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电气电子毕业设计论文
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毕业设计116电动汽车自动控制系统,电气电子毕业设计论文
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电动汽车自动控制系统 摘要 本设计小车能在规定的跑道上按规定的动作自动往返行驶,车子从起跑线出发后到达终点线停车 10s,然后返回到起点停止。在限速区行驶时间能够达到大于 8s,终点县停车与最后停车时车子中心点与黑线的误差很小。车子能够自动记录时间及里程并在车上显示。车子的自动控制系统部分以 AT89C52为核心,对各个硬件模块进行控制。通过对光敏二极管和发光二极管组成的跑道标志的脉冲检测电路对小车位置进行定位,从而控制智能小车在相应的黑线标志处自动选择适合的速度档进行变速。通过引进改进的脉宽调速系统可 以完成对小车的往返行驶的控制。而且可以通过控制小车车轮的反转进行减速的控制方法实现小车的快速准确制动。通过霍尔速度集成传感器对小车车轮的转数脉冲计数从而能够使小车精确的测量行驶距离,并配合 LED动态显示技术显示小车所行驶的里程数。通过软件计时并配合显示器显示行驶时间。本次设计采用一键开关的方法,既方便又实用。软件部分采用主程序总领,子程序分部完成各个单元模块任务的程序设计思想。每个独立的任务都由相应的子程序独立完成,整体结构清晰明了。尤其是延时子程序采用调用显示子程序的独特方法,以改善 LED现实的效果,设计 新颖独特。最后,由于本设计采用了模块化设计方法,这就方便了它以后得 升级 和扩展的功能。 关键词: 自动控制系统 光电检测传感器 霍尔速度集成传感器 动态显示 模块化显示 ntsAutomatic 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 nts 目录 第一章 选题背景 5 第二章 方案论证 7 2.1 测线方案比较 7 2.2测速方案比较 7 2.3数据存储方案比较 7 2.4驱动方案比较 8 2.5刹车方案比较 8 2.6单片机选用比较 9 2.7显示方案比较 9 第三章 硬件设计 11 3.1总体设计 11 3.2调速设计 12 3.3测速设计 23 3.4测线设计 25 3.5显示设计 26 3.6键盘 27 3.7电源设计 27 第四章 软件设计 28 4.1内存分配 28 4.2初始化程序设计 28 4.3主程序设计 28 4.4延时子程序设计 28 4.5慢车,停车程序设计 29 4.6里程计数 程序设计 29 4.7计时子程序设计 30 4.8动态显示程序设计 31 第五章 结果分析 32 第六章 总结 34 主要参考文献 35 附录 37 A.程序清单 37 ntsB.设计中使用器件列表 48 C.硬件小图 49 nts 一 选题背景 (一)背景 本次设计题目是参考 2001 年全国大学生电子设计大赛( C 题)自动往返电动小汽车来拟订的。设计要求也基本一样,详细内容参看下面的设计基本要求。自动电动小汽车题目曾经多次被全国大学生电子设计大赛以不同的形式和要求选出,这充分说明这个题目的科技实用性,实践性,变化多样性以及可操作性,可塑造 行之强。而且随着汽车工业在全国乃至全球的蓬勃发展,自动控制,导航,行驶的智能汽车控制系统在全球范围内早就进行了大量的研究,实验,乃至应用。而且这种系统有很大的可移植性,不仅仅是应用于汽车自动控制方面,还可以移植到电车,轮船,飞机,导弹以及航天航空等许多方面,对未来的运输也有极深远的影响意义。 (二)要求 本次设计的要求:小汽车能在如图 1.1 所示的跑道上自动往返行驶。车子从起跑线出发后到达终点线停车 10s,然后返回到起点停止。在限速区行驶时间要求大于 8s,终点线停车与最后停止时求车子中心点与黑线的误差尽量 小。车子能自动记录时间及里程并在车上显示。跑道宽为 0.5m,两侧挡板高度大于 0.2m,跑道表面贴有白纸,在 B, C, D, E, F 和 G 处画有 2cm 宽的黑线。 图 1.1 跑道俯视图 nts 1 参数要求 ( 1) 车辆从起跑线出发(出发前,车体不得超出起跑线),到达终点线后停留 10 秒,然后自动返回起跑线(允许倒车返回)。往返一次的时间应力求最短(从合上电源开关开始计时)。 ( 2) 到达终点线和往返起跑线时,停车位置离起跑线和终点 线偏差应最小(以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量)。 ( 3) DE 间为限速区,车辆往返均要求以低速通过,通过时间不的超过秒,但不允许在限速区内停车。 