电子设计竞赛培训-控制类

1、电子竞赛辅导（控制类）,重庆科技学院 李正中 2013年7月17日,微机控制系统结构,典型微机控制系统结构框图,历届大赛控制类题目, 水温控制系统（1997年C题） 自动往返电动小汽车（2001年C题） 简易智能电动车（2003年E题） 液体点滴速度监控装置（2003年F题） 悬挂运动控制系统（2005年E题） 电动车跷跷板（2007年F题本科组） 声音引导系统（2009年B题） 智能小车（2011年C题）,控制系统设计的能力需要,（1）系统控制方案和算法设计 （2）微控制器及其外围电路模块制作和编程 （3）传感器电路模块制作和编程 （4）电机控制电路模块制作和编程 （5）电源电路模块制作 （

2、6）机械传动机构制作,控制专题（一）：直流电机控制,小直流电机具有体积小、调速简单等优点，故常用于小车的动力装置。,小直流电机的控制内容： （1）速度控制 （2）方向控制,控制专题（一）：直流电机控制,（1）小直流电机的速度控制 直流电机转速n的表达式为： 其中：U电枢端电压；I电枢电流；R电枢电路总电阻；每极磁通量；K电动机结构参数。 则电机转速控制方法可采取电枢电压控制法，即励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。,如何控制电压？ PWM（Pulse Width Modulation ）脉宽调制,控制专题（一）：直流电机控制,PWM原理,当晶体管V的基极输入高电平时，V导通，直流

3、电机电枢绕组两端有电压Us，t1秒后，基极输入变为低电平，V截止，电机电枢两端电压为0；t2秒后，基极输入重新变为高电平，V的动作重复前面的过程。,电机电枢两端的电压平均值Uo为：,控制专题（一）：直流电机控制,PWM原理,电机电枢两端的电压平均值Uo为：,称为占空比，表示在一个周期T里，晶体管导通的时间与周期的比值。 的变化范围为0,1。当电源电压Us不变时，电枢端的平均电压Uo取决于的大小，改变的值就可以改变端电压的平均值，从而进行调速，这就是PWM调速原理。 如何改变的值？常用的一种方法是定频调宽法。即使周期T保持不变，同时改变t1和t2的大小。,控制专题（一）：直流电机控制,生成PWM

4、波的方法,延时程序 专用PWM波生成器 带PWM模块的单片机 单片机的定时器,STC12C60S2 STC12C2052,控制专题（一）：直流电机控制,定时中断法生成PWM波,设51单片机晶振12MHz，利用P2.0口发出周期为10ms，占空比为50%的PWM波信号,#include reg51.h sbit pwm=P20; unsigned char count=0; void main() TMOD=0 x01; /定时器0方式1 TH0=0 xfc; TL0=0 x18; /定时1ms ET0=1; EA=1; TR0=1; while(1); ,void timer0() inter

5、rupt 1 using 1 TH0=0 xfc; TL0=0 x18; count+; if(count5)pwm=1; else if (count10)pwm=0; else count=0;pwm=1; ,思考题：若需要占空比可调，程序应如何修改？,控制专题（一）：直流电机控制,（2）小直流电机的方向控制H桥电路,方向=1： PWM=1时，Y1=1；V1和V4导通 PWM=0时，Y1=0； V1和V4截至,V2和V3一直截至,控制专题（一）：直流电机控制,（2）小直流电机的方向控制H桥电路,方向=0： PWM=1时，Y2=1；V2和V3导通 PWM=0时，Y2=0； V2和V3截至,V

6、1和V4一直截至,控制专题（一）：直流电机控制,可逆PWM控制,设51单片机晶振12MHz，通过H桥电路生成可逆PWM波，P2.0发出周期为10ms，占空比为50%的PWM波，P2.1控制方向。,#include reg51.h sbit pwm=P20; sbit direct=P21; sbit key=P10; /由该引脚电平判断正反转 unsigned char count=0; void main() TMOD=0 x01; /定时器0方式1 TH0=0 xfc; TL0=0 x18; /定时1ms ET0=1; EA=1; TR0=1; while(1) scan(); ,void

