脉冲式电表的数据采集器设计毕业论文.doc

脉冲式电表的数据采集器设计毕业论文1 前言本章主要说明设计脉冲式电表的数据采集器的目的、意义、范围以及技术要求，在设计过程中遇到的主要问题以及解决方案。1.1脉冲式电表设计的目的计算机的普及应用为自动化管理及自动控制创造了条件。如果将目前变电站、供电所及发.电厂使用的感应式电表改造一番，使其能输出电能脉冲，就与计算机配套使用，进行自动检测、自动记录、自动控制。这样一方面大大减轻变电站值班人员的劳动强度;另一方面还可消除人工记录时的人为错误和计算错误。1.2数据采集器设计的意义 数据采集器属于信息科学的一个重要分支，它是以传感器技术、信号检测和处理技术、电子技术、计算机科学等技术为基础形成的一门综合应用技术学科。人类从诞生开始就离不开信息活动，但是信息真正成为科学研究对象并发展成为一门科学，确是始自20世纪40年代中期。发展至今数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。数据采集是工业控制的基础部分，无论是集中式数字控制系统、集散式控制系统、还是现场总线控制系统，都必须首先将多个地点的诸如温度、湿度。统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理使系统的成本降低、体积减小、功能成倍增加、数据处理能力大大加强。20世纪90年代至今，在国际上，技术先进国家的数据采集技术已经在军事、航空、电子设备、宇航技术及工业等领域被广泛应用。随着现场总线技术和网络技术的发展，数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高，可以更好地实现生产环节的在线实时数据采集与监控。而在本文中，脉冲式电表的数据采集器，依旧有着至关重要得作用。最简单来说，它可以使脉冲式电表的使用变得更加的完善。1.3脉冲式电表（功能、组成、对比其他类型电表优势）脉冲电能表为综合自动化变电站、远程自动化监测提供了采集电能、负荷监控、数据传输等方面的功能。 脉冲电能表主要由电能测量部件和脉冲装置两大部分组成。电能测量部件即为感应式电能表；脉冲装置包括脉冲采样信号发生电路和脉冲输出电路两部分。脉冲电表是通过累积脉冲来计量电能的，脉冲指示灯不会常亮，只会闪烁，而且闪烁快慢根据负荷大小确定。脉冲电表灵敏度很高，家中电器指示灯亮都会计量电能。1.4数据采集器（功能、组成、种类及各自优缺点对比）数据采集器具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。它具有微处理器，数据采集模块，读写存储器（RAM）、键盘、屏幕显示器、与计算机接口、A/D转换接口、D/A转换电路、V/I电路。数据采集器可分为两种：2.1批处理数据采集器离线式工作， 数据批量采集器后，通过USB线或串口数据线跟计算机进行通信。 数据采集器内装有一个嵌入式操作系统（各个生产厂家独立研制开发，互不兼容），应用程序需要在操作系统上独立开发。 采集器带独立内置内存、显示屏及电源。 目前这种数据采集器已经用的很少，主要是缺乏数据处理能力，和移动工作的能力（只能通过USB和电脑有线连接）。（2）工业数据采集器数据采集器通过无线网络（WIFI,GPRS或Bluetooth）时时连接到本地应用软件数据库，数据进行时时更新。 数据采集器内装有一个WINCE、windows mobile或andrios操作系统，内置无线通讯模块（WIFI,GPRS或Bluetooth）。 采集器带独立内置内存、显示屏及电源。数据采集器参数（HK9920） 物理参数：型号：HK9920外形尺寸：采用人体工程学设计150mm长70mm宽25mm厚重量：200G(含电池)性能参数：CPU：SUMSANG S3C2451(533MHz)操作系统：微软Windows CE 5.0中文操作系统内存：RAM 128M Flash-ROM 128MB/256MB/512MB 最大支持16G输入：英文、拼音、手写输入、字母数字功能键盘显示屏：英文、拼音、手写输入、字母数字功能键盘 3.2英寸TFT-LCD QVGA(240320)彩色触控屏幕扫描参数：扫描速度达到100次/秒2次/秒距离为60-650mm 分辨率为0.127-1.00mm电源：主电源3.7V 2800mAh，充电式锂电池，可使用8小时以上（需视实际环境而定） 备用电池150MA，最长可保证数据6小时内部丢失,充电时间：3.5小时扩展口：Micro SD/TF插槽（最大可支持16G）环境参数：操作/存储温度：15+50/-20+60操作/存储湿度：相对湿度5-95（无冷凝）坠地抗震高度：能够承受多次从4 