2 发挥部分 ( 1) 自动记录,显示一次往返时间(记录显示装置要求安装在车上)。 ( 2) 自动记录,显示行驶距离(记录显示装置要求安装在车上)。 其它特色与创新。 nts 二 .方案论证 (一)标志线探测模块的设计与比较: 本次设计要求探测元件对白色质地和黑色质地有不同检测信号产生。所以我对如下方案作了比较: 方案 一 :用一个发光二极管作为发射光源,光敏二极管检测返回信号。优点是便于观察信号的产生和接收,而且驱动电路简单实用,理论简单适合用于毕业设计中。缺点是环境对它有一定的干扰,但是本次设计中对精度要求不是十分高的情况下是完全可以达到设计要求的。 方案二 :红外线光作为发射光源,光敏三极管可以检测返回信号,虽然外界对其干扰很小,精度也比较高,但是这样的传感器十分昂贵,用在这样的小车设计中十分浪费,而且驱动电路复杂,所以并不采纳。 方案三 :也可以用一个紫外线传感器接收发光二极管发出的可见光,但是紫外线传感器主要用于火灾报 警系统,所以也不适用于本设计。 通过对三个方案的比较,本设计采用方案一。 (二)数据存储比较 : 方案一: 采用外接 ROM 进行存储。 采用外接 ROM 进行存储是保存实验数据的惯用方法,其特色是在单片机断电后仍然能保存住数据,但无疑将增加硬件资源的占用和软件编程的麻烦,而且也会使设计图纸混乱不堪。 方案二 :直接用单片机内部的 RAM 进行存储。 虽然不能在断电后保存数据,但可以在实验结束后根据按键显示相应值。而且本次实验的数据存储不大,采用 RAM 可以减少 I/O 接口的使用,便利 I/O 接口分配,故此方按具有成本低,易实现的 优点,更符合实际需要。 鉴于方案二的以上优点,综合比较,本设计采用 方案二 。 (三)距离检测方案比较: 方案一 : 通过检测得出小车平均速度 v,在行驶过程中将行驶时间与其乘积 t.v 作为驶过的距离。但该方案受电池电量,路面介质等因素的影响,在大多数情况下均暴露出误差大的缺点。故不予采用。 方案二 : 在后轮轮轴均距贴上 m 个磁铁,车厢内装上霍尔开关。对轮子转速进行测量,由于低速下轮子与地面接触良好,设轮周长为 c,可以用霍尔开关输出脉冲数 n 乘以 c/m得出行驶距离。只要磁钢在后轮轮轴上的位置足够精确,霍尔开关固定牢靠,就 可以nts获得较好的测试效果。但车子颠簸时,稳定性较差。 方案三: 在齿轮箱中安装透射式开关,测出变速齿轮的每秒转速,用变速比和车轮周长计算出线速度,积分求出行驶距离。但在齿轮箱中使用光电开关,要求有足够的安装位置,不能影响机构的机械动作。其优点是工作稳定。 综合以上方案优劣和小车的结构特点,本系统再用方案二。 (四)电机驱动模块电路: 由直流激励电动机的机械特性方程式: n= U/Ce -R0T/CeCt 2 看出,改变电驱回路电阻,磁通及电驱端电压可以达到调速的目的。 方案一: 电驱回路串联电阻调速,不能改变 理想空载转速,只能改变机械特性的硬度。尤其是在轻载的条件下,调速的可能性就更小了。电驱串电阻调速是有级的。这种调速的优点是:方法比较简单。所以,该方法仅使用在电动机容量不大时,在低速工作时间不长,调速范围较小的场合。 方案二: 减弱磁通调速的手段是在励磁回路中串接等效电阻,还可以用单独的可调支流电源向励磁贿赂供电。调速时能量消耗较少,控制比较容易,可以平滑调速,但不能进行低速调整。 方案三: 降低电驱电压调速的方法又有两种:一种是晶闸管整流张制供电的支流调速系统调速范围大,平滑性好,效率高,运行可靠,动态响 应快,但整流电流中交流成分大,损耗加大,而且不易控制:另一种是直流脉冲宽度调速型的调速系统。它的优点是:线路简单,须用的功率元件少,开关频率高,谐波少,机电损耗少,低速性能好,调速范围宽,快速响应好,动态抗干扰能力强,容易实现控制。 经过比较和讨论,本设计采用方案三中的直流脉冲宽度调速型的调速系统。 (五)刹车机构功能方案比较: 方案一:自然减速式 当系统发出停止信号时给驱动电机供电,小车在无动力状态因阻力而自然变为精致。由于惯性,小车全速行驶时需要 2秒后才能停止,因为车轮滑行造成的误差较大,无法实现精 确的制动目标。 方案二:反转式 当小车需要停车时给驱动电机以反转信号,利用轮胎与跑道的摩擦力抵消与惯性效应。由于小车车速时渐减的,反向驱动信号长度也要渐减,否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间为 0.5s,左右。 nts 所以,本系统采用方案二。 (六) 单片机选用比较 方案一:选用 8031 8031 位最基本的单片机,它具有内部结构简单( 8 位 CPU,片内振荡器, 128 个字节用户 RAM, 21个字节专用寄存器 SFR, 4 个 8位并行 I/O口 P0, P1, P2, P3,一个全双工串行 I/O口, 2个 16位 定时器 /计数器等),电路大件容易的特点,但是缺点也是显而易见的, 8031内部没有 ROM,这就需要大程序存储时外接片外存储器(通过 I/O 口可以外接多达 64K 字节的外部程序存储器)。