单片机应用技术-基于51单片机的智能小车设计与开发 课件 项目9：智能小车要运动

单片机应用技术APPLICATIONTECHNIQUESFORMICROCONTROLLER《微控制器应用技术》课程团队模块三：脉宽调制控制技术应用项目9：智能小车要运动项目9：智能小车要运动在前面的项目中，智能小车完成了必要的人机交互，想来到地面上接接地气，请使用STC15W4K32S4完成智能小车“前进、后退、左转和右转”的功能设计。要做什么？应该怎么做？运动控制方案设计——速度控制、方向控制车速控制硬件电路设计和软件功能实现方向控制硬件电路设计和软件功能实现能做成什么样？项目9：智能小车要运动运动控制方案设计智能小车的运动控制主要涉及直流电动机速度控制和舵机方向控制两个部分。直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。直流电动机调速控制原理是通过改变电机的电压、电流或者改变电机的磁通来调节电机的转速。在单片机作为主控的场合下，通常使用脉冲宽度调制（PWM）技术法来控制电机的转速。PWM技术将输入的直流电压转换为脉冲信号，通过控制脉冲的占空比来控制电机的平均电压值，从而实现电机转速的调节。这种方法调速范围广，精度高，而且一般高性能的单片机都会自带PWM功能模块，电机调速控制容易实现。项目9：智能小车要运动运动控制方案设计在车速控制方案中，通过调整占空比来输出不同电压值，从而控制加到电机两端的电压高低来实现智能小车车速的控制，占空比和输出电压之间存在如下关系：输出电压=占空比*最大电压不同的占空比，分别对应不同的输出电压，同时也对应不同的车速。占空比为50%时，对应的电压为2.5V，那么车速是为全速运行时速度的二分之一。项目9：智能小车要运动运动控制方案设计舵机是一种俗称，实质是一种伺服马达，