7、 timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 xfc; TL0=0 x18; count+; if(count5)pwm=1; else if (count10)pwm=0; else count=0;pwm=1; ,void scanf() if(key=1)direct=1; else direct=0; ,控制专题（一）：直流电机控制,（3）多路小直流电机的可逆控制L298N,恒压恒流桥式2A驱动芯片 驱动两个二相直流电机 驱动一个四相直流电机 驱动一个两相步进电机,控制专题（一）：直流电机控制,（3）多路小直流电机的可逆控制L298N,控制专题（一）：直流电机

8、控制,（3）多路小直流电机的可逆控制L298N,控制专题（一）：直流电机控制,（3）多路小直流电机的可逆控制L298N,控制专题（一）：直流电机控制,（3）多路小直流电机的可逆控制L298N,控制专题（一）：直流电机控制,（3）多路小直流电机的可逆控制L298N,设计实例：两路电机PWM调速 设计内容：对两路电机分别实现启/停、正/反转和加/减速控制,系统硬件： 单片机P0口接8个按键，分别为电机A和电机B的启/停键、正/反转键、加速键和减速键 单片机的P2.0P2.5接L298N的两路电机控制端口,控制专题（一）：直流电机控制,（4）智能小车设计实例循迹小车,功能：小车按图所示的黑色轨迹运行

9、,组成：电源模块、循迹模块、主控模块、电机驱动模块,器件：51单片机、9V直流电机、循迹传感器,控制专题（一）：直流电机控制,电源模块设计,电源模块是智能车硬件设计中的一个重要组成部分，按照系统各部分正常工作的需要，电压值分为5 V和9V两个挡。,其中：主控模块和循迹模块需用5V电源供电； 电机和驱动模块需用9V电源供电。,电源选择：干电池、充电电池；尽量选取容量较大的。,控制专题（一）：直流电机控制,电源模块设计,以6节5号碱性电池为例： 9V直接给L298驱动端VS供电，以驱动电机 经过稳压芯片降压到5V后，给单片机和循迹模块供电,稳压芯片的选择： 7805（2.5V,1A） LM2940

10、（0.5V,1A） SPX1117（1.1V,800mA） ,防止电机启动拉低单片机电流： 电解电容,控制专题（一）：直流电机控制,电源模块设计,控制专题（一）：直流电机控制,循迹模块设计,常见循迹传感器： 反射式光电传感器、红外对管、黑白线传感器。,控制专题（一）：直流电机控制,循迹模块设计,反射式光电传感器原理：白色反光，黑色吸光,控制专题（一）：直流电机控制,循迹模块设计,反射式光电传感器电路：,原理： 当光电传感器检测到黑线时，V1为高电位，若此时LM324同向端低于V1，则Vout输出低电平。 当光电传感器检测到白线时，V1为低电位，若此时LM324同向端高于V1，则Vout输出高电

11、平。,调节电位器，使LM324同向端输入电压在V1的高低电平之间,控制专题（一）：直流电机控制,循迹模块设计,传感器布局：,数量：最少2个，越多探测信息越丰富，但也要考虑电路复杂 度和功耗等 排列：单排，双排，八字形排列、W型排列等,控制专题（一）：直流电机控制,循迹算法设计,2传感器布局为例：,状态一：小车走直线,控制策略：左右轮电机转速相同,控制专题（一）：直流电机控制,循迹算法设计,2传感器布局为例：,状态二：小车右转,控制策略：右轮转速大于左轮,控制专题（一）：直流电机控制,循迹算法设计,2传感器布局为例：,状态三：小车左转,控制策略：左轮转速大于右轮,控制专题（一）：直流电机控制,循

