毕业设计（论文）-电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现.doc

编号 2013180123研究类型应用研究 分类号 TP27学士学位论文（设计）Bachelors Thesis论文题目电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现学士学位论文（设计）诚信承诺书中文题目：电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现外文题目：The Design and Implementation of Detection Sensor and Electromagnetic Track Power Supply 学生姓名学生学号院系专业机电与控制工程学院电气工程及其自动化学生班级0901班学 生 承 诺我承诺在学士学位论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人学士学位论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。 学生（签名）：年 月 日指导教师承诺我承诺在指导学生学士学位论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术道德规范，经过本人核查，该生学士学位论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。 指导教师（签名）： 年 月 日毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录1.引言12.选题背景12.1选题的必要性12.2国内外发展研究现状及分析23.系统基础理论23.1电磁流产生磁场原理23.2恒流原理简单介绍53.3 MC9S12XS128的特点53.4 Codewarrior开发软件63.5串口调试软件73.6无线传输测试软件83.7 labview上位机软件94.电磁信号处理与赛道电源设计94.1电磁检测与放大电路94.2赛道电源硬件电路设计145.系统软件设计225.1软件设计基础225.2信号检测程序的实现236.系统测试与分析256.1信号处理测试256.2赛道电源测试276.3 labview测试287.总结与展望298.参考文献31电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现童咏华（指导老师，胡长晖 讲师）（湖北师范学院机电与控制工程学院 中国 黄石 435002）摘 要:本文介绍了电磁赛道电源的制作基本原理，制作前用ISIS 7 Professional进行仿真测试，制作设计出稳定提供20KHz 100mA的交变电流的电源，实物焊接完成以后进行电流以及频率测试。检测传感器也同如上步骤设计制作。编写信号处理软件来测试赛道电源以及电磁检测。测试表明，本智能车行驶在复杂多变的赛道上，具有较好的稳定性和适应性。关键词:电磁赛道电源；电磁传感器；信号处理程序；测试中图分类号:TP27The Design and Implementation of Detection Sensor and Electromagnetic Track Power Supply Tong Yonghua（Tutor：Hu Changhui）(College of Mecharonics and Control Engineering, Hubei Normal University, Huangshi, China, 435002)Abstract :This paper introduces the basic principle of electromagnetic circuit power supply production, before the production with ISIS 7 Professional simulation test, and production design provides stable 20 KHZ 100 ma of alternating current power source, physical testing after the completion of the welding current and frequency. Detection sensor is same as above steps to design and production. Write the signal processing software to test the circuit power supply and electromagnetic detection. Test shows that the intelligent car driving in complex on the track, has good stability and adaptability. Key words :Electromagnetic circuit power supply；Electromagnetic sensors ；The signal processing program；The test1湖北师范学院机电与控制工程学院2013届学士学位论文（设计）电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现童咏华（指导老师，胡长晖 讲师）(湖北师范学院机电与控制工程学院 中国 黄石 435002)1.