英尺（1.2米）高度跌落到水泥地面的冲击产品功能特点：WI-FI无线局域网：内置802.11b/g无线通讯功能，通讯速率高达54MB/秒摄像功能(扩展)：200W300W像素摄像头，有补光灯GPS(扩展)：GPS定位：信道48，定位精度小于1.0m，速率精度小于0.01m/sRFID(扩展)：高频/超高频产品规范：工业等级：IP54产品认证：通过中国国家强制性产品3C认证，通过CE认证，具有中国信息产业部颁发的无线电发射设备型号核准认证保修期：12个月，配件除外数据采集器硬件参数 物理参数尺寸：186.5（长）mm x 75（宽）mm x 31（高）mm（标准电池配置）186.5（长）mm x 75（宽）mm x 38.9（高）mm（4400mAH电池配置）重量（含标准电池）：400克显示屏幕：彩色3.2英寸QVGA显示屏 TFT-LCD、65K色240（宽）x 320（长）（QVGA尺寸）触摸面板：仿玻璃的耐用触摸屏背光：LED背光主要电池：充电式聚合物电池（3.7V、2200mAH）待机时间：150小时一次充电扫描次数：5000次扩展电池容量：可选充电式聚合物电池（3.7V、4000mAH）扩展插槽：用户可接入的UART插槽（带安全罩）支持SAM卡、SIM卡、TF卡通知：振动器（2个）和LED、语音摄像：300W像素摄像头输入方式：标配手写笔，可选多种输入方式音频：扬声器、接收器、全双工录音和播放（立体声）的软件支持喇叭：0.5W显示灯：无线传输/接收、扫描、电源/充电，4种状态彩色LED指示灯可连接设备：微型打印机、传感器、接触式IC卡读写模块、UHF读写模块等开发环境WINCE版：WINCE环境开发，提供二次开发包，支持C+、C#、VB开发语言性能参数CPU:Samsung ARM920T533MHz内存：128MB RAM/1GB Flash存储 接口/通信：USB、UART按键：31个软硅胶按键、5个一次性操作功能键、个性化设计的旁侧扫描按键使用环境工作温度：-20至50储存温度：-25至70湿度：5%RH - 95%RH（无凝露）跌落规格：6面均可承受从1.5米高度跌落至水泥地面的冲击滚动规格：1,000次0.5米，六个接触面滚动密封环境：IP642.1设计重点脉冲式电表的数据采集器，适用范围要广，效率要高，时间要久。2.2 数据采集器总体结构规划虽然基于CAN线技术的实时运行控制在典型控制系统中已经实现，但是这些控制系统在国内诸多领域的运用中，控制功能仍然由上位机完成，没有达到控制功能的彻底分散，如果上位机出现故障，整个控制系统将不能正常工作，系统运行的危险仍然集中在上位机。没有完全发挥现场总线的优点。为此，本文将液位控制功能下放给智能数据采集器，真正地做到危险分散化。实现现代工业控制思想的核心“分散控制，集中监控”。2.3数据采集器总体功能分析智能数据采集器中数据采集模块，主要完成模拟信号输入到数字信号的转换即将现场传感器(PT100热阻、压力变送器等)测得的信号转化为数字信号后送入单片机，在单片机中经过运算处理后，形成控制信号。控制信号再经D/A转换器返送至调节阀，通过调节调节阀的开度实现控制。数据采集器中的CAN通讯模块，主要完成CPU与CAN现场总线之间的数据传输。即通过CAN通讯模块使不同的数据采集器之间相互通信，并将需要监控的信号送到CAN总线上，总线上其它智能数据采集器或根据事先设计好的验收码和屏蔽码，来判断是否接收该信息。传送到的信息，可以通过监控软件进行显示、控制、记录。同时CAN通讯模块还负责将接收的数据和控制参数传送给数据采集器。即系统的控制参数由CAN通讯模块通过设定。初始化与PID调节等功能由数据采集模块完成。同时所有的状态信息在线的通过CAN通讯模块传送至上位机进行监控，并可以根据需要在线修改控制参数。2.4设计方法数据采集器硬件设计该数据采集器为本安型设计并经防爆和性能测试，由无线通信电路、数字显示电路、自动复位电路、大容量存储电路、电源管理电路和时钟电路组成。 无线通信电路该电路采用FC-201SP 微功率无线数传模块，该模块具有无需申请频点、高抗干扰能力与低误码率、传输性能优良、低功耗、高可靠性，体积小，重量轻等特点。该电路实现了与井下压力检测主机、地面通信接口之间的数据传输，并通过数据通信指示灯指示数据传输是否正在进行。 数字显示电路四位数码管显示采集器的工作状态，指示数据传输过程中是否有错误数据。 自动复位电路防止单片机死机或跑飞问题，提高数据采集器工作的可靠性和稳定性 大容量存储电路该电路采用大容量存储器M25P16 实现数据存储，在该存储器中可存储2 天的压力数据。M25P16 是一个16Mbit（2M8）的串行Flash 存储器，有先进的写保护机制，通过高速SPI 兼容总线进行读取。可以用页编程指令进行页写操作，一次可写1256 字节。M25P16 由32 个段组成，每段包括256 页，每页有256 字节。这样，整个存储器可以被看成由8192 页或2097152 字节构成。