、测速 模块和显示模块组成。首先，由电源模块产生 5v 的直流电压，供单片机、电机驱动芯片、 数码管驱动芯片和测速模块使用，单片机输出相应的控制信号给驱动芯片驱动电机转动， 从而控制整个小车的运动，直流电机的驱动电路采用 pwm 电路,精确调整电动机转速。 测速模块通过光电编码盘来检测小车的速度，将检测得到的脉冲信号送入单片机的 t0 口进行计数, 同时完成脉冲数计算，通过定时计数器来计时间，算出实时速度，并通过一 个四位一体数码管显示出来，从而验证 pwm 控制技术对小车速度的控制；使用驱动芯片 74hc245 来控制数码管的显示。单片机外部资源分配：p0.0p0.2 控制电机的使能和方 向，p1.0p1.7 和 p3.0、p3.1、p3.3、p3.5 用于数码管的控制位，p3.2、p3.4 用于测 速模块的输入。电路原理图见附录 1。 图 1.1 小车控制系统总体结构图 控制器 模块 电源模块 电机驱动模块 测速模块 显示模块 运行电机 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页 共 34 页 第第 2 章章 直流电机工作原理直流电机工作原理 输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能 互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 直流电机在当今生活的各方面应用越来越广泛，直流电机的调速控制是电机应用的 一个重要技术保障。直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许 多优点，因此在许多行业中仍有应用。 第第 2.12.1 节节 直流电机的结构直流电机的结构 直流电机的结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为 定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置 等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直 流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换 向器和风扇等组成。 第第 2.22.2 节节 直流电机的分类直流电机的分类 按结果主要分为直流电动机和直流发电机；按类型主要分为直流有刷电机和直流无 刷电机。 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问 题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。 (1)、 他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称 为他励直流电机，永磁直流电机也可看作他励直流电机。 (2)、 并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发 出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源， 从性能上讲与他励直流电动机相同。 (3)、 串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 7 页 共 34 页 磁电流就是电枢电流。 (4)、 复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产 生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是 并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。 第第 2.32.3 节节 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个 力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转 动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载 转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 图 2.1 直流电动机的原理模型 图 2.2 直流电动机原理模型 如图 2.1 和 2.2 所示，当电枢转了 180后，导体 cd 转到 n 极下，导体 ab 转到 s 极 下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 a 流入，经导体 cd 、ab 后，从电 刷 b 流出。这时导体 cd 受力方向变为从右向左，导体 ab 受力方向是从左向右，产生的 电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由 导体 ab 和 cd 流入，使线圈边只要处于 n 极下，其中通过电流的方向总是由电刷 a 流 入的方向，而在 s 极下时，总是从电刷 b 流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的 电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是 直流电动机的工作原理。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 8 页 共 34 页 第第 2.42.4 节节 直流电机的可逆运行原理直流电机的可逆运行原理 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这种原理在 电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极 n、s 之间旋转时，电枢绕组 上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外 供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流 引向电枢绕组，则此电流与主磁极 n.s.