而外接存储器一定会占用大量的硬件资源。 方案二:选用 8051 8051与 8031内部结构比较相似( 8位 CPU,片内振荡器, 128个字节用户 RAM,21 个字节专用寄存器 SFR, 4 个 8 位并行 I/O 口 P0, P1, P2, P3,一个全双工串行I/O口, 2个 16位定时 /计数器等)。这样,在程序较小的情况下,可以不用外界存储器就可以工 作,减少了硬件资源的浪费。 方案三:选用 AT89C52 AT89C52作为 C51 系列产品,其内部有 8KB FLASH 存储器, 128 字节 RAM, 32条I/O口线, 2个 16位定时 /计数器, 6个中断电源, 1个串行 I/O口,片内振荡器等。显然 AT89C52作为新一代的单片机芯片它的硬件资源大大的提高了,存储器对于一般的程序都应该是足够的了, 6个中断源,大大的满足了多路口控制,检测的需要,可以说是比较全能的单片机之一了。 综上,本系统采用 AT89C52为内部核心芯片,即方案三。 (七)显示方案比较 方案一: 液晶显 示是一种极低功耗的显示器件。在袖珍式仪表或低功耗应用系统中使用较大。但是,考虑到本系统的具体因素(如:小车运行中颠簸大容易导致显示器失效),所以一般不采用 LCD 显示。 方案二:采用 LED 显示 LED是设计中最常用的显示器件,它是由发光二极管组成的显示字段的显示器,并且主要用于显示数字,本系统需要一个 8位的数字显示器,考虑到 LED的耐磨损的特点,所以选用这种显示器。在多位 LED显示时,为了简化电路,降低成本,将所有位的段选线并联在一起,由一个 8位 I/O口控制的显示方式,有硬件搭建简便,清楚的特点,所以 本次设计采用的是 LED动态显示电路。 综上,本系统采用方案三 nts 三 硬件设计 (一)总体设计 总体设计图如下: 本次设计采用模块化设计思想。整个设计可分为如上图所示的五个模块部分,下面分别介绍每个模块的设计内容。 速度控制模块 单 片 机 AT89C52 测 速 模 块 特色键盘与显示模块 光电传感器 测线模块 nts(二)电机调速模块的设计、 1.直流调速介绍 直流电动机具有良好的起,制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,在轧钢机,矿井卷 扬机,挖掘机,海洋钻机,金属切割机床,造纸机,高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来,交流调速系统发展很快,然而直流拖东控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟,而且从反馈闭环控制的角度来看,他又是交流拖动控制系统的基础,所以还是比较实用的技术手段。 从生产机械要求控制的物理量来看,电力拖动自动控制系统由调速系统,位置随动系统,张力控制系统,多电动机同步控制系统等多种类型,而各种系统往往都是通过控制转速(更本质的说,是控制点机的转距)来实现的,因此调速系统是最基本的拖动控制系统。 n=( U-IR) /Ke ( 3.1) 式中 n 转速,单位 r/min; U 电枢电压,单位 V; I 电枢电流,单位 A; R 电枢回路总电阻,单位; 励磁磁通,单位 Wb; Ke 由电动结构决定的电动势常数。 由公式 3.1可以看出,有三种方法调节电动机的转速。 ( 1) 调节电枢供电电压 U; ( 2) 减弱励磁磁通; ( 3) 改变电枢回路电阻 R。 对于要求在一定 范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在基础速度(即电动机额定转速)以上做小范围的升速。因此,自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。 以位移或转角为被调量的系统是位置随动系统,一般在调速系统的基础上添加位置控制环就能实现。 2.直流调速方法 在直流调速系统中主要采用变电调速。便电压调速时直流调速系统用的主要方法,调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种形式: nts( 1) 旋转变流机组 用交流电动机和支流电动机组成机组,以获得可调 的直流电压。 ( 2) 静止可控整流器 用静止的可控整流器,例如晶闸管可控整流器,以获得可调的直流电压。 ( 3) 直流斩波器和脉冲宽度调制变换器 用恒定的直流电源或不可控整流电源供电,利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压,从而获得需要的直流电压。 