电磁感应智能电动车设计报告.doc

电磁感应智能电动车设计报告姓名:张峰 学号:2008111116 专业:电子信息工程 学院:电气与新能源学院摘要:为了实现小汽车智能控制，以ATmega16为核心，MCU将各种传感器得到的信息进行综合判别和处理，然后发出指令给电机驱动器，控制小汽车，使小汽车能够快速、准确的实现左转、右转、调速、前进、后退和停车。设计使用了线圈磁场传感器进行路径检测，测量车辆的位置，矫正行车路线。用干簧管检测起始线处的永磁铁使小车能精确的在其附近停车。用PWM调速法准确的实现左转、右转、调速、前进和后退。多传感器并行工作，MCU的综合数据处理为小车按照预定程序运行提供了充分的保证。关键字：ATmega16；线圈磁场传感器；干簧管；PWM调速法1 小车系统整体设计电磁感应智能电动车采用ATMEL公司的高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器作为主控制芯片。利用一个线圈磁场传感器检测路径，实现行车位置的判断，进而控制电机。系统分为控制部分以及信号检测部分。其中小车控制部分包括电机驱动模块；信号检测部分包括路径检测和起始线处永久磁铁检测。系统方案方框图如图1所示。路径检测软件控制驱动电机控制小车图1 智能小车寻迹系统框图2 系统各模块的原理与实现2.1主控芯片的选型ATmega16系列单片机是美国ATMEL公司生产的高性能、低功耗的 8 位AVR单片机。它具有先进的RISC 结构，16K 字节的系统内可编程Flash擦写寿命: 10,000 次；512 字节的EEPROM擦写寿命: 100,000 次；四通道PWM；8路10 位ADC；工作电压:：4.5 - 5.5V；32 个可编程的I/O口；有40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装。片上资源丰富，以提供“单片”解决方案。本系统选用一片40引脚PDIP 封装的ATmega16作为MCU，与电机驱动芯片L298N 一起控制电机。还处理线圈磁场传感器送来的路径检测信号，该信号主要控制小车的加速、减速、惯性行驶、刹车、转向等状态。2.2外部传感器的选择2.2.1检测路径的传感器 现在我们有很多测量磁场的方法，磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应，我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。综合各方面考虑我们选取最为传统的电磁感应线圈的方案。它具有原理简单、价格便宜、体积小（相对小）、频率响应快、电路实现简单等特点，适应于快速实现路经检测的方案。2.2.2检测起始线处永久磁铁的传感器 由于起始线处有永磁铁标记故测量智能车沿跑道跑过的圈数时我们采用干簧管，该传感器体积小，可以装在车轮附近的车身上，每经过一次起始线，干簧开关闭合一次，并且精度比较高，是个很好的选择，故选用。2.3执行部件的选择执行部件分为驱动部件和方向控制部件两个部分。比较好的方案是在方向控制部分使用步进电机，这样可以由MCU比较精确的控制前轮转向的角度和持续时间，结合传感器传来的信号，便可以非常精确地控制小汽车行驶的方向。但是，由于该系统的控制对象是由玩具电动车改装，其电动机和变速系统已经无法更换。故只能使用该玩具汽车自带的两个电动机。实际使用时，用PWM 信号驱动电动机，控制电机的输出功率和转速。2.4车速的控制车速调节的方法有两种：一是用步进电机代替小车上原有的直流电机；二是在原有直流电机的基础上，采用PWM调速法进行调速。考虑到机械装置不便于修改等因素，这里选择后者，利用单片机输出端输出高电平的脉宽及其占空比的大小来控制电机的转速，从而控制小车的速度。经过多次试验，最终确定合适的脉宽和占空比，基本能保证小车在所需要的速度范围内平稳前行。2.5供电部件由于该系统用电池供电，对电路功耗的要求比较严格。该电路中耗电量大的就是电动机和MCU。但是主要是电动机，功耗无法消减。另一方面，该系统为数字与模拟混合系统，要求使用多档不同的电压供电，比较理想的办法是使用DC-DC 变换器来产生系统所需要的各种电压。但是考虑到小车跑的距离不是很长，干电池可以支撑系统的稳定，再加上成本、体积、效率、噪声干扰一系列随之而来的问题，系统并未采用DC-DC 变换的方案，而是直接用干电池供电。3 硬件原理3.1 MCU本实验功能不是很多，一片ATmega16足够处理路径检测，电机驱动，控制小汽车按要求完成任务。3.2 路径探测及处理电路3.2.1线圈磁场传感器工作原理i. 磁场检测原理:双水平线圈检测方案不同的线圈轴线摆放方向，可以感应不同的磁场分量。我们先讨论一种最简单的线圈设置方案：双水平线圈检测方案。在车模前上方水平方向固定两个相距L 的线圈，两个线圈的轴线为水平，高度为h ，如下图所示：为了讨论方便，我们在跑道上建立如下的坐标系，假设沿着跑道前进的方向为z轴，垂直跑道往上为y轴，在跑道平面内垂直于跑到中心线为x轴。xyz轴满足右手方向。假设在车模前方安装两个水平的线圈。这两个线圈的间隔为L，线圈的高度为h，参见下图5所示。