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连 接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 9 页 共 34 页 第第 3 章章 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(pwm)控制技术控制技术 脉冲宽度调制(pwm)，是英文“pulse width modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利 用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测 量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基 极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电 源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进 行控制的一种非常有效的技术。 pwm 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛 应用的控制方式，也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的 界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 pwm 控制技术发展的主 要方向之一。 第第 3.13.1 节节 脉冲宽度调制基本原理脉冲宽度调制基本原理 随着电子技术的发展，出现了多种 pwm 技术，其中包括：相电压控制 pwm、脉宽 pwm 法、随机 pwm、spwm 法、线电压控制 pwm 等，而在镍氢电池智能充电器中采 用的脉宽 pwm 法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为 pwm 波形，通过改变脉冲 列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压 与频率协调变化。可以通过调整 pwm 的周期、pwm 的占空比而达到控制充电电流的目 的。 模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9v 电池就是一种 模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于 9v，而是随时间发生变化，并可取任何实 数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与 数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0v, 5v这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的 模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流 经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变 大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 10 页 共 34 页 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点 就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可 能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功 耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何 扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微 控制器和 dsp 已经在芯片上包含了 pwm 控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。 第第 3.23.2 节节 脉冲宽度调制具体过程脉冲宽度调制具体过程 脉冲宽度调制（pwm）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率 计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。pwm 信 号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)，要么完 全无(off)。电压或电流源是以一种通(on)或断(off)的重复脉冲序列被加到模拟负载上 去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。 只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 pwm 进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于 10hz，通常调制 频率为 1khz 到 200khz 之间。 许多微控制器内部都包含有 pwm 控制器。例如，microchip 公司的 pic16c67 内含 两个 pwm 控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比； 调制频率为周期的倒数。执行 pwm 操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： (1)、 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 (2)、 在 pwm 控制寄存器中设置接通时间 (3)、 设置 pwm 输出的方向，这个输出是一个通用 i/o 管脚 (4)、 启动定时器 (5)、 使能 pwm 控制器 第第 3.33.3 节节 脉冲宽度调制的优点脉冲宽度调制的优点 pwm 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻 辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时，也才能对数字信号产生影响。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 11 页 共 34 页 对噪声抵抗能力的增强是 pwm 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些 时候将 pwm 用于通信的主要原因。