下面分别对各种可控直流电源以及由他供电的直流调速系统做概括性的介绍。 ( 1)、旋转变流机组 旋转变流机组由变流电动机(异步电动机或同步电动机)拖动直流发电 机实现变流,由发电机给需要调速的直流电动机供电,调节发动机的励磁电流即可改变其输出电压!从而调节电动机的转速。这样的调速系统简称 G-M 系统,在国际上通称Ward-Leonard 系统。为了供给直流发动机和电动机的励磁,通常专门设置一台直流励磁发电机,可装在变流机组同轴上,也可另外单用一台交流电动机拖动。 对系统的调速性能要求不高时,励磁电流可直接由励磁电源供电,要求较高的闭环调速系统一般都应通过放大装置进行控制。 G-M 系统的放大装置多采用电机型放大器(如交磁放大机)和磁放大器,需要进一步提高放大系数时还可增设 电子放大器作为前级放大。如果改变励磁电流的方向,则输出电压的极性和转速的转向都跟着改变,所以 G-M 系统的可逆运行是很容易实现的。分析变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性知,无论正转减速还是反转减速时都能够实现反馈制动,因此 G-M 系统是可以在允许转矩范围内四象限运行的系统。 机组供电的支流调速系统在 50 年代曾广泛地使用着,至今在尚未进行设备更新的地方仍沿用这种系统。由于该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁发电机,因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装须打地基、运 行有噪声、维护不方便。为了克服这些缺点,在 50 年代开始采用汞弧整流器(大容量时)和闸流管(小容量时)这样的静止变流装置来代替旋转交流机组,形成所谓的离子拖动系统。到了 60 年代有让位给更为经济可靠的晶闸管整流器。 ( 2)、静止可控整流器 如上所述,离子拖动系统是最早应用的静止变流装置供电的直流调速系统。它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点,而且还缩短了响应时间,但汞弧整流器造价较高,维护麻烦,特别是水银,如果泄露,将会污染环境,危害人体健康。 1957 年,晶闸管(俗称可控硅整流元件,简称“可控 硅 ” ) 问世,到了 60 年代,已经生产出成套的晶闸管整流装置,使变流技术产生了根本性的变革,开始进入晶闸管时代。到今天,晶闸管 -电动机调速系统(简称 V-M 系统,又称静止 Ward-Leonardnts系统)已经成为直流调速系统的主要形式。晶闸管可控整流器( V)可以是单相、三相或更多相数,半波、全波、半控、全控类型,通过调节触发装置( GT)的控制电压来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压,从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性能上也显示出较 大的优越性。由图 3.2 可见,晶闸管可控整流器饿功率放大倍数在 10000 以上,其门极电流可以直接用晶体三级管来控制,不再像支流发电机那样需要较大功率的放大装置。在控制作用的快速性方面,变流机组是秒级,而晶闸管整流器是毫秒级,这将会大大提高系统的动态性能。 图 3.2 各种变流装备技术性能的比较 nts晶闸管整流器也有它的缺点。首先,由于晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。由半控整流电路 构成 V-M 系统只允许单象限运行(如图 3.3a)全控整流电路可以实现有源逆变,允许电动机工作在反转制动状态,因此能够获得第二象限运行(如图 3.3b)。必须实现四象限运行时(如图 3.3c),只好采用正,反两组全控整流电路,所用交流设备要增多一倍,这样 V-M 可逆调速系统比较常用。 图 3.3 V-M 系统的运行范围 A)单象限运行 b)二象限运行 c)四象限运行 晶闸管的另一个缺点是,元件对过电压、过电流以及过高的 du/dt 和 di/dt 都十 分敏感,nts其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件,因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件,而且在选择元件时还应留有足够的余量。只要元件质量过关、装置设计合理、保护设施齐备,晶闸管装置的运行就十分可靠,如果不是这样,就可能常出事故,给维护运行带来不少麻烦。 最后,当系统处在深调速状态,即在较低速运行 时,晶闸管的导通角很小,使得系统的功率因数很低,并产生较大的谐波电流,引起电网电压波形畸变,秧及附近的用电设备。