左边的线圈的坐标为（x,h,z），右边的线圈的位置(x-L,h,z)。由于磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所以在计算磁场强度的时候我们仅仅考虑坐标(x,y)。由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。根据公式可以知道感应电动势大小。图 感应线圈的布置方案假设h=5cm, x(15,+15)cm，计算感应电动势如果只使用一个线圈，感应电动势E 是位置x 的偶函数，只能够反映到水平位置的绝对值x 的大小，无法分辨左右。为此，我们可以使用相距长度为L 的两个感应线圈，计算两个线圈感应电动势的差值：下面假设L = 30cm ，计算两个线圈电动势差值d E。当左边线圈的位置x = 15cm的时候，此时两个线圈的中心恰好处于跑道中央，感应电动势差值d E 为0。当线圈往左偏移， x (15,30) ，感应电动势差值小于零；反之，当线圈往右偏移， x (0,15) ，感应电动势大于零。因此在位移030cm 之间，电动势差值d E 与位移x 是一个单调函数。可以使用这个量对于小车转向进行负反馈控制，从而保证两个线圈的中心位置跟踪赛道的中心线。通过改变线圈高度h ,线圈之间距离L 可以调整位置检测范围以及感应电动势的大小。ii. 电路设计原理从上面检测原理可以知道，测量磁场核心是检测线圈的感应电动势E 的幅值。首先选择合适的检测线圈，然后使用LC 串并联电路来实现对20kHz 的信号选频放大，从而去除其它干扰信号的影响；由于感应电动势E值很小不便于检测，故先将其放大到15V，最后将放大后的电压接入单片机的AD 端口，使用单片机直接采样交变电压信号。本设计中左侧检测信号直接送入ATmega16的PA0（ADC0），右侧检测信号直接送入ATmega16的PA1（ADC1）。电路及参数如下图所示：3.3 干簧管的工作原理如右图所示，当有一个永久磁铁接近干簧开关时，此两片簧片会被磁化成可相互吸引的不同极性，当磁场够大时，可让两簧片间产生足够的吸引力而互相接触。从而产生一个脉冲，实现计数功能。故只需将其接到外部计数器PB1（T1）上。 干簧管的工作原理图3.4电机驱动原理3.4.1电机驱动电路考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活专向，我们选用了电机专用驱动芯片。为了能控制车轮的转速，可以采取PWM 调速法，即由单片机的PWM通道输出一系列频率固定的方波，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右两轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、等功能。L298N 工作时，ISENA 接地，IN1 为1 或0 从ENA 输入PWM 就可以控制电机正转或者反转。我们的设计中将IN1 和IN2 分别接到两个I/O口来控制电机的正反转。3.4.2左图是恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动两台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表1是L298N功能逻辑图。3.4.3 电机驱动电路如下图所示，IN1和IN2控制电机M1（小车左电机），IN3和IN4控制电机M2（小车右电机）。IN1、 IN2、 IN3和IN4分别接ATmega16的PWM输出口PB3（OC0）、PD7（OC2）、PD5（OC1A）和PD4（OC1B）。 电机驱动电路图4 显示部分由于本设计要显示的内容不多，故只需1个发光二极管显示系统开关机和等待状态。即系统未启动时灯灭，启动后点亮，等待时为闪烁。5 软件部分软件系统的主结构图如下图。小车按复位键后，即启动，先在起跑区静止两秒钟，然后检测路径，调整好路线后全速前进，经过起跑线时干簧管会检测到一个脉冲，行驶到弯道时，左右线圈磁场传感器会检测到不相等的电压信号，然后通过单片机调节PWM信号输出调节左右轮速度从而实现小车的转弯（V左V右即为右转，V左V右即为左转），直转到左右线圈磁场传感器检测到相等的电压信号为止。然后继续行驶直到干簧管检测到第二个脉冲，使计数器溢出，发出中断请求，CPU响应中断，并在执行中断服务程序中输出PWM封锁信号并实现闭锁从而实现小车的刹车。刹车后小车在原地等待。软件系统的主结构图单片机有1个外部计数输入为PB1（T1），用于记录小车经过起始线的次数；有两个外部输入脚分别为PA0（ADC0）和PA1（ADC1），用于输入左右线圈磁场传感器检测到的电压信号；有四个外部输出脚分别为PB3（OC0）、PD7（OC2）、PD5（OC1A）和PD4（OC1B），用于输出四路PWM信号给L298N控制电机。另外还有一路输出PD0用于激发发光LED。6 结论电磁感应智能电动车由机械结构、寻径电路、电机控制模块和处理器电路四部分组成。本系统以参赛题目的要求为目的，采用ATmega16单片机为控制