从模拟信号转向 pwm 可以极大地延长通信距离。在 接收端，通过适当的 rc 或 lc 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，pwm 经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用 中使用的有效技术。 第第 3.43.4 节节 脉冲宽度调制控制方法脉冲宽度调制控制方法 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环 节上时，其效果基本相同。pwm 控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的 导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲 来代替正弦波或其他所需要的波形，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆 变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 pwm 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上 世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代,随着全控型电力电子器件的出 现和迅速发展，pwm 控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微电子技术和自动控 制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用， pwm 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种 pwm 控制技术，根据 pwm 控制技术的特点，到目前为止主要有以下 8 类方法： (1)、 相电压控制 pwm (2)、 线电压控制 pwm (3)、 电流控制 pwm (4)、 空间电压矢量控制 pwm (5)、 矢量控制 pwm (6)、 直接转矩控制 pwm (7)、 非线性控制 pwm (8)、 谐振软开关 pwm 第第 3.53.5 节节 脉冲宽度调制相关应用领域脉冲宽度调制相关应用领域 pwm 控制技术主要应用在电力电子技术行业,包括风力发电、电机调速、直流供电等 领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能 减排具有积极意义。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 12 页 共 34 页 第第 4 章章 硬件设计硬件设计 第第 4.14.1 节节 供电电源模块供电电源模块 由于系统 cpu、小车电机、传感器及其他部分均采用+5v 供电，考虑小车功率和摩 擦阻力等问题，电源采用直流 8v 电池供电，经稳压芯片 lm7805 输出 5v 电压供单片机 及其他电路使用，具体接法如图 4.1。 图 4.1 电源电路连接图 电路为输出电压+5v 稳压电源。它由 8v 干电池、滤波电容 c1、 c2，一只固定式三 端稳压器(7805)管构成的，由开关 s 控制电压的输出，为了防止电源掉电而影响电路工作， 设计了电源指示电路，由一个 1k 的电阻和一个发光二极组成。 4.1.1. 稳压芯片稳压芯片 lm7805 简介简介 稳压电路由固定式三端稳压器 lm7805 完成，lm7805 的 vin 和 gnd 两端形成一个 并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生 变化)。此直流电压经过 lm7805 的稳压和 c2 的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度 高、稳定度好的直流输出电压。lm7805 输入端接 6vdc，输出的是 5vdc。 第第 4.24.2 节节 控制器模块控制器模块 控制器模块即单片机最小系统单元，如图 4.2 所示，其主要由 51 单片机、时钟、复 位电路组成，本系统采用外部 12m 晶振，便于单片机内部定时器产生精确的定时。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 13 页 共 34 页 图 4.2 单片机最小系统电路图 4.2.1. 单片机简介单片机简介 所谓单片微型计算机，是指将组成微型计算机的基本功能部件，如中央处理器 cpu、存储器 rom 和 ram、输入/输出（i/o）接口电路等集成在一块集成电路芯片上的 微型计算机，简称单片机。 在过去的几十年中，电子工业飞速发展。随着微处理器芯片的集成度越来越高，单 片机的应用越来越广泛，并逐渐发展成为一门关键的技术学科。单片机具有体积小、重 量轻、耗电少、电源单一、功能强、价格低、运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高等 一些突出的优点，所以单片机已经广泛的应用于智能仪表、工业控制、家用电器、计算 机网络和通信领域中的应用、医用设备领域中。 4.2.2. mcs-51 单片机的结构单片机的结构 单片机 scm（single chip microcomputer）是把微型计算的机的主要部分都集中在一 个芯片上的单芯片微型计算机。主要包括了中央处理器、存储器、输入/输出口和定时器/ 计数器，中断系统等功能部件。单片机自七十年代以来，已经有了很大的发展被广泛的 应用于机械、测量控制、工业自动化、智能接口和智能仪表等许多领域。目前国内应用 最广泛的就是 mcs-51 单片机芯片。 mcs-51 系列单片机的最典型的产品有内部无 rom 的 8031、内部具有 4kb 字节掩 膜 rom 的 8051 及内部具有 4kb 字节 eprom 的 8751，这三种型号的单片机除内部程序 存贮器 rom 不同外其它内部资源相同，mcs-51 单片机内部结构图见附录二。 8051 的内部资源为： (1)、 8 位 cpu 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 14 页 共 34 页 (2)、 4kb 字节掩膜 rom 程序存贮器 (3)、 128 字节内部 ram 数据存贮器 (4)、 2 个 16 位的定时器/计数器 (5)、 1 个全双工的异步串行口 (6)、 5 个中断源、2 级中断优先级的中断控制器 (7)、 时钟电路，外接晶振和电容可产生 1.2mhz12mhz 的时钟频率 4.2.3. 