如果采用晶闸管调速的设备在电网中所占的容量比重较大,就会造成所谓的“电力公害”。在这种情况下,必须增设无功补偿和谐波滤波装置。 ( 3)、直流斩波器和脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市电车和地铁电机车等电力牵引设备上,常常采用直流串励或复励电动机,由恒压直流电源供电。过去多用切换电阻来控制电车的起动、制动和调速,电能在电阻中损耗很大。晶闸管也可用来控制直流电压,这就是直 流斩波器,或称直流调压器。 采用晶闸管的直流斩波器基本原理示于图 3.4a。与整流电路不同的是,在这里晶闸管 VT 不是受相位控制,而是工作在开关状态。当 VT 被触发导通时, Us 加到电动机上,当 VT 截断时,直流电源与电动机短开,电动机经 VD 续流,两端电压接近于零。如此反复,的电枢端电压波形 u=f( t) 如图 3.4b 所示,好像是电源电压 Us 在一段时间 ( T-ton) 内被斩断后形成的。这样,电动机得到的平均电压为: Ud=TonUs/T 式中 T 晶闸管的开关周期; Ton VT 的开通时间; P 占空比; f 开关频率。 晶闸管一旦导通,就不能再用门极触发信号来使它关断,若要关断,必须在阳、阴极间施加反压,这就需要一种附加的强迫关断电路。受到晶闸管关断时间的限制,由普通晶闸管构成的斩波器的开关频率只能是 100200Hz。为了缩小装置的体积,可以逆导通晶 闸管代替普通晶闸管和反向二极管,同时开关频率也可适当提高。 nts 图 3.4 斩波器 电动机系统的原理图和电压波形 图 a)原理图 b)电压波形图 直流斩波器的平均 Ud 可以通过改变主晶闸管的导通和关断时间来调节。 如下 : 强迫关断电源 nts1.脉冲宽度调节,简称 PWM 脉冲周期不变,只改变主晶闸管的导通时 间,即改变脉冲的宽度。 2.脉冲频率调制,简称 PFM 导通时间不变,只改变开关频率或开关周期,也就是只改变晶闸管关闭时间。 3.两点式控制 当负载电流或电压低于某一最小值时,使 VT 触发导通 ; 当电流或电压达到某一最大值时,使 VT关断。导通和关断的时间都是不确定的。 由普通晶闸管或逆导晶闸管构成的斩波器开关频率不高,因而输出脉冲电流较大,调速范围有限。此外,附加的强迫关断电路也增加了装置的体积和复杂性。为了适应大功率开关电路的要求,自 70 年代以来研制了多种既能控制其导通又能控制其关断的“全控式”电力电子器件,如门极可关断晶闸管、电力晶闸管、电力场效应管等等。全控式器件的关断时间短,因而由它们构成的斩波器其工作频率可以提高到14HZ 甚至打倒 20KHZ。采用全控器件实行开关控制时,多用脉冲 宽度调制 的控制方式,形成近年来应用日益广泛的 PWM 装置 -电动机系统,简称 PWM 调制系统或脉宽调素系统。 与 V-M 系统相比, PWM 调速系统有下列优点: 1.由于 PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用可能就足以获得脉冲很小的直流电流,电枢电流容易连续,系统的低速运行平稳,调速范围较宽。又由于电流波形比 V-M系统好,在相同的平均电流即相同的输出转矩下,电动机的损耗和发热都很少。 2.同样由于开关频率高,若与快速响应的电动机配合,系统可以获得很宽的频带,因此快速响应性能好,动态抗干扰能力强,十分 不容易受到干扰。 3.由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率较高。 受到器件容量的限制,直流 PWM调速系统目前只用于中、小功率的系统。 3.PWM调速简单介绍 本设计参考脉宽调制式变换器( PWM)的相应方法对直流电动机进行调速。脉宽调制变换器就是采用脉冲宽度调制的一种直流斩波器。直流斩波器最早是用在直流供电的电动车辆和机车中,取代变阻调速,从而获得显著的节能效果。由于器件容量的限制,目前直流 PWM 调速还只限于中、小功率的系统。 PWM 变换器有不可逆和可逆两类,可逆 变换器变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。本设计采用单极式可逆 PWM 变换器。 采用 PWM 调速的优点是:线路简单,须用的功率元件少,开关频率高,谐波少,电机损耗小,低速性能好,调速范围宽,快速响应好,动态抗干扰能力强,容易实现控制。 nts工作原理简介:双极式可逆 PWM 变换器的主电路如下图(图 3.5)所示: 图 3.5 PWM 变换器电路图 它是由四个晶体管 T1、 T2、 T3、 T4 及四个二极管 D1、 D2、 D3、 D4 组成桥式电路。 V1 和 V4 为一组, V2 和 V3 为一组。