引言车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。在电磁组比赛中，利用了原来C型车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走。相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求。为了能够帮助参赛学生尽快制作车模参加比赛，竞赛秘书处编写了C型车模直立行走的参考设计方案。参赛队员可以在此基础上，进一步改进硬件和软件方案，提高竞赛水平。本文主要是关于电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现，第七届电磁智能车改成直立行走，难度加大，为了使小车能够较准确的采集方向信息实现快速可靠的调整方向，赛道电源和检测传感器都应该做到识别误差最小，为此需要设计可靠的赛道电源使其产生幅值以及频率可调的电流信号由电磁传感器检测出来并通过放大电路进行放大再将放大的交流信号变为直流信号送给单片机检测，由此得出小车正确的转向以及转度的大小。2.选题背景2.1选题的必要性为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托，由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办全国大学生智能汽车竞赛。该竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。2.2国内外发展研究现状及分析清华大学汽车研究所是国内最早成立的主要从事智能汽车及智能交通研究单位之一，在汽车导航，主动避撞，车载微机等方面进行了广泛而深入的研究1992年，国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统，被安装在一辆国产的中型面包车上，使该车既保持了原有的人工驾驶性能，又能够用计算机控制进行自动驾驶行车。2000年6月，国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km，创下国内最高纪录。2003年7月，国防科技大学和中国一汽联合研发的红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速13Okm，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。上海市“智能汽车车内自主导航系统的一种样车，2000年7月19日通过市科委鉴定，它标志着上海智能交通系统进入实质性实施阶段。国防科大成功试验了第四代无人驾驶汽车，它的最高时速达到75.6公里，创国内最高纪录。西北工业大学空管所，吉林交通大学，重庆大学等都在展开相关研究。这一新兴学科吸引着越来越多的研究机构，学者加入到智能车相关技术开发中。国内也有很多大学生智能车竞赛，将智能车的研究更加普及，带动了国内高校自动化，电子等相关专业的教学改革和发展。如“飞思卡尔”全国大学生智能汽车竞赛和“瑞萨杯”全国大学生智能汽车竞赛。“飞思卡尔”已经举办了五届，“瑞萨杯”已经举办三届。这两项比赛参加的学校和人数都是一年比一年多，大大的促进了智能车的理念的普及，也加强大学生实践、创新能力和团队精神培养。3.系统基础理论3.1电磁流产生磁场原理根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。智能汽车竞赛使用路径导航的交流电流频率为 20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为 3kHz30kHz，波长为 100km10km。如图3.1所示：图3.1 电流周围的电磁场示意图导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这正是我们进行电磁导航的目的。由于赛道导航电线和小车尺寸L远远小于电磁波的波长，电磁场辐射能量很小（如果天线的长度L远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行位置检测。由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流 I长度为L的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r处P点的磁感应强度如图3.2所示：图3.2 直线电流的磁场由此得：。对于无限长直导线电流如图3.3，上式中，则有。图3.3 无限长导线周围的磁场强度比赛选择 20kHz的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得 20kHz的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。可以使用 LC串并联电路来实现选频电路（带通电路），如图3.4所示图3.4 RLC并联谐振电路上述电路中，E是感应线圈中的感应电动势，L是感应线圈的电感量，R0是电感的内阻，C是并联谐振电容。