数据处理及控制芯片数据处理及控制芯片 at89s51 at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗、高性能 cmos 8 位单片机。其引脚图 见附录 3。 (1)、 主要性能参数：与 mcs-51 产品指令系列完全兼容；(isp)flash 闪速存储器； 4k 字节在系统编程；1000 次擦写周期；4.05.5 v 工作电压范围；全静态工作模式： 0hz33mhz；三级程序加密锁；128 字节内部 ram；32 个可编程 i/o 口线；2 个 16 位 的定时/计数器；6 个中断源；全双工串行 uart 通道；低工耗空闲和掉电模式；中断可 从空闲模式唤醒系统；看门狗(wdt)及双数据指针；掉电标识和快速编程特性。 (2)、 at89s51 的引脚功能 电源及时钟引脚：包括电源引脚 vcc、vss 及时钟引脚 xtal1、xtal2；电源引脚 接人单片机的工作电源，vcc(40 脚)接+5v 电源，vss(20 脚)接地。 p0 口(p0.0p0.7)：为双向 8 位三态 io 口，当作为 i/o 口使用时，可直接连接外部 i/o 设备。它是地址总线低 8 位及数据总线分时复用口，可驱动 8 个 ttl 负载。一般作为 扩展时地址/数据总线口使用。 p1 口(p1.0p1.7)：为 8 位准双向 io 口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输 出线(作为输入时，口锁存器必须置 1)，可驱动 4 个 ttl 负载。 p2 口(p2.0p2.7)：为 8 位准双向 io 口，当作为 i/o 口使用时，可直接连接外部 i/o 设备。它是与地址总线高 8 位复用，可驱动 4 个 ttl 负载。一般作为扩展时地址总线 的高 8 位使用。 p3 口(p3.0p3.7)：为 8 位准双向 io 口，是双功能复用口，可驱动 4 个 ttl 负载。 p3 口除了一般 i/o 线的功能外，还具有更为重要的第二功能，如表 4-1 所示。p3 口同时 为 flash 编程和编程校验接收一些控制信号。 表 4-1 p3 口的第二功能 端口引脚第二功能 p3.0rxd（串行输入口） p3.1txd（串行输出口） 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 15 页 共 34 页 p3.2/into（外部中断 0） p3.3/int1（外部中断 1） p3.4t0（定时器 0 外部输入） p3.5t1（定时器 1 外部输入） p3.6/wr（外部数据存储器写选通） p3.7/rd（外部数据存储器读选通） rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：地址锁存使能信号输出端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出 电平用于锁存地址的低位字节。在平时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此 频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时。 /psen：程序存储器输出使能端。低电平有效，在由外部程序存储器取指期间，每个 机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出 现。 /ea/vpp：片内程序存储器屏蔽控制端，低电平有效。当/ea 保持低电平时，则在此 期间外部程序存储器（0000h-ffffh） ，不管是否有内部程序存储器。当/ea 端保持高电 平时，执行片内程序存储器。在 flash 编程期间，此引脚也用于施加 12v 编程电源 （vpp） 。 4.2.4. at89s51 的复位电路的复位电路 at89s51 的复位电路如图 4.3 所示。当单片机一上电，立即复位；另外，如果在运 行中，外界干扰等因素使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞”，就可以通过按键使其复 位。复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。 图 4.3 复位电路图 4.2.5. 时钟振荡电路时钟振荡电路 单片机的晶振选用 12mhz, 为保证单片机 reset 引脚保持 2 个高电平周期复位。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 16 页 共 34 页 第第 4.34.3 节节 电机驱动模块电机驱动模块 电机驱动模块由 l298n 芯片、小型直流电动机和三极管组成。电路连接图如图 4.4。 图 4.4 电机驱动模块电路图 从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其他外部负载时也不能带动电机，所以 在实际电路中加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的频率，从而能根据需要控制电机 转动，根据驱动管大小和连接电路的简化要求选择 l298n，在电机线圈两端分别接入了 二极管进行过流保护，以防在控制电机换向时电流过大而损毁电机。 4.3.1. l298n 芯片简介芯片简介 l298n 是 st 公司生产的电机专用驱动芯片。该芯片的主要特点是：工作电压高，最 高工作电压可达 46v；输出电流大，瞬间峰值电流可达 3a，持续工作电流为 2a；内含 两个 h 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电 器、线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入 信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分 在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。 l298n 可驱动 2 个电机，out1，out2 和 out3，out4 之间可分别接电机，本 设计中选用驱动一台电动机。5、7、10、12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。en a 、 en b 接控制使能端，控制电机的停转。表 4-2 是 l298n 功能逻辑图。 