一种位置（角度）伺服的驱动器。舵机适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如飞机模型、潜艇模型和遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机分为数字舵机和模拟舵机，两者在机械结构方面是完全一样的，主要由马达、减速齿轮、控制电路等组成。而数字舵机的控制电路比模拟舵机多了微处理器和晶振。舵机控制电路接控制脉冲，并驱动电机转动，脉冲宽度决定舵机输出轴的角度。在单片机作为主控的场合下，同样可以使用PWM技术来控制舵机输出轴的转角。项目9：智能小车要运动运动控制方案设计在方向控制方案中，通过调整占空比来达到不同的舵机输出轴角度，实现不同的转向角，从而实现智能小车的方向控制。占空比和舵机输出轴转角存在如下关系：舵机的控制脉冲周期固定为20ms，脉宽从0.5ms~2.5ms，对于180度舵机，分别对应-90度到+90度的位置。思考：什么是脉冲宽度调制（PWM）技术？（车速控制和方向控制都使用到了）本课程所涉及的脉宽调制(PWM，PulseWidthModulation)技术是一种使用程序来控制波形占空比、周期、相位的技术，在电机驱动、舵机控制等场合广泛应用。项目9：智能小车要运动运动控制方案设计STC15W4K32S4系列的单片机集成了一组（各自独立6路）增强型的PWM波形发生器。所有与PWM相关的端口，在上电后均为高阻输入态，必须在程序中将这些口设置为双向口或强推挽模式才可正常输出波形。PWM波形发生器内部有一个15位的PWM计数器供6路PWM使用，可设定1~32767之间的任意值作为PWM的周期。高低字节分别存放在PWMCH（高7位）和PWMCL（低8位）中项目9：智能小车要运动运动控制方案设计例若系统时钟为12M，定时器2的溢出率为100K，PWM控制周期想达到20ms，请分别给出使用不同时钟源时15位的PWM计数器的高低字节值。PWM波形发生器内部的计数器从0开始计数，每个PWM时钟周期递增1，当内部计数器的计数值达到[PWMCH，PWMCL]所设定的PWM周期时，PWM波形发生器内部的计数器将会从0重新开始开始计数，硬件会自动将PWM内部的计数器归零。PWM时钟源及每个计数的时间周期是由PWM时钟选择寄存器PWMCKS决定。项目9：智能小车要运动运动控制方案设计当PWM时钟源使用定时器2的溢出脉冲时定时器2的溢出率为100K，则溢出周期为：T=1/f=1/100K=0.01msPWM控制周期为20ms，则PWM计数器值为：20ms/0.01ms=20002000转换为16进制为：0x07D0，则PWMCH=0x07，PWMCL=0xD0当PWM时钟源使用系统时钟经分频器分频后的时钟时系统时钟频率为12M，系统分频参数设置为11（PS[3:0]=1011H），则PWM时钟频率为：12M/(11+1)=1M，周期为：T=1/1M=1μs=0.001msPWM控制周期为20ms，则PWM计数器值为：20ms/0.001ms=20000项目9：智能小车要运动运动控制方案设计20000转换为16进制为：0x4E20，则PWMCH=0x4E，PWMCL=0x20注：当PWM时钟源使用系统时钟经分频器分频后的时钟时，15位的PWM计数器的高低字节值，除了和系统时钟相关，还和预设的系统分频系数相关；要保证PWM计数器值为整数，这样减小PWM时钟误差，确保PWM控制精度。PWM波形发生器为每路PWM又设计了两个用于控制波形翻转的15位计数器T1和T2，可设定1~32767之间的任意值当PWM波形发生器内部的计数器的计数值与T1/T2所设定的值相匹配时，PWM的输出波形将发生翻转，实现对PWM占空比的调节。项目9：智能小车要运动运动控制方案设计以PWM3为例例：若使用系统时钟（12M）12分频后的时钟作为PWM的时钟，PWM控制周期想达到20ms，占空比为50%，请给出PWM翻转计数器的高低字节值。由前例可知PWMCH=0x4E，PWMCL=0x20实现周期控制项目9：智能小车要运动运动控制方案设计要实现50%占空比，则两个翻转计数器值的差应为PWM计数器值的一半。对于PWM3可以将两次反转计数器分别设置如下：PWM3T1H=0，PWM3T1L=0；PWM3T2H=0x27，PWM3T2L=0x10。此外，每路PWM的初始电平可以通过PWM配置寄存器中不同的位进行设置。CnINI为第n路PWM初始电平的控制位。如：C3INI=1时，表示PWM3输出端口的初始电平为高电平；反之，则为低电平。项目9：智能小车要运动车速控制硬件电路设计实际应用中，常用H桥驱动电路来实现直流电机的正反向驱动。H桥驱动电路因其电路形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“H桥驱动”。4个MOSFET开关所在位置就称为“桥臂"，D1、D2、D3和D4分别是四个MOSFET的续流二极管。H小常识续流二极管是一种配合电感性负载使用的二极管，一般选用快速恢复二极管或者肖特基二极管。当电感性负载的电流有突然的变化或减少时，感性负载两端会产生突变电压，续流二极管与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的元件不被损坏的作用。项目9：智能小车要运动车速控制硬件电路设计当H桥驱动电路的Q1、Q4打开，Q2、Q3关闭，则电流从Vbat流出，依次流过Q1、M、Q4，最后流入地，此时电机转动，设定此转动方向为正转。当H桥驱动电路的Q2、Q3打开，Q1、Q4关闭，则电流从Vbat流出，依次流过Q3、M、Q2，最后流入地，此时电机转动，此转动方向为反转。当需要调速时，以电机反转状态为例，在Q2上输入PWM波，当PWM波的占空比为50%时，则电机反转速度降低50%，调节PWM波占空比达到电机调速的目的。项目9：智能小车要运动车速控制硬件电路设计相比较于L293D和L298N，TB6612FNG运行过程中的功耗和产生的热量较低，它无需外加散热片，外围电路也相对简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，价格也比较便宜，PWM控制信号输入频率范围可高达100KHz，能够满足大部分应用场合的的需求。在实际应用中，一般采用集成度比较高的电机驱动芯片，可以双通道输出，同时驱动两个电机，达到同时控制智能小车两个车轮的目的。常用的电机驱动芯片有L293D、L298N和TB6612FNG等。项目9：智能小车要运动车速控制硬件电路设计INPUTOUTPUTIN1IN2PWMSTBYOUT1OUT2MODEHHH/LHLL短制动LHHHLH逆时针LHLL短制动HLHHHL顺时针LHLL短制动LLHHOFF（高阻态）停止H/LH/LH/LLOFF（高阻态）待机顺时针转逆时针转短路制动停止四种工作模式项目9：智能小车要运动车速控制硬件电路设计TB6612FNG电机驱动电路实物图单片机与电机驱动电路接线图项目9：智能小车要运动车速控制软件功能实现项目9：智能小车要运动车速控制软件功能实现项目9：智能小车要运动车速控制软件功能实现项目9：智能小车要运动车速控制软件功能实现小车以20%的速度前进或后退（240/1200*100%=20%）小车以50%的速度前进或后退（600/1200*100%=50%）小车以80%的速度前进或后退（960/1200*100%=80%）小车以100%的速度前进或后退（1200/1200*100%=100%）项目9：智能小车要运动方向控制硬件电路设计方向控制硬件电路要比速度控制硬件电路简单的多，因为在舵机的基本结构里已经包含了必要的控制电路。在舵机内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，控制信号进入后，舵机得到和控制信号相对应的直流偏置电压，舵机将直流偏置电压与内部电位器的电压相比较，得到一个电压差，电压差驱动电机转动，电机的正反转由电压差的正负决定。电机通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，达到指定旋转角度，电机停止转动。舵机的转角通常由脉宽来控制，一般舵机都会有三根输入线（电源正，地，信号线)，PWM控制信号由信号线输入。绝大多数舵机都是三根接线项目9：智能小车要运动方向控制硬件电路设计电源正（VCC）：红色电源负（GND）：黑色、棕色信号线（PWM）：橙色、白色单片机与舵机接线图项目9：智能小车要运动方向控制软件功能实现方向控制软件功能实现项目9：智能小车要运动Proteus无法准确仿真舵机；只能粗略模拟。方向控制软件功能实现项目9：智能小车要运动方向控制软件功能实现项目9：智能小车要运动更新占空比

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