上述电路谐振频率为：。已知感应电动势的频率，感应线圈电感为L=10mH，可以计算出谐振电容的容量为：通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为6.8nF，所以在实际电路中，我们选用6.8nF的电容作为谐振电容。3.2恒流原理简单介绍恒流部分也可以利用晶体管的在放大区集电极的恒流特性进行控制。如图3.5所示为NPN晶体管和N沟道的MOS管的输出特性的恒流特点：图3.5 NPN晶体管和N沟道的MOS管输出特性曲线利用PNP晶体管的恒流输出电流晶体管可使用大功率双极性晶体管，也可以使用功率MOS管。从电流设定稳定性和恒流特性来看，使用功率双极性晶体管更好。3.3 MC9S12XS128的特点MC9S12XS128 微控制单元作为MC9S12 系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成，包括16位中央处理器、128KB的Flash 存储器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8 通道10 路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O 接口、5个增强型CAN总线接口。同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。MC9S12XS128片内资源表如图3.6所示：图3.6 MC9S12XS128片内资源在整个系统设计中，用到了6个单片机基本功能模块：时钟模块、PWM 输出模块、ECT 模块、中断模块、串口通信模块以及普通IO 模块。根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。3.4 Codewarrior开发软件软件开发工具采用Metrowerks 公司开发的软件集成开发环境Codewarrior for HCS12，其包括集成环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C 交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器，可以完成从源代码编辑、编译到调试的全部工作。开发语言采用HCS12C 语言，语法与标准C 语言基本相同，支持多种数据类型，中断服务程序用中断函数形式来实现，并提供了内嵌汇编的功能。另外，CodeWarrior 编译器提供了几种从C 源代码产生实际汇编代码的优化方法，这些代码被编程到微控制器中。Codewarrior 的功能非常强大，可用于绝大部分单片机、嵌入式系统的开发。用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代码。图3.7是Codewarrior的开发界面：图3.7 Codewarrior开发界面利用BDM 和Codewarrior IDE 的调试界面，可以进行一系列的调试工作，如测量左右传感器电压值，陀螺仪电压值，以及加速度传感器电压值给静态调试工作提供了极大的方便。3.5串口调试软件串口调试助手，支持常用的300-115200bps波特率，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），通信距离较近时(12m)，可以用电缆线直接连接标准RS232端口(RS422,RS485较远)，若距离较远，需附加调制解调（MODEM）。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连。为了更好形象地反的数据，在串口发送中每发送完一行就添加一个回车符，这样得到的数据是每行的数据而不是连成一块的，如图3.8是串口界面图。图3.8 串口调试助手界面3.6无线传输测试软件由于小车是动态运行的，为了实现动态测试，采用了以NRF24L01为核心的无线通信模块，来实现单片机和PC 之间的无线通信，将智能车形式的动态信息传输到PC中进行处理，从而可以分析调整智能车的形式状态，是智能车能以最优的速度在复杂多变的赛道上稳定快速的形式。如图3.9所示为智能车NRF24L01模块：图3.9 NRF24L01无线通信模块MC9S12XS128将智能车运行数据通过SPI接口传输给NRF24L01无线发送模块，NRF24L01无线接收模块接收到数据后，将数据通过SPI接口传输给以8为单片机为主控制器数据接收端，8位单片机将数据通过串口将数据传输给PC机，整个过程如图3.10所示：图3.10 无线通信模块框图3.7 labview上位机软件labview软件可以实时的显示左右传感器的峰值，通过无线传输给labview显示，可以方便的了解小车在运行过程中左右传感器的变化情况。从而来进行相应的调整。我们编写的上位机界面如图3.11所示：图3.11 labview上位机界面4.电磁信号处理与赛道电源设计4.1电磁检测与放大电路4.1.1电磁检测采用10mh电感以及6.8nf电容构成选频电路如图4.1所示：图4.1电磁检测电路仿真时输入运放的电压峰峰值为300mv图形如图4.2所示：图4.2 输入信号（vpp=300mv）使用10mh工字型电感并联6.8nf电容组成选频电路可以从许多频率中选出赛道电源产生的频率这样可以为小车沿着赛道正确行使提供保证。