可以用片擦除指令擦除整个存储器，或者用段擦除指令进行段擦除，一次只擦除一段。 电源管理电路该数据采集器由锂电池供电，在使用过程中要不断检测电池的电量，以及时充电。该电路实现了电量的检测与状态指示。钟电路该电路采用时钟芯片PCF8563 来实现时钟功能，用于记录数据采集的时间信息。PCF8563 是低功耗的CMOS 实时时钟日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过 I2C 总线接口串行传递，最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。软件设计软件设计主要完成3个方面的工作：（1）按系统的功能要求编制相应的软件；（2）按器件的操作要求编制相应的软件；（3）计算机对数据处理的相应软件。系统的软件要实现双机通讯，以发送命令、接收数据，操作读键。根据按键的次数，完成不同的工作。为了避免在无意间碰压按键，只设置一个按键，各种功能的完成是靠按压的次数和时间间隔以及指示灯的配合来完成。比如当电池电压不足需要更换电池时，可以按住键不放5s，待指示灯亮放开，灯亮3次，灯灭时再按住不放，如此3次，程序内部停止读数、存数等操作，处于等待状态，此时可以更换电池，更换完毕再按住3s，系统又重新开始工作，这样程序运行正常，保证读数、存数不会紊乱出错；对器件操作软件主要针对3个器件：实时时钟、闪存。高性能、低功耗的贴片式时钟芯片是串行数据接口，程序通过单片机的I/O对该芯片进行操作。初始化后先写入命令字，跟随在输入写命令字节的8个SCLK周期之后， 在下8个SCLK周期的上升沿开始输入数据，数据从“0”位开始输入，这时即可把修改的时间参数写入。读取时钟的数据也是先写命令字，而后跟随在输入读命令字的8个SCLK周期之后，在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。如果使/RST保持在高电平，输入有额外SCLK周期，则可连续发送数据字节，实现连续多字节读出的功能，其数据也是从“0”位开始输出。时、分时数据读出后，即按顺序存入闪速存储器中，因为时、分都是2位数，所以占用2个内存单元，地址计数器加2。温度传感器的数据输出线只有(根， 所以， 也是串行接口式的数据输出。程序先要对其进行初始化，然后读取温度数据，先读低)位，后读高)位， 读出的数据稍微处理即可存入闪存， 排在时、分数据的后面。对闪速存储器的操作，主要是擦除、写、读3种方式。每种方式操作之前都要写入相关的命令字。对存储器空间的查询，是在闪存的片外完成，通过单片机内的计数单元进行计数，每存入一次数据进行一次计数查询，计满为止。数据处理的软件是在计算机内完成的。当各种数据传送给计算机时，先把数据存放在数据库中作为原始数据，然后根据需要进行相应的处理。一般常用的就是时间、温度的显示，按时间查阅、列表、最大值、最小值等等。在我们进行对比的实验中，还兼有统计方面的程序。 2.5 微处理器的选择及其电路设计在数据采集器中，微处理器是核心，因此，在硬件设计时首先要考虑的是微处理器的选择，然后再确定与之配套的外围设备电路。2.6 单片机芯片的选择单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革。以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起组成新一代的“智能仪器”。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪器后，能解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化仪表电路，提高仪表可靠性，降低仪表成本以及加快新产品的开发速度。本文研究的数据采集器采用单片机作为微处理器微处理器原则上只要能够满足实时控制调节需要的处理器都可以使用，但考虑到硬件设计的兼容性和成本，可采用80C51系列或兼容的51单片机。从工厂实际生产的角度来说，最好使用内嵌CAN控制器的单片机，可以减少使用成本和占用设备空间的开销但从设计的角度来说，这样设计的系统灵活性欠佳，协议无法有效的扩展和改进。所以本文最终选择使用美国ATMEL公司的AT89C52单片机，片内具有8KB的可在线编程的Flash存储器，方便调试和系统升级。2.7微处理器电路设计本文选用的AT89C52单片机是低功耗，高性能，采用CMOS工艺的8位单片机。它与S-51产品完全兼容；片内存储器包含8KB的Flash存储器，可在线编程，擦写次数不少于1000次；具有256字节的片内RAM；工作电源电压为4.05.5V；全静态时钟为024MHz；具有可编程的32根I/O口线；中断系统具有8个中断源；具有可编程串口通信信道；2种低功耗节电工作方式,即空闲模式和掉电模式。