12、迹算法设计,2传感器布局为例：,状态四：特殊情况,控制策略：根据前一次状态标记决定当前状态。 前一次是右转，当前接着右转 前一次是左转，当前接着左转,控制专题（一）：直流电机控制,循迹算法设计,2传感器布局为例：,void scan_led( ) if ( P00=0 ,控制专题（一）：直流电机控制,（4）智能小车设计实例避障小车,功能：小车从无障碍地区启动前进，感应前进路线上的障碍物后，根据障碍物的位置选择下一步行进方向。,组成：电源模块、避障模块、主控模块、电机驱动模块,器件：51单片机、9V直流电机、避障传感器,控制专题（一）：直流电机控制,避障模块设计,常见避障传感器： 超声波、激光、

13、红外对管、视频和光电开关等,控制专题（一）：直流电机控制,避障模块设计,超声波传感器使用：,距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2;,控制专题（一）：直流电机控制,避障模块设计,控制专题（一）：直流电机控制,避障模块设计,光电开关使用：,模块工作原理： （1）红色：接4.5-5V电源 （2）黄色：接单片机，输出TTL电平给单片机（先接10k上拉电阻），无障碍该引脚为高电平，有障碍输出低电平 （3）绿色：接GND,黄色输出端的电平信号可用查询方式或中断方式读取。,控制专题（一）：直流电机控制,避障算法设计,控制专题（一）：直流电机控制,（4）智能小车设计实例寻光小车,功能：小车自动寻找光源

14、，并向光源行驶,组成：电源模块、寻光模块、主控模块、电机驱动模块,器件：51单片机、9V直流电机、寻光传感器,控制专题（一）：直流电机控制,寻光模块设计,常见寻光传感器： 硅光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等,控制专题（一）：直流电机控制,寻光模块设计,光敏电阻特性：,光敏电阻器又称光导管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。,光敏电阻器的主要参数 1）亮电阻（k）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。 2）暗电阻(M)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。 3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压 。,控制专题（一）：直流电机

15、控制,寻光模块设计,光敏电阻电路：,AD端电压=VccR2/(R1+R2),调节R2，使AD端电压在无光照和有光照时的电压范围尽量宽。,AD端电压可送入AD转换器转换为数字量以备后续处理。,控制专题（一）：直流电机控制,寻光算法设计,车头安放两路光敏电阻采样电路，并用遮光板隔开。 两路电压采样值送AD转换器进行转换。 根据转换结果控制小车运行方向。,情况一： AB 光源在左侧，小车左转,控制专题（一）：直流电机控制,寻光算法设计,情况二： AB 光源在右侧，小车右转,车头安放两路光敏电阻采样电路，并用遮光板隔开。 两路电压采样值送AD转换器进行转换。 根据转换结果控制小车运行方向。,控制专题（

16、一）：直流电机控制,寻光算法设计,情况三： A=B 若A,B大于阀值X，则光源在车正前方，小车直行 若A,B小于阀值X，则光源在车正后方，小车左转/右转/后退,车头安放两路光敏电阻采样电路，并用遮光板隔开。 两路电压采样值送AD转换器进行转换。 根据转换结果控制小车运行方向。,控制专题（一）：直流电机控制,寻光算法设计,说明： |A-B|Z，表示光源在车的侧方，若AB，则在左侧；反之，则在右侧。,控制专题（一）：直流电机控制,（4）智能小车设计实例其它功能,功能：测速、金属探测、声光报警等,速度/行程：,方法一：反射式光电传感器,高（低）电平个数/4=车轮转过的圈数 圈数*车轮周长=行程 行程