4.1.2信号放大增加有谐振电容之后，感应线圈两端输出感应 20KHz电压信号不仅幅度增加了，而且其它干扰信号也非常小。这样无论导线中的电流波形是否为正弦波，由于本身增加了谐振电容，所以除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉，只有基波 20kHz 信号能够发生谐振，输出总是 20KHz 正弦波。为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到 1-5V 左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有 100 倍左右的电压增益（40db）。最简单的反向比例运算电路如图4.3所示：图4.3 简单的反向比例运算电路为了克服运放单电源供电的问题，我们在运放的同向输入端加入2.5v的电压这样运放的输出交流信号是以2.5v为基准，具体电路如图4.4所示：图4.4采用的信号放大电路LM358的内部频率补偿低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围直流电压增益高(约100dB) 单位增益频带宽(约1MHz) 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5 一15V)低功耗电流，适合于电池供电输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)使用轨到轨运放lmv358，反向放大电路，通过调节滑动变阻器可以实现050倍的放大。在此图中我们在同向输入端加入了2.5v的参考电压，此方法是交流信号放大，运放单电源供电的经典方法。单位增益频带宽=输入频率*放大倍数。此电路最大放大倍数等于1M/20K=50。也就是最大可以实现50倍的放大。运放放大后的波形输出如图4.5所示：图4.5 放大后输出（vpp=2.40v）4.1.3检波输出电路采用肖基特二极管IN5819以及电容电阻组成二倍压检波电路使得输出直流电压为输入交流电压成正比，这样做的目的是有利于单片机进行信号采集节省单片机的宝贵资源检波输出电路如图4.6所示：图4.6二倍压检波输出仿真时测量直流输出电压如图4.7所示：图4.7 直流输出电压（1.2v）用示波器交流档测量纹波如图4.8所示：图4.8 测流检波输出纹波（22.5mv）电磁传感器设计框图如图4.9所示：图4.9电磁模块总图4.2赛道电源硬件电路设计电源技术指标要求根据竞赛比赛细则附件三关于电磁组赛道说明，20KHz电源技术要求如下：（1）驱动赛道中心线下铺设的0.1-0.3mm直径的漆包线；（2）频率范围：20K2K；（3）电流范围：50-150mA；如下图4.10是赛道起跑区示意图，在中心线铺设有漆包线。图4.10 竞赛跑道起跑区示意图首先分析赛道铺设铜线的电抗，从而得到电源输出的电压范围。我们按照普通的练习赛道总长度50，使用直径为0.2mm漆包线。在30摄氏度下，铜线的电阻率大约为 0.0185欧姆平方毫米/米。计算可以得到中心线的电阻大约为29.4欧姆。按照导线电感量计算机公式:。其中L,d的单位均为cm。可以计算出直径为0.2mm，长度50米的铜线电感量为131微亨。对应20KHz下，感抗约为16.5欧姆。可以看出，线圈的电感量小于其电阻值。由于导线的电感量与铺设的形状有关系，上述计算所得到的电感量不是准确数值。另外，我们可以在输出时串接电容来抵消电感的感抗。所以估算电源电压输出范围的时候，我们不再特别考虑线圈的电感对于电流的影响。电源的组成：电源电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路以及电源等组成。如下图4.11所示：图4.11电源组成框图如上各分部功能可以采用不同的电路实现。下面分别给出各个电流的参加考设计方案。4.2.1震荡电路产生中心频率为20KHz的对称方波信号。为了满足功率输出电路的需要，一般输出极性相反的信号。可以使用普通的555时基电路产生振荡信号，也可以使用简易的单片机产生振荡信号。我们选择的是555。为了方便调试，信号频率能够在一定范围内进行调整。如图4.12所示：图4.12 555时基震荡电路 为了产生电压反向，频率相同的方波使用频率响应较快的三极管1815外加电阻电源来实现如图4.13所示：图4.13震荡电路以及反向电路如图，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在2/3 VCC和1/3 VCC之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图4.14所示：图4.14多谐振荡器的波形图输出信号的时间参数是：其中，为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求与均应不小于，但两者之和应不大于。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。震荡电路输出波形如图4.15所示：图4.15 555产生的20khz方波信号4.2.2功率输出电路由L298构成的功率输出电路该电路IN1，IN2引脚接555直接输出以及555经过反向器的输出，2,3脚接赛道电源。