同一组的两个晶体管同时导通,同时关闭,两组晶体管之间是交替的导通和关断的。这种电路可以工作在四种模态。 实现电动机的可逆运行,由正、负驱动电压的脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时, tm T/2,电枢两端的电压为正,电动机正转;当正脉冲较窄时, tm T/2,电枢两端平均电压为负,电动机反转。当正、负脉冲宽度相等时, tm=T/2,平均电压为零,电动机停止。 可逆 PWM 变换器电枢平均端电压用公式表示为: Ud=ton U S /T ( T ton U S ) /T=( 2 ton/T1) U S 若以 =Ud/Us 来定义 PWM 电压的占空比,则: nts =2 ton /T 1 可见改变 ( -1 1) 即可调速。 为正值,电动机正转, 为负值,电动机反转。 为零时,电动机停止转动,但电枢两端的瞬时电压和瞬时电枢电流都不为零,而是交变的,它增加了电动机的损耗,同时也使电动机产生高频的微振,后者可以消除正、反向时的静摩擦死区,起到“动力润滑”的作用。 单极式变换器与双极式变换器有所不同,它是电力晶体管 T3, T4 二者之中总有一个导通,一个截止,运行中无须 频繁交替导通,因此和双极式变换器相比开关损耗可以减少,装置的可靠性有所提高。具体差异如下表(表 3.1)所示: 因此,小功率直流电动机的转速控制方法是:先将电动机启动一段时间,然后切断电源,由于电动机具有惯性所以将继续转动一段时间;在电动机尚未停止转动之前再次接通电源,于是电动机再次加速。因此,系统要求电动机可以反转,而且系统的频率响应较好,这样只要控制他的导 通和截止的时间比,就可以控制电动机正向和反向速度。 控制 方式 双 极 式 单极式 电机 转向 正转 反转 正转 0 t ton 开关状况 UAB D1, D4 续流 T2, T3 截止 T1, T4 导通 T2, T4 截止 T1, T4 导通 T2, T3 截止 +US +US +US ton t T T1, T4 截止 D2, D3 导通 T1, T4 截止T2, T3 导通 T4 导通, D2续流 T1, T3 截止 T2 不通 UAB US US 0 开关状况 占空比调节范围 -1 1 -1 0 0 1 nts考虑到本次设计题目的要求并 PWM 变换器的调速方法,本次设计采用类似的调速方法。为了编程简单并且考虑到实际的汽车操作者的控制状态,本次设计取消了通过占空比调速的复杂方法,取而代之的是通过设定几个调速档的方法改变小车的速度,并且参考 PWM 的正反转功能设计了小车的正反转功能控制器,不但有实际汽车的类似的控制感觉,而且有硬件搭建简单,软件容易实现的特点,更重要的是它能够完全的符合题目设计的要求。 本次设计为了达到快速变速以及快速停车的功能,速度控制中加入了快速反 转制动环节,可以把变速时间控制在 0.15 秒以内。 直流电动机的制动方法有:能耗制动,回馈制动,反接制动等。能耗制动主要通过串联电枢电路内的电阻消耗由电机转动的动能转化的电能来实现的,所以称之为能耗制动。回馈制动可能出现位能负载拖动电动机和他励电动机改变电枢电压调速两种情况,为了获得位能负载下较低的稳定下放速度,一般在回馈制动时,将电枢内串联的 R 切除。在回馈制动过程中,有 UI 回馈电网。因此与能耗制动及反接制动相比,从电能消耗来看,回馈制动是比较经济的。反接制动可以用转速反向(用于位能负载)和电枢反接(用于反 作用负载)两种方法实现。本次设计采用的就是反接制动中的转速反向方法 。 (三)、测速模块设计 1.有关霍尔开关传感器的说明 集成化霍尔元件传感器是一种新型的磁敏感器件,它集磁敏霍尔效应片和集成电路为一体,具有灵敏可靠,体积小巧,无触电,无磨损,使用寿命长,功效低以及不怕尘土,油污,湿热等优点。在自控装置,家用电器和仪器仪表等电路中应用这种传感器,可简化电路和提高可靠性。 2.基本工作原理 在这次设计中我采用的是 CS 系列 CS6839 开关型霍尔集成电路,如图 3.8 所示。其中的敏感元件是霍尔电势发生器,它是一片用 P 型硅材料作衬底, N 型硅材料为外延层的霍尔效应片。当霍尔效应片垂直于磁通密度(磁感应强度)为 B 的磁场中,并对其施加控制电流 I,使在垂直于电流 I 和磁场的方向上产生电动势 E,即霍尔电势。 霍尔电势 E 与外加磁场 B 和控制电流 I 成正比,而与霍尔效应片的厚度 d 成反比,即 E=KIB/d,式中 K 为霍尔系数,是一个与霍尔效应片材料有关的常数。对工作电压稳定的霍尔传感器来讲,其产生的霍尔电势基本上与材料有关,且两者为线性正比关系。 霍尔效应片产生的电势由差分放大器进行放大,随后送往施密特触发器。当外加磁场的 B 小于霍尔器件的磁 场工作点 Bop( 0.075T)时,差动放大器的电压不足以开启施密特触发器,故而驱动管 BG 截止,霍尔器件处于关态。