17、/时间=速度,控制专题（一）：直流电机控制,（4）智能小车设计实例其它功能,功能：测速、金属探测、声光报警等,速度/行程：,方法二：霍尔感器,传感器对磁铁极性有要求,控制专题（一）：直流电机控制,（4）智能小车设计实例其它功能,功能：声控、测速、金属探测、声光报警等,金属探测：,黑色线接单片机,接近开关,控制专题（一）：直流电机控制,（5）智能小车设计总结,电机选择：对于位置精度要求不高（厘米级）的小车，采用直流电机驱动。 传感器最好采用模块，减少设计周期，提高系统稳定性。,控制专题（二）：步进电机控制,机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号 转换成线 位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，

18、电机转动一 个角度，带动机械移动一小段距离。,特点：(1)给一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向,分类： 反应式步距角小 永磁式转矩大 混合式结合上述两者优点,控制专题（二）：步进电机控制,三相反应式步进电动机的原理结构图如下：,A,定子内圆周 均匀分布着六个 磁极，磁极上有 励磁绕组，每两 个相对的绕组组 成一相。转子有 四个齿。,定子,转子,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的工作原理,给定子绕组通电时，转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对

19、齐位置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。,控制专题（二）：步进电机控制,相、拍、齿距角、步距角的概念,“相”绕组的个数 “齿距角” 转子相邻两齿的夹角 “拍”绕组的通电状态。如：三拍表示一个周期共有3种通 电状态，六拍表示一个周期有6种通电状态，每个周 期步进电机转动一个齿距角。 “步距角” 转子每拍转动的角度 步距角360/(NZ) N：步进电机的拍数 Z：转子的齿数。,结论：步距角反映出步进电机的精度，步距角越小，该步进电机能够输出的单位位移量越小。步距角与电机本身结构（转子齿数）和工作方式（拍数）有关,控制专题

20、（二）：步进电机控制,步进电动机的工作方式,单拍方式如三相步进电机：三相单三拍,A相绕组通电，B、C 相 不通电。由于在磁场作用下， 转子总是力图旋转到磁阻最 小的位置，故在这种情况下， 转子必然转到左图所示位置： 1、3齿与A、A极对齐。,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的工作方式,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4 齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C、C 磁极轴线对齐。,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的工作方式,单拍方式如三相步进电机：三相单三拍,这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲

21、，所以称为三相单三拍工作方式。,按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角)。,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的工作方式,双拍方式如三相步进电机：三相双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的工作方式,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循 环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)， 一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的工作方式,单双拍方式如三相步进电

22、机：三相六拍,按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。,控制专题（二）：步进电机控制,A相通电，转子1、 3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电， A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,控制专题（二）：步进电机控制,B 相通电，转子2、 4齿与B、B 对齐,又转 过15。,B、C相同时通电， C 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B 磁极拉住 2、4齿，转子再转过15。,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的工作方式,小结： 单拍实现简单，性能较差 双拍转矩较大，带负载能力较强 单双拍步距角较小，控

23、制精度较高,控制专题（二）：步进电机控制,两相步进电机,单拍通电方式：,控制专题（二）：步进电机控制,两相步进电机,双拍通电方式：,控制专题（二）：步进电机控制,两相步进电机,单-双拍通电方式：,控制专题（二）：步进电机控制,两相步进电机,单-双拍通电方式：,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的驱动方式,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机的驱动方式,void main() TMOD=0 x01; TH0=0 x3c; TL0=0 xb0;/定时0.05s EA=1; ET0=1; EX0=1; TR0=1; while(1); ,void timer0() interrupt 1

24、using 1 TH0=0 x3c; TL0=0 xb0; count+; if(count=10) count=0; P1=code1i; if(+i3)i=0; ,char count=0,i=0; unsigned char code14=0 x01,0 x02,0 x04,0 x08; unsigned char code24=0 x03,0 x06,0 x0c,0 x09; unsigned char code38=0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x0c,0 x08,0 x09;,P1.0 a+ P1.1 b+ P1.2 a- P1.3 b-,控制专题

