基于單片機(jī)的智能小車速度控制設(shè)計(jì)

1、題目：基于單片機(jī)的智能小車速度控制設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)械電子工程學(xué)生： （簽名） 指導(dǎo)教師： （簽名） 摘 要智能小車可應(yīng)用于無人駕駛車輛，生產(chǎn)線，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人及航空航天等領(lǐng)域，它是一種可行走的智能機(jī)器人。智能小車可在惡劣環(huán)境中進(jìn)行人們無法完成的探測(cè)任務(wù)。因此，為了使智能小車在最佳狀態(tài)工作，進(jìn)一步研究及完善其速度的控制是非常有必要的。本文詳細(xì)介紹了智能小車速度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主控制核心采用了STC89C528位單片機(jī)，該系統(tǒng)是在Keil uVision軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的，采用了C語(yǔ)言編程。系統(tǒng)硬件包括電源模塊，測(cè)速模塊、顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，為了提高智能小車

2、調(diào)速的準(zhǔn)確度和敏捷度，本設(shè)計(jì)采用PWM技術(shù)和PI算法。在測(cè)速模塊中，為了提高小車測(cè)速的精確度，本設(shè)計(jì)選用了光電測(cè)速傳感器進(jìn)行測(cè)速。最后，通過對(duì)小車進(jìn)行實(shí)車調(diào)試運(yùn)行，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的智能小車及其控制算法具有運(yùn)行性能良好，可靠性高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)速功能，為后續(xù)的研究工作提供了一定的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52；測(cè)速；PWM調(diào)速；PI算法Subject: Microcontroller-based intelligent vehicle velocity control designAbstractIntelligent vehicle is an intelligent walkin

3、g robotIt can be applied to unmanned vehicles，unmanned production lines，warehouses，service robots，aerospace and other fieldsIntelligent vehicle can complete the exploration missions in the environment which people could not enter or survive inTherefore，in order to let the intelligent vehicle in the

4、best condition the further research and improve its velocity control is very necessaryThe hardware velocity control system design is introduced in detailSTC89C52 which program with C and compilation language works on the core processor of the control circuitThe system is designed based on the Keil u

5、Vsion software platformThe hardware design of control system include power module，velocity measurement module，display moduleand driving moduleIn driving module, PI algorithm and a way of PWM used to improve the accuracy and agility of the vehicles velocity control. In velocity measurement module，pho

6、toelectric speed sensor is chosen to increase the accuracy of the velocity measurementFinally, from the work which has been done in this project，the conclusion can be draw that the intelligent vehicle and its control algorithm not only has the virtues of high-performance，high-reliability, but also h

7、as the auto tracingThis paper presented an experimental base for the further researchKey Words: Intelligent vehicle；STC89C52；velocimetry；PWM velocity control；PI algorithm目 錄1 緒論11.1 本設(shè)計(jì)研究的背景和意義11.2 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容12 智能小車速度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)32.1 智能小車的速度控制系統(tǒng)的選擇32.2 速度控制算法32.3 直流調(diào)速系統(tǒng)42.4 單片機(jī)控制方案論證52.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)72.6電源模

8、塊設(shè)計(jì)82.6.1 智能車電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)92.6.1 三端中電流正固定電壓穩(wěn)壓芯片78M05簡(jiǎn)介92.7 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)102.7.1 測(cè)速模塊方案論證102.7.2 MC-2單路測(cè)速模塊簡(jiǎn)介112.8顯示模塊設(shè)計(jì)132.8.1 LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)與編碼方式132.8.2 LED數(shù)碼顯示器的顯示電路152.9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)162.9.1 電機(jī)工作原理162.9.2 L298n介紹172.9.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制182.10 本章小結(jié)193 智能小車速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)203.1速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)概論203.2 速度控制系統(tǒng)軟件模塊分析203.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)213.4 測(cè)速及顯示程

9、序設(shè)計(jì)213.5 PI調(diào)速程序設(shè)計(jì)223.6 本章小結(jié)244 實(shí)驗(yàn)分析255 結(jié) 論26致 謝27參考文獻(xiàn)28附 錄29IV1 緒論1.1 本設(shè)計(jì)研究的背景和意義20世紀(jì)50年代初美國(guó)Barrett Electronics公司開發(fā)出了世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System，AGVS），從此開始了智能車輛的研究。1974年，瑞典的Volvo Kalmar轎車裝配工廠與Schiinder-Digitron公司合作，研發(fā)出了一種可裝載轎車車體的AGVS，并用多臺(tái)該種AGVS獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，于是許多西歐國(guó)家紛紛效仿Volvo公司，并逐漸使AG

10、VS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運(yùn)輸方式1。智能小車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的機(jī)電綜合系統(tǒng)，它集中運(yùn)用了傳感、信息、通信、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。智能小車的研究對(duì)于汽車自動(dòng)駕駛、救災(zāi)、外太空探測(cè)等都有重大意義。本設(shè)計(jì)通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能小車速度控制系統(tǒng)的能力，主要體現(xiàn)智能小車能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量、顯示行駛速度，并進(jìn)行調(diào)速。技術(shù)上采用對(duì)射式光電傳感器設(shè)計(jì)速度檢測(cè)模塊，同時(shí)，采用PWM技術(shù)和PI算法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在此過程中加深對(duì)單片機(jī)知識(shí)和控制理論的理解和認(rèn)識(shí)。如今，汽車方面的研究越來越受到人們的關(guān)注。全國(guó)電子大賽及省內(nèi)電子大