外加磁场的 B 等于或大nts于 Bop 时,差分放大器的输出电压也达到或大于施密特触发器的开启电压值,于是BG 导通,霍尔器件处于开态。此时若外加电场逐渐减弱,霍尔器件并不立即进入关态,而是逐渐至磁场释放点 Brp,使差分放大器的输出电压降到施密特触发器的关闭值,至此, GB 才由导通转向截止。 霍尔器件的磁场工作 Bop 和 Brp 之差 B 为磁感应强度的回差(磁滞)宽度。 Bop和 B 是霍尔器件的两个重要参数。 Bop 越小, 器件的灵敏度越高; B 愈大,则器件的抗干扰性能愈好。霍尔器件所具备的回差特性使它的抗干扰性能明显提高外来杂散干扰磁场不易使其产生误动作;同时器件的输出信号已经有施密特触发器进行整形,因此可直接去驱动对波形前后沿要求较高的电路,这样便能大大简化整个装置中有关部分的电路结构。 注:上图 1、 2、 3 引脚分别接 +9v 电源、单片机中断 1 和地线。 3.应用电路 霍尔器件主要作为无触电开关检测元件使用,例如用作行程开关,接近开关,限位开 关,汽车点火器,温度开关,压力开关,无刷电动机触电抖动现象,其开关可靠性比单簧管和电磁继电器等普通元件要高,还适合在特殊或恶劣条件下工作。 霍尔器件与后级电路很容易接口,只要保证电压级负载电流不超过器件的允许范围,它就能安全地直接与各种器件接口。下图(图 3.9)示出了 CS6839 在本系统中的应用原理图。 H 放大 施密特 触发器 输出 nts 图 3.9 CS6839 原理图 使用时,在小汽车的电机轴上贴几个磁钢,将开关型霍尔传感器检测电路固定在相应的位置上,能够使磁钢在后轮旋转的过程中与传感器做切割运动。这样,后轮旋转一周,霍尔传感器输出一个脉冲触发中断,单片机计算后轮旋转的圈数来计算行驶的距离。 (四)、检测模块设计 1.光敏二极管的简单介绍 光敏二极管与普通半导体二极管的主要区别在与 PN 结面积较大,距表面较浅,上电极较小,利于接受关照射以提高光电转换效率。它的工作机理是光生电势效应,即当受光照射时半导体本征载流子浓度增加,本征载流子在 P 和 N 区均为少数载流子,在 PN 结势垒作用下,分别向对方区域漂移,此时若将两端短路,便构成短路光电流;若两端开路或接负载,则输出光生电动势;若外加电场则反向饱和电流增加。 2.本次设计的检测电路(图 3.10) 为了检测跑道上黑线标志的限制速度区域以及停车标志线,以控制自动小汽车完成规定动作。本次设计采用由发光二极管、光敏二极管组成的光电耦合器加驱动电路组成的跑道标志检测电路。如下图 3.10 所示,电路输出端与单片机中中断引脚相连,当小车在白纸上运行时,输出高电平,遇黑条,输出低电平脉冲作为中断记数判断用。 H S N nts 图 3.10 跑道标志检测电路 (五)、显示模块设计 1.LED动态显示方式简介 在多位 LED 显示时,为了简化电路,减低成本,将所有位的段选线并联在一起,由一个 8 位 I/O 控制,而共阴极点或共阳极点分别由相应的 I/O 口线控制,这就构成了一个动态显示器。 8 位 LED 动态显示电路中只需要两个 8 位 I/O 口。其中一个控制段选码另一个控制位选。由于所有位的段选码皆有一个 I/O 口控制,因此,在每个瞬间, 8 位 LED 只可能显 示相同的字符。要想每位显示不同的字符,必须采用扫描显示方法。即在每一个瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间段选控制 I/O 口输出相应字符段选码,位选控制 I/O 口在该显示位送入选通电平(共阴极送低电平,共阳极送高电平)以保证该位显示相应字符。并保持延时一段时间,以造成视觉暂留效果。不断循环送出相应的段选码、位选码,就可以获得视觉稳定的显示状态。 LED显示块是由发光二极管字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的七段 LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种,共阴极 LED 显示块的发光二极管阴极接地,当某个发光二极管 的阳极为高电平时,发光二极管点亮;共 LED显示块的发光二极管阳极并接。本设计采用的是共阳极的接法。 nts 图 3.11 七段 LED显示块 通常的七段 LED 显示块中有八个发光二极管,所以也有人叫八段显示器。其中 七个发光二极管构成七笔字型“ 8”,一个发光二极管构成“ .” 七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个 8位并行口与显示块的发光二极管引脚相连即可。 8 位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符,通常控制发光二 极管的 8位字节数据称为段选码。 