由于AT89C52单片机与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容；片内的Flash存储器可在线重新编程，从而使AT89C52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比。AT89C52单片机具有上述优点，因此完全可以满足伴生气提馏自动控制系统的数据采集与控制要求。具体的电路如图所示。2.7 数据采集模块的设计数据采集模块负责进行采集各个现场设备的传感器信号，经A/D转换后送入单片机，在单片机中经过运算处理后，形成控制信号。控制信号再经D/A转换器返送至现场执行设备，从而实现信号的传输与控制。2.8 A/D转换接口设计 ADC089的原理结构框图如下 转换电路图如下ADC0809是一种较为常用的8路模拟量输入，8位数字量输出的逐次比较式ADC芯片，芯片的主要部分是一个8位的逐次比较式A/D转换器。为了能实现8路模拟信号的分时采集，在芯片内部设置了多路模拟开关及通道地址锁存和译码电路，因此能对多路模拟信号进行分时采集和转换。转换后的数据送入三态输出数据锁存器ADC0809的典型的时钟频率为640KHz，时钟信号应由外部提供。每一通道的转换时间约为100s。根据前面分析，本智能数据采集器共需六路模拟量输入。即两路标准模拟信号输入，四路热阻信号输入。系统要根据需要选择其中的一路信号通路，本文就是利用ADC0809中的片内自带的8位模拟开关来实现这个选择功能的。2.9 D/A转换电路设计DAC0832 D/A转换器，其内部结构如下图。它由数据寄存器、DAC寄存器和D/A转换器三大部分组成。DAC0832内部有两个寄存器,输入数据寄存器和DAC寄存器用以实现两次缓冲，故在输出的同时，尚可采集一个数字，这就提高了转换速度。当多芯片同时工作时，可用同步信号实现各模拟量同时输出。DAC0832是采用CMOS/Si-Cr工艺制成的双列直插式单片8位D/A转换器。它可直接与Z80、8085、8080等CPU相连，也可同8051相连，以电流形式输出；当转换为电压输出时，可外扩运算放大器。它的转换时间为1S；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；每次输入数字为8位二进制数；供电电源为单一电源，可在5V15V内。本文中D/A转换的具体电路如下图所示：2.9 V/I电路设计由于经D/A转换器输出的信号为电压信号，而执行机构，本文中即为气开式调节阀，要求为电流信号，所以要在D/A后加上V/I转换电路，实现标准电流的输出。在考虑V/I时，仍然避免不了要用到运算放大器和晶体三极管。本系统设计时就是采用的V/I转换电路如图4-11所示，2. A/D 转换部分误差ADC 分辨率的高低取决于位数的多少。一般来讲，分辨率越高，精度也越高，但是影响转换器精度的因素很多，分辨率高的ADC，并不一定具有较高的精度。精度是量化误差1、偏移误差2、增益误差3、微分线性误差4、积分线性误差5、电源波动误差6 等综合因素引起的总误差。参数如下图所示。它为同相端输入，采用电流串联负反馈方式，具有恒流作用，且电路输出电流IOUT与输入电压VIN的关系为IOUT=VIN/Rt。这种电路结构简单实用。在测试过程中取得了满意的效果，它所采用的电路元器件比较少，在整个系统设计过程中，我们都尽量本着降低干扰及较低功耗来做工作的。V/I转换电路一般来讲是大多数智能型仪器仪表硬件电路所必需的。而且，它的性能的好坏直接关系到整个仪器仪表系统的性能。所以在对V/I转换电路设计时应该注意到一些问题，如稳定性、输出控制范围、波动范围等。这些都是该电路设计所必须考虑的问题。我们在设计中DAC0832模拟电压转换电路再接V/I转换电路，就是考虑到这使整个系统有较大的稳定性，而且容易通过调节外部电阻或者单片机本身数据输出来达到420mA的标准电流输出。3.1 A/D 转换部分误差条件项目数值VREF=2.50V，PGA增益 =1，MDCLK =2.4576 MHz，校准后误差积分非线性15ppm FS偏移误差5 ppm增益误差0.002%偏移温漂10nV/增益温漂0.5ppm/输入缓冲器断开 增益 = 1输入阻抗7M输入电流0.5nADC共模抑制比110dB分辨率24位内部为全差分24 位Sigma-Delta模/ 数转换器（ADC），具有在片校准功能。可以使用内部或系统校准方式对ADC0 的增益和偏移进行在系统校准。在编程设计过程中为保证校准精度，先进行偏移校准，然后再进行增益校准。由于在一般的场合不太需要考虑微分线性误差和积分非线性误差，所以在系统A/D 转换误差分析中不予以考虑。 测试误差软件第一步第二步第三步如下页图 通过以上三步，便可以很简单的测出误差，并且进行修改。 车体重心位置对赛车加减速性能、转向性能和稳定性都有较大影响。重心调整主要包括重心高度和前后位置的调整。