1脚进行电机电流检测的引脚这里接到功率三极管的集电极用来测试输出电流的大小具体电路如图4.16所示：图 4.16基于L298的输出电路2,3管脚没有接导线时也就是没有接导线131uh电感以及16.6欧姆电阻时电压波形如图4.17所示：图4.17空载时电压波形赛道电源和模拟赛道串联在一起时的电压波形有些畸变这是由于漏抗产生了漏抗尖峰电流，系统中分布电容的影响使得波行出现震荡的情形仿真时出现的具体波形如图4.18所示：图4.18没有接匹配电容时电压波形在导线中串入0.001uf电容时波形有明显改善，阻抗比较匹配是的电路呈现电阻性输出电压波形如图4.19所示：图4.19串入0.001uf电容进行阻抗匹配理想电压波形输出图4.20所示： 图4.20理想电压波形比较以上三个图形知: 赛道的长度不同铺设的导线长度也不一样则导线的电阻以及阻抗也会有所不同每个赛道就应该有一个最合适的匹配电容才能使得电压波形比较平滑对于电阻为29.4欧姆的赛道导线，流过100mA的电流，电压峰值应该大于3V。考虑到赛道长度有可能进一步增加、漆包线的直径减少等原因，设计电源输出电压的峰值为6V。在输出电流为150mA的时候，电源输出功率大约为0.9W。4.2.3恒流控制利用NPN晶体管的恒流输出电流。晶体管可使用大功率双极性晶体管，也可以使用功率MOS管。从电流设定稳定性和恒流特性来看，使用功率双极性晶体管更好。横流控制电路如图4.21所示：图4.21 恒流控制输出在电路中串入1欧姆的电阻测量电阻两端的电压即可测得输出的电流波形，测得的波形如图4.22所示：图4.22 实测波形官网给出的理想电流波形如图4.23：图4.23理想电流波形比较以上两个图形实际电路，由于线圈电感的影响，线圈中的电流为上升、下降沿缓变的方波波形。通过配置电容总可以使输出电流接近理想，但是实际是不可能完全相同的，因为容抗感抗匹配不可能完全相同而抵消使电路成电阻性。4.2.4电源由LM317以及LM337构成的可调电压源更能够适应赛道的长度而进行相应的赛道电源电压调节具体电路如图4.24所示：图4.24正负12v电源设计电路设计电源应该注意的：输入至少要比输出高2V，否则不能调压。输入电要最高不能超过40V吧。输出电流最好不超过1A。输入12V的话，输出最高就是10V左右。由于它内部还是线性稳压，因此功耗比较大。当输入输入电压差比较大且输出电流也比较大时，注意317的功耗不要过大。一般加散热片后功耗也不超过20W。因此压差大时建议分档调压。5.系统软件设计5.1软件设计基础只要保证单片记的AD采集速率大于20KHz的5-10倍，连续采集5-10个周期的电压信号（大约100数据左右），就可以直接从采集的数据中最大值减去最小值获得信号的峰峰值。假设采集了128个数据：，计算信号的峰峰值可以由下式计算：上面计算方法由于只应用了数据的最大值、最小值，所以结果容易受到噪声的影响，所以还可以通过计算数据交流信号的平均值、有效值反映信号的幅值：上面计算得到的等都与信号的峰峰值成单调关系，所以也可以用来进行计算位置差值信号。5.2信号检测程序的实现车模方向控制利用左右两个感应电磁线圈的电压差值来计算车模电机差值驱动电压。根据前面控制原理介绍，该函数调用周期为周期为10ms同样为了减少对直立控制的影响，方向控制量的变化也被均分配在2个直立控制周期内。通过函数DirectionControlOut来实现。程序实现如下：void Car_Direction_Control(void) int temp0=0;float Sub_E_S_Drection=0;float Add_E_S_Drection=0;AD_E_S_Drection_Left -= E_S_L_Zero ; /减去左电磁传感器零点AD_E_S_Drection_Right -= E_S_R_Zero ; /减去右电磁传感器零点Sub_E_S_Drection = (int)AD_E_S_Drection_Left - (int)AD_E_S_Drection_Right; /电磁传感器差值 Add_E_S_Drection = (int)AD_E_S_Drection_Left + (int)AD_E_S_Drection_Right; /电磁传感器和 DIR_Val= Sub_E_S_Drection/Add_E_S_Drection; / 电磁传感器差值/电磁传感器和 temp0=(int)(DIR_Val*100); if(temp00) temp0=-temp0; temp_P=ARG_DIR_Ptemp0; temp_D=ARG_DIR_Dtemp0; DIRControl= temp_P*DIR_Val + temp_D*(int)AD_W_Speed_Direciton_W;/方向PD控制该程序所依照的程序设计框图如图5.1所示：单片机上电检测左右传感器电压值左传感器电压值加右传感器电压值左传感器电压值减右传感器电压值两传感器差值除两传感器测得电压和进行方向PD控制图5.1 信号检测程序实现框图6.系统测试与分析6.1信号处理测试6.1.1电磁检测测试为了验证RLC选频电路的效果，我们对比了在有和没有谐振电容两种情况下的电感输出的感应电压。在导线中通有20Hz左右，100mA左右方波电流，在距离导线50mm的上方放置垂直于导线的10mH电感，使用示波器测量输出电压波形。