表 4-2 l298n 功能逻辑表 en ain 1in 2运行状态 0xx停止 110正转 101反转 111刹停 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 17 页 共 34 页 100停止 in3，in4 的逻辑图与表 4-2 相同。由表 4-2 可知 en a 为低电平时，输入电平对电 机控制不起作用，当 ena 为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平 电机停止，同为高电平电机刹停。 第第 4.44.4 节节 测速模块测速模块 转速测量的目的是为了可以实时观察小车的运行状态，通过检测并显示运行时的速 度来验证对小车速度的控制。为了能够低成本的实现功能，测速模块采用 st188 反射式 光电传感器测速，并选择了简易码盘作为速度反馈信号，st188 光电传感器由一个发光二 极管和一个三极管组成。如图 4.5 所示。 图 4.5 测速模块电路连接图 由于光电传感器对黑色和白色反射系数不同，通过自制码盘，光电码盘用白色纸板 自制，将纸板剪成圆形，平均分成四个扇面后，将其隔一个涂黑一个，码盘如图 4.6 所 示。将码盘固定在车轮上，当码盘随车轮转动时，光电传感器经过黑色时，发光二极管 发出的光被黑色吸收，传感器内部三极管接不到反射信号，经过白色时，发光二极管发 出的光被传感器内部三极管接收到输出端有信号输出，当码盘随车轮转动时光电传感器 轮流经过黑色和白色，便产生一个个脉冲。车轮每转一周就产生 2 个脉冲，产生的脉冲 经过外部中断再经计数器计数，通过计数值可计算出车轮行走的距离，通过定时计数器 来计时间，算出实时速度。即完成了测速。 图 4.6 码盘外观图 注意事项：传感器不能离码盘太近，如果太近，传感器和码盘间缝隙太小光线太弱 导致光电传感器一直测不到码盘白色部分，导致测速失败。距离也不能太远，太远光电 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 18 页 共 34 页 传感器无法感知到返回光线。距离应保持在 0.51.5cm 之间。 第第 4.54.5 节节 显示模块显示模块 显示模块主要由一个 4 位一体的 8 段 led 数码管(sm410564)和驱动芯片 74hc245 构 成，用于显示测量到的电压值。数码管具有低耗能、低损耗、低压、长寿命等特点，对 外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，精确可靠，操作简单。该设计使用的 是一个共阳极的数码管，每一位数码管的原理图如图 4.7 所示。每一位数码管的 a,b,c,d,e,f,g 和 dp 端都各自连接在一起，用于接收 at89s51 的 p1 口产生的显示段码。 1，2，3，4 引脚端为其位选端，用于接收 at89s51 的 p3 口产生的位选码。 图 4.7 一位数码管的原理图 4.5.1. 74hc245 芯片介绍芯片介绍 74hc245 为三态输出的八组总线收发器，在本实验中作为驱动芯片使用，用于驱动 数码管的点亮。其引脚图见附录 3。 a：a 总线端； b：b 总线端； /g：三态允许端（低电平有效）； dir：方向控制端； vcc：电源； gnd：接地。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 19 页 共 34 页 第第 5 章章 软件设计软件设计 第第 5.15.1 节节 主程序设计主程序设计 本系统主要实现的各个模块算法为：直流电机驱动算法，测速算法，数码管显示算 法。系统总体程序框图如图 5.1 所示。其中，在小车运行的过程中，会不断调用测速算 法，并通过数码管将实时速度显示出来。 图 5.1 主程序流程图 第第 5.25.2 节节 直流电机驱动算法直流电机驱动算法 5.2.1. 硬件参数分析硬件参数分析 设计中所使用的直流电机的工作电压为 4.86v，转速 r 为每秒 480 转600 转，设 定 pwm 波形的周期为 18ms，可以得到 4.8v 对应的脉宽=3.2ms，6v 对应的脉宽为 tmin =4.0ms。由此可得到脉宽 t 与转速 r 的关系为：，则有, tmax tr150150)(tdrr dr 为补偿值。 初始化 开始 初始化 int0 用于测速 开始 运行电机 初始化定时器 0，产生 pwm 信 号 计算速度并显示 结束 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 20 页 共 34 页 码盘每转一周就产生 2 两个脉冲，采样周期为 ts，则 ts 时间内的脉冲数为 （ts 的单位为 ms，rr 为电机实际转速，单位为转/s） 。取 3 102 tsrr nts ts=10ms,则。则。210210 3 rrrr nts 2 r n rts 5.2.2. 控制流程设计控制流程设计 工作流程图如图 5.2 所示。首先设定好转速和转向，将转速转换成 pwm 波的脉宽， 通过定时器 0 产生 pwm 波形使直流电机转动，通过定时器 1 来获得实际的转速和转向， 并与设定的转速和转向相比较，得到补偿值，然后重新计算脉宽，使设定值与实际检测 的数据一致，就可以输出 pwm 波形控制直流电机的转速和转向，最后修改控制转速和转 向的参数，使小车实现变速和正反方向的运动。 图 5.2 直流电机驱动程序流程图 5.2.3. pwm 波形的输出波形的输出 设计中定时器 0 用于产生 pwm 波形，定时器 0 的每次中断时间间隔被设置成 0.01ms，time0_count 用于累计中断次数，当 time0_count=1 时，p1.0(pwm)输出高电平； 当 time0_count=t（脉宽）时，p1.0(pwm)输出低电平；当 time0_count=pwm_t（脉冲周 期）时，time0_count 被清零，完成一个 pwm 波的输出。此时调用 pwm_setting 子函数， 通过该子程序重新设定转速。程序代码见附录 4。 开始 设定转向和转速 r 利用定时器 0 输出 pwm 波形 修改转速和转向 利用定时器 1，获得 实际转速 rr 和转向 计算实际补偿值 重新计算脉宽 把转速转化成脉宽 t 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 21 页 共 34 页 第第 5.35.3 节节 测速算法测速算法 为了可以实时观察小车的运行状态，在小车的右侧前轮旁安装有一个光电传感器 st188，车轮内侧粘贴有一个黑白相间的电码盘，其形状如图 4.6 所示。