理论上，赛车重心越低稳定性越好。因此除了激光传感器装得稍高以外，其他各个部件的安装高度都很低。除此之外，车辆重心前后方向的调整，对赛车行驶性能也有很大的影响。根据车辆运动学理论，车身重心前移，会增加转向，但降低转向的灵敏度（因为大部分重量压在前轮，转向负载增大），同时降低后轮的抓地力；重心后移，会减少转向，但增大转向灵敏度，后轮抓地力也会增加。因此，确定合适的车体重心，让车模更加适应比赛赛道是很关键的。经过实际调试，将整个车的重心放在小车中间稍靠后的位置。舵机的灵敏度可通过调整舵机的安装方式解决。2.4传感器模块 2.4.1光电传感器的原理 光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管。如图2.4.1，由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来，光电传感器原理图2.4.1激光原理图2.4.2 红外传感器和激光传感器方案对比 红外传感器的电路简单，但是其前瞻能力不是很好。但由于其价格便宜，无静电干扰，但是都外界光线干扰影响很大，各传感器在相同光照下各相异性很明显，阻值相差很大，导致在全白情况下依然有压差最大的传感器出现，而且根据传感器倾斜程度不同，压差最大的传感器也是不同的。激光传感器与普通的光电传感器原理都是一样，但是其前瞻能力远大于普通的光电传感器，可以达到40-50 厘米，对于智能车来说已经足够。激光传感器同样是由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份。发射部份由一个振荡管发出180KHz 频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配180KHz 的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入单片机，检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。但是激光传感器的致命缺点是其单价比红外传感器高很多。光速； Eg半导体的禁带宽度。 上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光激光。 2.4.3 激光发射管的相关参数 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角：激光发射管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在1540左右。 （5）水平发散角：激光发射管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6 10左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流2.4.4激光的使用注意事项： （1）供电电压4.5-5.5V,长期使用请使用请使用5.00.2V； （2）由于激光发射器的特殊工作原理，具有静电敏感性，使用过程中要做好ESD，尽量避免人体接触和带静电物体接触激光管，避免静电伤害，否则容易出现发光效率降低甚至不工作等现象；解决办法：焊接前去洗手，释放人体静电；烙铁接地，使用ESC工作台； 避免日光直接照射激光接收芯片； 同时，极性不能接反，电压不能超过5.5V，电流不能大约50mA。2.4.5 激光发射调制和接受电路 为了有效的去除自然光的干扰，准确的采集路面信息，我们采用调制发射的方案。激光的调制频率为180KHZ，发出180KHZ的调制光,而相应的接收管是与之对应的它只能接收相应的调制光最终以数字信号的形式输出。这样有效的从电路上避免了自然光的干扰。接收电路如图2.4.5.1，调制发射电路如图 2.4.5.2： 图2.4.5.1 接收电路图2.4.5.2 调制发射电路2.4.6 传感器布局分析：（1）“一”字形布局 : “一”字形布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器在一条直线上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上，其排布如图2.4.5.1所示。 图 2.4.5.1“一”字形布局（2）“八”字形布局: “八”字形布局从横向来看与“一”字形布局类似，但它增加了纵向的特性，从而具有了一定的前瞻性，其排布如图2.4.5.2所示。 图 2.4.5.2 “八”字形布局（3）“W”字形布局: 为了能够提早地预测到弯道的出现，我们还可以将左右两端的传感器进行适当前置，从而形成“W”形布局，此外，还可利用“W”形布局来检测赛道的弯曲程度。其光电管排布如图2.4.5.3所示。 