没加谐振电容时的实物波形如图6.1所示：图6.1 没有谐振电容时加入682作为谐振电容时波形如图6.2所示：图6.2 有谐振电容时如上图可以看出此时由感输入运放的电压为vpp=560mv，频率为19.94khz波形比较平滑说明10mh工字型和6.8nf电感配套使用效果比较理想。本次比赛我们采用的就是这种方案。6.1.2 放大电路性能测试测量运放输出端电压波形如图6.3所示： 图6.3 运放输出结果如上图可以看出电磁传感器紧贴电源铜导线时峰峰值可以达到6.20v左右，频率20.16khz放大结果没有失真，结果还是比较理想的。而且在传感器位置改变时波形可以较快的跟随改变。6.1.3检波检测检波输出结果如图6.4所示：图6.4 检波输出直流电压由图可以看出此时输出直流电压为2.2v可以方便的由单片机检测并且通过比较左右传感器的电压值来控制小车的行使方向。用示波器交流档测量检波输出的直流电压可以测得输出纹波如图6.5所示：图6.5 检波输出纹波电压 由此图可以看出输出直流电压的纹波最大值约为6mv结果很令人满意主要是因为我们参照官网方案来布线设计并用pcb来制版使得纹波降到最低。6.2赛道电源测试6.2.1输出电流调试电源安装完毕后可以外接10-100欧姆的负载进行调整输出电流。可以直接使用示波器测量阻性负载的外加电压的峰峰值，再除以电阻的阻值，便可以得到输出电流的数值。也可以在电路的功率输出桥下外接一个直流毫安表来显示输出电流的大小。调节恒流设定电位器，使得输出电流在100mA左右。外部负载电阻在10和100欧姆的时候，都应该在50-150mA之内。调试完毕后，使得电源在负载10欧姆之下连续工作1个小时，电源输出的电流、频率都不会漂移出要求的范围6.2.2输出频率调试可使用的示波器或者具有频率测量的万用表测量输出电压的频率。外接10欧姆的负载进行测量负载上电压的频率调节频率设定电位器使得电源频率输出在202kHz。调试完毕后，使得电源在负载10欧姆之下连续工作1个小时，电源输出的电流、频率都不会漂移出要求的范围。注意事项：功率管散热：在外部负载比较小的时候，电路中功率输出晶体管、恒流控制晶体管上的功耗比较大。特别是在整个电路的电源电压较高（比如+12V）的时候，需要对于功耗比较大的晶体管进行合理的散热，以提高电源的工作热稳定性。电源：根据赛道线圈的阻抗，选择电源电压值。如果外部线圈阻抗较低，可以选择5-7.2V的工作电压。如果道路线圈阻抗较大，超过了100欧姆，使用+12V的直流电源。可以使用直流稳压电源，也可以使用蓄电池进行供电。串接谐振电容：当赛道比较长的时候，赛道线圈的电感较大，可以在赛道线圈连接中通过串联电容抵消赛道线圈的感抗。具体电容的大小可以根据实际测量赛道的电感进行匹配。空载时电压波形如图6.6所示：图6.6 空载时电压波形6.3 labview测试下图是车模在运行过程中左右传感器测得的电压值此时调节滑动变阻器可以使左右传感器测得的电压基本相等(两条线基本重合)如图6.7所示：图6.7左右传感器电压值7.总结与展望制作成果：经过大半年的“飞思卡尔”智能车的制作和研究过程中，从赛道的电源制作、信号检测模块再到小车的主板的制作；从小车可以勉强直立，分析其可行性来让小车得到提速。我们一步一步地走过来，从中学到了不少的知识，总结了不少的经验。在每个阶段中，我们都尽量地将小车改进和完善，争取达到最优效果。问题与思考：在智能车的制作过程中，我们的小车曾经出现过很多问题，如小车在行驶的中途突然趴下，循迹传感器撞坏，电机驱动烧毁，因为信号微弱经常冲出赛道等问题，或多或少拖慢了我们的进度，但经队员们不断的努力，和指导老师的帮助，我们从硬件和软件上做了一步步的改良和升级，渐渐对各模块有了深入的认识，对整体有了清晰的把握，我们在不断的前进的同时，小车也不断的加速前进。不足与改进：从小车总体性能各因素考虑，小车系统分为采集、处理、控制三部分。对于采集部分：由于电磁组特点决定了小车的前瞻比较小，而前瞻的大小对速度是有着很大的影响。在这个过程中，我们分析了电感的各种摆放方式对磁场的检测结果。电磁组的传感器的摆放具有比较大的灵活性，这是优点。但对采集回来的信息如何进行有效处理是个难题。由于我们对空间磁场的具体分布的认识不足，也没找到比较好的分析方法，只是运用最简单的左右手法则来确定。这是我们队不足的地方，没有科学的分析方法。关于处理和控制部分：传感器的摆放决定了控制算法。由于没有太多的时间与分析，我们采用的是最简单的摆放方式，但也是很有效的方式，因为信号变化在区间内单调，而双排传感器的摆放能够得到一定的前瞻距离（电磁组的车长度不限）。但长度不是越长越好，太长的话容易在过弯的时候检测到临近的赛道而冲出跑道。在控制算法上，由于整车控制为三闭环控制系统，直立为根本，为直接实现，而调速和循迹作为间接实现。若参数整定不到位，极可能出现环路与环路之间的耦合现象，导致小车无法稳定行使。除此之外，机械结构的布局也从侧面决定了小车提升的空间8.参考文献1竞赛组秘书处.路径检测设计参考方案J.应用研究, 2010, 17(1) :8486.2孙同景,陈桂友Frescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术M.北京:机械工业出版社, 2008: 100120.3卓晴等.学做智能车-挑战飞思卡尔杯M.北京:北京航空航天大学出版社, 2007: 10100.4廖结安.LABVIEW虚拟仪器从入门到测控应用130例M.北京：电子工业出版社, 2013: 2060.5华成英,童诗白.