25、（二）：步进电机控制,步进电动机的驱动方式,void main() TMOD=0 x01; TH0=0 x3c; TL0=0 xb0;/定时0.05s EA=1; ET0=1; EX0=1; TR0=1; while(1); ,void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 x3c; TL0=0 xb0; count+; if(count=10) count=0; P1=code1i; if(-i0)i=3; ,char count=0,i=3; unsigned char code14=0 x01,0 x02,0 x04,0 x08; unsigned cha

26、r code24=0 x03,0 x06,0 x0c,0 x09; unsigned char code38=0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x0c,0 x08,0 x09;,P1.0 a+ P1.1 b+ P1.2 a- P1.3 b-,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机控制实例,设计一步进电机控制系统，采用二相四线步进电机，单-双拍控制方式，实现步进电机的调速、正反转和手动单步运行控制。,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机控制,L297+L298,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机变速控制,步进电机在启动和停止时的速度应该比正常运转时的速度

27、低，特别是刚启动和最后停下来时，速度应该更低，否则由于惯性步进电机会出现“失步”（多走了步或少走了步），失去其精确性。为确保步进电机运行的精确性和快速性，必须变速运行,变速原理： 在启动过程的脉冲周期由长（频率低）变短，使步进电机转速缓慢上升到正常运转时的速度；在停止过的程脉冲周期由短变长，使步进电机转速从正常转速缓慢下降至0 。变化时间约0.1-1s。正常运转时脉冲周期要短（频率高） ，速度要高。 右图为变速运行控制脉冲频率变化曲线。,控制专题（二）：步进电机控制,步进电动机变速控制,1、变速方法之一-改变控制方式 如在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍控制，大约经过0.1s后改为三相

28、三拍控制。,3、变速方法之二-改变脉冲时间 间隔控制,void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 x3c; TL0=0 xb0; count+; if(count=X) count=0; P1=code1i; if(Xmin)X-; if(+i3)i=0; ,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2003年,任务 设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置。 1、滴速可控 2、储液瓶液面超低报警,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2003年,传感器选择：红外对管 控制策略：储液瓶高度、滴速夹松紧度,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2007年,通

29、过小车的移动使跷跷板水平,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2007年,传感器选择：倾角传感器,输出：0.5V4.5V 对应：-90度+90度,Vout输出至AD，经模数转换后决定小车的运动方向。,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2005年,控制方块到达指定坐标点,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2005年,传感器选择：光电传感器,（1）方块沿Y轴方向移动，当3、4检测到黑线，纵轴坐标+/-1 （2）方块沿X轴方向移动，当1、2检测到黑线，横轴坐标+/-1 （3）方块处于某坐标点,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2008年安徽省,控制一支笔在白纸上写字。,控制专题

30、（二）：步进电机控制,赛题分析：2008年安徽省,控制策略,笔移动到b点，笔下落； 从b移动到c； 笔抬起，移动到a； 笔下落，移动到g； 移动到e； 笔抬起，移动到g； 笔下落，移动到f；,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2008年安徽省,控制算法插补法,给定曲线基点坐标，求得曲线中点坐标的计算方 法。 插补形式： 直线插补；二次曲线插补（圆弧、抛物线、双曲线） 折线逼近（逐点比较法插补）： 根据插补计算出的中间点、产生脉冲信号驱动x、y方向上的步进电机，带动绘图笔绘出图形。,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2008年安徽省,控制算法插补法,x方向步数：Nx(xe-x0)/ x y方向步数：Ny(ye-y0)/ y, x和 y是x和y轴步进电机每转过一个步距角所产生的在x轴或y轴上的水平位移，称为步长。,控制专题（二）：步进电机控制,赛题分析：2008年安徽省,控制算法插补法,逐点比较插补： 刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较一次，决定下一步的进给方向。 其思想就是用阶梯折线逼近曲线。 走一步 - 比较一次 - 决定下一步的走向 逐点比较法的最大误差：一个脉冲当量