图2.4.5.3 “W”字形布局为满足赛道的实际要求和实际需要我们选择“一”字形布局，电路图如图 图2.4.5.4 传感器布置图2.5 编码器选择和安装 在智能汽车设计中，测速传感器的设计主要有两种方案：霍尔传感器和光电式脉冲编码器。2.5.1 霍尔传感器原理 霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、无触点、寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路化等优点。 霍尔效应原理 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。如图2.5.1所示，假设薄片为型半导体，磁场方向垂直于薄片，磁感应强度为。在薄片左右两端通以电流（称为控制电流），那么半导体中的截流子（电子）将沿着与电流的相反方向运动。由于外磁场的作用，使电子受到磁场力（洛仑兹力）作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，在前后两个端面之间形成电场。 图2.5.1 霍尔效应原理图这时，在半导体前后两个端面之间（即垂直于电流和磁场的方向）建立的电场称为霍尔电场，相应的电势就称为霍尔电势 。利用霍尔效应制成的传感元件称为霍尔传感器， 的大小正比于控制电流和磁感应强度，即(2.6)式中， 为霍尔系数，其中 为载流体的电阻率； 为载流子的迁移率； 为灵敏度， 。若磁场方向与元件平面成角度 时，则作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即，则有（2.7）。由式(2.6)和式(2.7)可以看出，霍尔电势 的大小正比于控制电流 和磁感应强度 ，灵敏度表示在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电势的大小，一般要求越大越好，元件的厚度d越薄，越大，所以霍尔元件的厚度都很薄。当载流电流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小只和控制电流I和磁感应强度B有关，因此霍尔式传感器可用来探测磁场和电流，由此可测量压力、振动等。2.5.2 霍尔元件的基本结构 霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，从中引出四根引线，其中两根引线上施加激励电压或电流，称为激励电极（控制电极），另外两根引线称为霍尔输出引线，又称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。2.5.3 霍尔式转速传感器的结构 图2.5.3是三种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定传感器测量转速的分辨率。 图2.5.3 三种不同结构的霍尔式转速传感器2.5.4光电式脉冲编码器 光电式脉冲编码器可将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。光电编码器的最大特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。 光电编码器采用光电方法，将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲，如图2.5.4所示光电式脉冲编码器，在发光元件和光电接收元件中间，有一个直接装在旋转轴上的具有相当数量的透光扇形区的编码盘，在光源经光学系统形成一束平行光投在透光和不透光区的码盘上时，转动码盘，在码盘的另一侧就形成光脉冲，脉冲光照射在光电元件上就产生与之对应的电脉冲信号。 图2.5.4 光电式脉冲编码器结构 光电编码器的精度和分辨率取决于光电码盘的精度和分辨率，取决于刻线数。目前，已能生产径向线宽为6.710-8 rad的码盘，其精度达110-8，比接触式的码盘编码器的精度要高很多个数量级。如进一步采用光学分解技术，可获得更多位的光电编码器。光电编码器按其结构的转动方式可分为直线型的线性编码器和转角型的轴角编码器两种类型，按脉冲信号的性质可分为有增量式和绝对式两种类型。增量式编码器码盘图案和光脉冲信号均匀，可将任意位置为基准点，从该点开始按一定量化单位检测。该方案无确定的对应测量点，一旦停电则失掉当前位置，且速度不可超越计数器极限相应速度，此外由于噪声影响可能造成计数积累误差。该方案的优点是其零点可任意预置，且测量速度仅受计数器容量限制。 绝对式编码器的码盘图案不均匀，编码器的码盘与码道位数相等，在相应位置可输出对应的数字码。其优点是坐标固定，与测量以前状态无关，抗干扰能力强，无累积误差，具有断电位置保持，不读数时移动速度可超越极限相应速度，不需方向判别和可逆计数，信号并行传送等；其缺点是结构复杂、价格高。