模拟电子技术基础（第四版）M.北京:高等教育出版社, 2007: 3050.6竞赛组秘书处技术组.20KHz电源参考设计方案J.应用研究,2010, 17(1) :3070.7李蒙等.单片机原理及应用M. 北京:中国轻工业出版社,2010: 20100.8张肃文.高频电子线路（第四版）M.北京:高等教育出版社,2007: 530.9张吴肠,马旭,卓晴.基于电磁场检测的寻线智能车设计J.电子产品世界，2009,11:4850.10李仕伯,马旭,卓晴.基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究J.电子产品世界，2009,12:4144.11宋文绪,杨帆.传感器与检测技术第1版M.北京:高等教育出版社,2004: 2060.12贾伯年,俞朴.传感器技术第2版M.南京:东南大学出版社,2000: 100300.13K.Wu,S.Huang. Research on the digital control of arc welding power source J.Applied research,2005(04): 3066.14Podder M. Grounded-source TEM modeling of some deep-seated 3D resistivity structuresJ. Applied research, 1999(06): 6267.15Misac N Nabighian. Electromagnetic Methods in Applied Geophysics Volume 2 Chapter 6: Time Domain Electromagnetic Prospecting MethodsJ. Applied research, 1994: 3060.16Farwing H,Meier Zu;Unbehauen H. Discrete computer control of a triple-inverted pendulumJ. Applied research, 1990(01): 4090.17Jung-Goo Cho ,Sabate, J.A. Zero-voltage and zero-current-switching full bridge PWM converter for high-power applicationsJ. Applied research, 1996, 11(4): 1015.18Kuanfang HE ,Shisheng HUANG. Research on the controller of an arc welding process based on a PID neural networkJ. Applied research, 2008,6(3): 1325.19 Iizuka K，UZUHASHI H，Kano M. Microcomputer control for sensorless brushless motorJ. Applied research, 1985(04): 120.20 ZHANG X J，CHEN B S，ZHU P P. A new method to minimize the commutation torque ripples in trapezoidal BLDC motors with sensorless drive, 2000: 510.32致谢作为一个融合多学科交叉的的复杂系统，完成整智能车的设计、制作和调试是一个非常庞大的工程，仅靠几名队员是很难完成的，它需要一个高效运作、规范管理的团队的紧密合作才能完成。 感谢指导老师们在技术上的指导、物资上支持和多方面的帮助。感谢学院提供的调试场地和测量仪器。同时感谢各个队伍之间在技术上进行的交流和在技术上的对我们提供的帮助，虽然是不同组别，但对我们的小车的提高起到不小的作用。最后还要感谢我们每一位队员在这么长的时间里不懈地努力，付出了不少的汗水，最后能够取得一定的成果。整个比赛的过程，磨练了每个队员的意志，提高了队员的素质，总体而言，我们学到了很多，提高了很多，这将对以后的学习和工作起到很大的作用。附录1电磁信号调理电路2赛道电源3电磁传感器实物图4赛道电源实物图5 车模整体效果图学士学位论文（设计）评审表所在院系机电与控制工程学院学生姓名童咏华导师姓名胡长晖所学专业电气工程及其自动化学生学号2009118010123导师职称讲师论文题目电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现论文主要内容简介本文介绍了电磁赛道电源的制作原理，设计出设计稳定提供20KHz 100mA的交变电流的电源，然后设计检测磁场强度电路及其信号放大电路，编写信号处理软件程序；测试电磁赛道电源；测试电磁传感器每种设计都有几种方法，本文将详细论述每种方法的优缺点来选择合适适合我们小车的最合适的方法来使得小车沿着赛道平稳快速的跑完比赛。测试表明，本智能车行驶在复杂多变的赛道上，具有较好的稳定性和适应性。本智能车在第七届全国大学生智能车竞赛中取得了华南赛区电磁组二等奖的好成绩。论文评语论文总评成绩院系学术委员会主席(签名或盖章)：_ 院系盖章： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所