车轮转动时带 动电码盘转动，使光电传感器状态产生变化，可检测到一个个的脉冲，记录两个脉冲所 间隔的时间，便能得到实际车速，然后调用显示函数显示。由此就可以得到小车运行时 的实时速度，来验证 pwm 控制技术对小车速度的控制。测速程序的流程图如图 5.3 所 示。 图 5.3 测速程序的流程图 第第 5.45.4 节节 数码管显示算法数码管显示算法 显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。检测所得的数据放在 70h 内存单元中，测量数据在显示时需转换成 10 进制 bcd 码放在 78h7ah 单元中。寄存 器 c0 用作显示数据地址指针。程序流程图如图 5.4 所示。程序代码见附录 5。 开始 计算与上一次脉冲相隔的时间 保存当前时间 脉冲总数加 1 返回 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 22 页 共 34 页 图 5.4 显示子程序流程图 c0=c0+1 c0p0 查表取相应段码 c0=c0+1 c0p0 查表取相应段码 结束 点亮小数点 开始 c0p0 查表取相应段码 初始化 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 23 页 共 34 页 总结总结 短短四个月毕业设计，每天忙忙碌碌，一步一步走来，今天终于迎来了自己的成果。 在这期间，经常遇到各种各样的问题，时常为不能解决的问题而一筹莫展，但这并未因 此打消我的信心，而是使我更加专著的去解决问题，也因此这相对短暂的时间却是几年 来过得最为充实的日子，充满了挑战的艰辛与乐趣。 在老师的指导和督促下，经过这几个月的紧张设计与开发，我的毕业设计基于直流 电机的小车运动控制设计终于完成了。通过本系统的设计使我所学的专业知识得到了综 合的运用，对以前很多抽象、枯燥的理论知识加深了理解。 能够顺利的完成这次毕业设计，也得益于指导教师的帮助，在他们的帮助下，通过 到网上查资料，借阅图书等一些途径，使困难很快的得到解决。最终按照设计说明书的 要求完成了自己的毕业设计，由于时间有限、自身知识水平不足，这个系统还不是非常 地完善，我的设计还难免存在着很多不足的地方，请各位老师给予指正和提出宝贵的建 议，我坚信在今后的工作中我会做得更好。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 24 页 共 34 页 参考文献参考文献 1.赵德安，编著、单片机原理与应用、机械工业出版社、2009.4 2.沈任远，吴勇编著、模拟电子技术基础、机械工业出版社、2006.1 3.王俊鹍，编著、电路基础、人民邮电出版社、2007.2 4.郭勇，余小平编著、电子系统综合设计、北京大学出版社、2007.9 5.王彦朋，编著、大学生电子设计与应用、中国电力出版社、2007.7 6.蓝和慧，宁武编著.单片机应用技能精解、电子工业出版社、2009.4 7.魏立峰，王宝兴编著.单片机原理与技术应用、北京大学出版社、2008.5 8.杨志刚，编著、 protel 99se 电子原理图设计技术、西安工业出版社、2001 9.颜利彪，范蟠果编著、基于单片机的简易智能电动车j、电子技术、2004.4 10.krishna c m 、shin g k.real-time systemm、mccraw-hill companies、1997 11.jeanj.labrosse、 uc/os-ii the real-time kernelm、北京航空航天大学出版社、2003 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 25 页 共 34 页 致谢致谢 在本文即将完成之际，我首先要衷心地感谢我的指导老师邵雷老师。老师在学习方 法、研究思路等方面给予了我悉心的指导。从论文的选题、研究理论、框架结构、直至 撰写、修改和定稿等各个环节均严格把关；使我在学习和工作中，都受益匪浅，这些对 我的生活和工作都起着不可估量的影响，在此，我对敬爱的老师表示衷心的感谢！他始 终如一地关心我各方面上的进展，悉心指导研究的各个环节，反复审阅了论文稿，提出 许多修改意见，为本文的完成付出了很多心血。他渊博的学术造诣及严谨的治学态度给 我以深刻教诲，深信将受益终身。 最后，对所有在我的成长道路上关心和帮助过我的老师、同学、亲友表示衷心的感 谢。 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 26 页 共 34 页 附录附录 附录 1：电路原理图 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 27 页 共 34 页 附录 2：mcs-51 单片机内部结构图 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 28 页 共 34 页 附录 3：芯片引脚图 at89s51 芯片引脚图 74hc245 引脚图 苏州大学本科生毕业设计（论文） 第 29 页 共 34 页 附录 4：直流电机驱动程序代码 #include sbit int_0=p32; /将 p3.2 设为外部中断 0 sbit pulse_a=p00; /p0.0 为脉冲 a 输入 sbit pwm=p02; /pwm 波形输出 #define pwm_t 1800 /定义 pwm 的周期为 18ms #define ts 1000 /定义采样时间为 10 ms #define time_data (256-10) /定时器预定值，12m 时钟，定时 0.01ms bit direction; /方向标志位 unsigned char r; /需要得到的转速 bit real_direction; /电机实际运行方向 unsigned char rr; /实际转速 bit compensate_polarity; /补偿极性 unsigned char dr; /转速补偿 unsigned char pwm_t; /pwm_t 为脉冲宽度 unsigned char pwm_count; /输出 pwm 周期计数 unsigned char pulseb_count; /脉冲计数 unsigned char time0_count; /定时计数 unsigned char time1_count; /定时计数 void timer_init() /初始化设置定时器 tmod=0x22; /定时器 1 为工作模式 2，0 为模式 2 pcon=0x00; tf0=0; th0=timer_data; /保证定时时长为 0.