在单片机中应用系统中使用 LED显示块构成 N位 LED显示器。 N 位显示器的构成原理为并连方式, N 位 LED显示器有 N根选线和 8*N根段选线。根据显示方式的不同,位选线与段选线的连接方式不同。段选线控制字符选择,位选线控制显示位的亮,暗。LED显示器有静态显示与动态显示两种方式,本设计采用的是静态显示方式 LED显示器工作在静态显示方式下,共阳极或共阴极连接在一起接地或 +5V;每位的段选线( a dp)与一个 8位并行口相连。并且每一位可独立显示,只要在该位的段选线上保持段选码电平,该位 就能保持相应的显示字符。由于每一位由一个 8位输出口控制段选码,所以在同一时间里每一位显示的字符可以各不相同。 2.本次设计采用的显示电路 在单片机应用系统中,由于单片机本身有较强的逻辑控制能力,采用软件译码并nts不复杂。而且软件译码其译码逻辑可随意编程设定,不受硬件译码逻辑限制。采用软件译码还能简化硬件电路结构。因此,在单片机应用系统中,使用的最广的还是软件译码的显示器接口。 本次设计采用的就是软件译码的动态显示接口电路。由 AT89C52 通过 8155 扩展I/O 控制 8 位 LED 显示。这里只需要 8155 提供 两个 8 位输出口即可。由 PB 口输出段选码, PA 口输出位选码。位选码占用的输出口线数决定于显示器位数。 BIC-8718为 8 为集成驱动芯片。 本设计中的八位数码管,前四位数码管显示的数值表示小车运行时间,显示的范围为 0s59min59s;后四位数码管的数值表示小车经过的里程数,显示范围是19999m。 (六)、键盘设计 本系统只设有一个按键,即开始键:主程序上电复位后,按开始键,小车按指定程序运行。 (七)、电源设计 在小汽车运动时,单片机也要随之运行,所以要有一个供单片机工作的 +5V 电源,本设计采用 了 +9V 电源进行供电,其中一部分 9V 电源供小汽车行驶使用, +5V 电源由 +9V 经过 7805 稳压管得到供单片机使用。 nts四、 软件设计 (一)、系统内存资源的分配: 20H25H 内存单元作为里程计数用( 23H 为跑道条数存放单元),采用十进制 计数,最大计数值为 9999m。 70H73H 为时间计数单元,采用十进制 BCD 码计数,最大记录时间为 59min59s。显示数据在 70H77H 单元中,七种 4H77H 单元内为里程显示数据。为了标志是终点停车还是起点停车,用位地址 30H(即 35H.0 位)的位值作为判断标志。 (二)、初始化子程序设计: 主要完成 70H77H、 20H25H 等单元的清零工作,设置 T1 为 16 位定时模式 开放 T1、外中断 0、外中断 1 的中断等。 (三) 、 主程序的设计: 主程序主要完成初始化调用:检测开始键开始运行程序;设定小汽车的初始运行状态,最后循环调用显示程序,其程序流程图如下图 4.1 所示: 图 4.1 主程序流程图 (四)、延时子程序设计: 延时程序均采用调用 显示子程序的方法,以改善 LED 显示的效果。 开始 初始化 置快车状态 打开电机电源 置前进状态 调用 显示 程序 nts(五)、车子慢速行驶子程序设计 慢车子程序执行时,先对电机进行反向驱动约 150ms,使其刹车,然后改供低电压,使电机慢速转动。 (六)、停车子程序设计 当执行停车时,先对黑线道计数器单元 3H 清零,在反向驱动刹车后关电机电源,然后延时 10s,对 30 H 位取反,以判断是中途停车还是起点停车。若是起点停车,计时单元清零。最后,设小车为初始运行状态。 (七)、里程计数处理子程序设计(外中断 1 服务程序) 里程计数器采用十进制计数,最大计数值为 9999m。当退出时,将计数器移入 74H77H 显示数据存储单元。 (八)、外终端服务子程序设计 它的任务是根据小车到达黑线的位置控制小车的运行状态,其程序流程图如下图 4.2 所示: 图 4.2 ZNTO 小车状态控制流程图 (九)、计时子程序设计: T1 用于时间计时 , 定时溢出中断周期设为 50ms,中断累计 20 次(即 1s)中断 0 开始 关中断 跑道数加 1 延时 7ms 开中断,中断返回 第 3 条? 第 6 条 ? 第 4 条? 第 5 条? 停止 慢车 快车 慢车 nts时对秒计数单元进行加 1 操作。时间计数单元地址分别微 70H71H( s)、 72H73H( min)。在计数单元中采用十进制 BCD 码计数,满 60 进位。 T1 中断服务程序流程图如下图 4.3 所示: 图 4.3 T1 中断服务子程序框图 (十)、动态显示程序设计 T1 中断 保护现场 1s 到? 秒单
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