要想提高光电编码器的分辨率，需要提高码道数目或者使用减速齿轮机构组成双码盘机构，将任意位置取作零位时需进行一定的运算。 为使整个控制形成闭环，当前速度反馈是必须的。为了测出当前速度，我们用了一个罗特利科技有限公司的编码器。该编码器为200P/R，供电电压可从5V 到 12V，共引出3 跟线，应用时，棕色、蓝色分别是电源正极、负极，而黑色接到单片机的一路输入捕捉的管脚PT7。 首先用热熔胶初步固定住编码器，使编码器和电机的齿轮咬合得恰到好处，时间安装如图2.5.4所示： 如图2.5.4 编码盘的安装三 硬件电路设计3.1 电机驱动模块的设计 电机采用H桥驱动，市场上有许多集成的电机驱动芯片，还可以自己用分立的MOS管达H桥。 由于用分立的MOS管自己做驱动电路相对复杂，可靠性会下降，容易出现问题。选用freescale公司的MC33886电机驱动集成芯片，驱动电流仅为5A左右，由于本届车模采用四驱，电流较大。也可以采用两片MC33886并联，但容易出现一个发烫另一个不发烫的情况。所以最终选用了英飞凌公司的半桥集成芯片BTS7960。BTS7960可以达到43A的电流，而且内阻较小，效率非常高，其中逻辑电路已经集成其中，使得驱动控制十分简单。 图3.1电机驱动模块 电机驱动与MCU之间通常需要进行光耦隔离，不然容易烧掉MCU，但光耦体积较大，采用74HC224进行简单的隔离。 3.2 电机（速度控制）： 电机控制方程 采用了增量式PID 来控制速度，增量型算法与位置型算法相比，具有以下优点：增量型算法不需要做累加，增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算精度对控制量的计算影响较小，而位置型算法要用到过去偏差的累加值，容易产生大的累加误差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大；采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。在实际应用中，采样的反馈值，即为脉冲累加器中的PACNT中的脉冲数，预设门限值在参数整定时根据实际情况调节，输出值并不能直接用来控制电机，需要将其转换为控制PWM 占空比，然后用增大或减小PWM占空比的方法来实现对电机的加减速的控制。换句话说，在求偏差量时，实际上用的是每10ms 电机转过的齿轮数和实际期望电机转过的齿轮数，通过二者的差值，再乘以相应的系数，即KP、KI、KD 的协调控制，计算出相应的PWM 占空比，实际上用的是PWMDTY的值。增量式PID的推导过程如下：假设计算机控制系统的采样周期为T，则在t=iT时刻的控制量可由下式来近似：若T足够小则这种“近似”相当准确，与连续控制过程比较接近故称为“准连续控制”。由于ui表征了执行机构的位置,故又称为位置式PID控制算法。两式相减：典型阶跃响应：实际速度 vs 指定速度 注释： 超调：Mp；峰值时间：tp；滞后时间：td；上升时间：tr； 3.3 舵机驱动电路 舵机的转向模块是赛车上的重要模块，赛车灵巧的转向是其能快速过弯的保证，所以如何加快舵机的响应速度是进行舵机改造时要考虑的关键问题。舵机的控制方法三线连接法： 黑线：地线 红线：电源线（7.2V） 白线：信号线（PWM 信号） 当单片机信号是 1 ms 正脉冲时， 舵机转向-60 度位置 当单片机信号是1.5ms 正脉冲时， 舵机转向度0 度位置 当单片机信号是 2 ms 正脉冲时， 舵机转向+60 度位置 舵机驱动电路比较简单，电源口接有电源模块提供的6V 电压，信号口接单片机的PWM 口，接收单片机发出的信号.电路板中有两个舵机驱动电路。 伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。 伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由图3.3表示： 图3.3 减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。 3.4 舵机的控制 标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的电能，电压通常介于4.8V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服马达在瞬间堵转时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格，图3.8表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系： 图3.4 舵机 转角和控制信号的关系 如图3.4所示，舵机的转向是由PWM(Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制) 技术来进行实时控制的。其工作过程是：微控制器首先对光电接收管采集回来的信号进行处理，然后根据得到的不同的检测信号发出不同占空比的PWM控制信号给舵机，舵机在控制信号的作用下转动一定角度。脉冲宽度和舵机转角成线性关系，其计算公式为：其中，为舵机转角，单位是度；L是脉冲宽度，单位是 ms 。 四 系统软件设计在智能车控制系统光电管方案的软件设计中，程序的主流程是：先完成单片机初始化（包括I/O模块、PWM模块、计时器模块、定时中断模块初始化）之后，通过无限循环语句不断地重复执行路径检测程序、数据处理程序、控制算法程序、舵机输出及驱动电机输出程序。其中，定时中断用于检测小车当前速度，作为小车速度闭环控制的反馈信号。 激光管控制方案主程序流程图如图4.0.1所示。 图4.0.1激光管控制方案主程序流程图4.1传感器控制路径识别包括对传感器的控制以及接受信号的处理。对传感器的控制就是对激光发射管的扫描发射，对接受信号的处理包括激光接收管的信号采样，对采样结果的分析与判断。我们利用PIT 定时中断，中断处理中主要是对当前通道进行AD 采样并保存采样结果，然后选定下一个通道。选通方式是间隔选通以避免相互干扰。当9 个激光管全部扫描完成之后，扫描完成标志位便会置位。扫描完成标志位置以后便会有激光数据处理与位置判断函数的运行。函数根据检测到黑线点数不同的情况作出不同的处理，并以上次的位置作为参考判断本次数据是否有效。具体来说，每个光点对应一个位置。将采样回来的9 个数据分别与阈值比较，小于阈值，便认为是黑线，记下检测到黑线的光点个数。我们对每个光点所对应的位置也编号为19。当没检测到黑线时就保持上一次的位置。当只有一个光点看到黑线时，将这个位置与前一次的比较，如果前后两次，位置相差3个，就认为这次的位置是个突变不可信，继续保持上一次的位置。但是当该突变连续发生多次的时候，我们就承认这个突变的位置是正确的。当有两个光点看到黑线时，我们就在限定范围内判断这两个点，哪个与上一次的比较接近，就以这个点作为当前位置。当出现3 个或4 个光点看到黑线的情况时，我们对其直接忽略掉。因为赛道上一般不会有这种情况。对上文提到的阈值，由于我们的激光管反射回来的信号经过运放后输入到单片机AD 口。我们使用的运放特性是在信号小于5mV,运放对信号不放大，而对大于5mV的信号放大几百倍。同时，运放放大的是差模信号，激光管对光线的适应能力很强。所以，对我们来说，阈值的设定可以相当简单，只要开机后为每个激光管设定一次阈值后，以后的道路基本都能适应。由于本次大赛，赛道首次采用蓝色底案，对于红外来说，蓝色就相当于黑线，但对于我们所选用的激光管来说，蓝色底案与赛道白板基本没区别，打在蓝色底案上返回回来的信号同样很强而被认为是白板。 根据激光器检测到得信号，可以判断黑线位于车的那个方向，进而调整舵机，怎么将其采到的信号量化为车体偏移量。应用散转的算法，避免一些复杂的计算。 激光得到的信号偏移的量化值ReVal000000001100000001020000001003000001000400001000050001000006001000000701000000081000000009其中5为期望值（Mid）。 35.1 28.9 26.9 20.3 20.3 26.9 28.9 35.1 图4.1.1 传感器“一”字形排列 传感器在赛道上可能的状态有：在普通的赛道处、在起点处、在十字交叉线处，分别如下图（并未列出所有的状态图），下面将分别进行分析。 图4.1.2 激光传感器在普通赛道上 图4.1.3 激光传器在起点处 图4.1.4 激光传感器在十字交叉线处4.2 转向舵机算法：调整舵机的原则是：小车处于直道时，摆正舵机。小车处于弯道的曲率越大，则舵机转角越大。除此之外，小车还会遇到黑色交叉线的特殊情况，对此，本系统将保持小车原有的方向与速度，使小车不受交叉线的干扰。如果小车转过的弯过大，则可能使前排光电管全部偏离黑色轨迹，从而没有一个光电管检测到黑线，故应使舵机保持原角度，让小车急转驶回正道。同时，将速度适当降低，防止小车冲出轨迹。 4.2.1 前轮舵机打角控PD制程序设计对于打角，我们的整体思路是这样的：先算出上面舵机值与中心值的偏差，将这个偏差量加上当前光点所在黑线摆头舵机的步进量并乘以分段的系数作为打角的P 项。同时，我们根据前一时刻的这个量来确定打角的D 项，D 项没有分段，这样能更好的适应赛道的动态变化，D项的编写我们采用了循环队列的思想，从而每次运算比队列的方法节约了很多时间。我们也尝试过加入打角I项，这样可以弥补分段P 的带来的缺陷：沿线不好，但是经过测试发现，在没有很远的前瞻量时加入I项反而会使小车行驶不稳定，因为打角舵机延时比较大，相当于舵机这个环节有了比