11、賽幾乎每次都有智能小車方面的題目，全國(guó)各高校也都非常重視該題目的研究，可見其研究意義之大。1.2 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)基于STC89C52單片機(jī)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的智能小車，包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件電路，最小單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等，分析速度控制原理，編寫控制程序。本設(shè)計(jì)選擇通用、價(jià)廉的STC89C52單片機(jī)為控制平臺(tái)，選擇常見的電機(jī)模型車為機(jī)械平臺(tái)，通過細(xì)化設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)小車行駛速度的測(cè)量、顯示及調(diào)速，達(dá)到智能控制，完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。本設(shè)計(jì)以2個(gè)直流電機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，通過測(cè)速傳感器來采集速度信息，送入主控單元STC89C52單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，以達(dá)到自身控制。電

12、機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298n，可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)或一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，測(cè)速由對(duì)射式光電測(cè)速傳感器完成。 根據(jù)設(shè)計(jì)的作品要達(dá)到的效果，本系統(tǒng)以STC89C52為核心控制器，主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊、LED顯示模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示。圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 智能小車速度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1 智能小車的速度控制系統(tǒng)的選擇本設(shè)計(jì)選用7.2V電池組作為智能電動(dòng)小車的電源，以STC89C52單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)小車的測(cè)速、顯示及調(diào)速，達(dá)到智能控制。為提高系統(tǒng)的靜態(tài)性能，智能小車采用PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，速度控制算法采用PI算法。速度控制系統(tǒng)是智能汽車的速度控制的核心環(huán)節(jié)。在確保智

13、能小車穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，電路應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，通過減少系統(tǒng)負(fù)載提高車體的靈活性。同時(shí)要以車體簡(jiǎn)潔功能良好為目的、以運(yùn)行可靠為前提，實(shí)現(xiàn)智能小車的平穩(wěn)運(yùn)行。速度控制系統(tǒng)作為一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)檢測(cè)智能小車的行駛速度，并發(fā)出相應(yīng)的指令，控制智能車的行駛速度，整個(gè)系統(tǒng)包括傳感器檢測(cè)、信息處理、控制算法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成。硬件設(shè)計(jì)部分傳感器、單片機(jī)、LED顯示器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)電路，軟件設(shè)計(jì)部分為信息分析處理與控制算法。2.2 速度控制算法由于小車在行駛過程中會(huì)產(chǎn)生較大的慣性和時(shí)延，從控制信號(hào)輸出到電機(jī)響應(yīng)有一段時(shí)間的延遲，同時(shí)小車運(yùn)行本身的慣性也使得它難以按照預(yù)先設(shè)定好的理想狀況運(yùn)行，這種影響

14、在小車彎道行駛時(shí)顯得尤為明顯。在彎道行駛時(shí)，若速度過，小車快會(huì)沖出賽道，導(dǎo)致無法再次循跡，影響運(yùn)行效果；速度過慢則小車停在彎道處；而在直線上時(shí)，又需要較快的速度來快速完成行駛過程，并將速度穩(wěn)定在安全的行駛速度范圍之內(nèi)，避免速度過快而影響小車的性能。因此，智能小車的速度控制在行駛過程中非常重要，為了使智能小車能實(shí)現(xiàn)直線快速行駛、彎道減速慢行，需要對(duì)智能小車的電機(jī)進(jìn)行處理2。在速度控制中，如何獲取小車當(dāng)前車速，以及如何對(duì)小車的速度進(jìn)行控制是兩個(gè)關(guān)鍵問題，小車的速度可由測(cè)速傳感器獲得。本系統(tǒng)是個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了獲得穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的速度控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用PI速度控制算法。PID調(diào)節(jié)的作用：1.比

15、例控制：反應(yīng)系統(tǒng)的基本（當(dāng)前）偏差，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。2.積分控制：反應(yīng)系統(tǒng)的累計(jì)偏差 ，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，只要有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無誤差。3.微分控制：反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化趨勢(shì)，產(chǎn)生超前控制作用，在偏差還沒有形成之前，就已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其不足之處是放大了噪聲信號(hào)3。由于在本設(shè)計(jì)中，僅使用PI調(diào)節(jié)便足以達(dá)到理想的精度和超調(diào)量，所以無須再加上微分項(xiàng)。PI參數(shù)的整定：本設(shè)計(jì)采用較常用的工程整定法中的臨界比例法對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。用此法進(jìn)行PI參數(shù)整定的

16、步驟如下：(1)先預(yù)選一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直至系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)做出臨界振蕩，并記下此刻的臨界振蕩周期和比例放大系數(shù)；(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PI參數(shù)。一個(gè)小電機(jī)閉環(huán)控制，一般P在（1，10）之間，I在（0，5）之間，D在（0.1，1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行修正。2.3 直流調(diào)速系統(tǒng)目前常見的調(diào)速方案有三種：1. 串電阻調(diào)速系統(tǒng)；2. 靜止可控整流器，即V-M系統(tǒng)；3. 脈寬調(diào)速系統(tǒng) 。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)通過交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)將電供給直流電機(jī)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流改變輸出電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。電機(jī)輸出電壓的極性與電機(jī)的

17、轉(zhuǎn)向都可以通過改變勵(lì)磁電流的方向來改變，所以G-M系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、勵(lì)磁發(fā)電機(jī)等，所需設(shè)備多、體積大、效率低等諸多缺點(diǎn)，且技術(shù)落后，因此不采用該方案。V-M系統(tǒng)是目前最主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，有單相、三相等，有半波、全波、全控等類型。優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，不足之處是晶閘管只能單向?qū)щ?，無法實(shí)現(xiàn)電流反向，可逆運(yùn)行困難，另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件高，維護(hù)麻煩。在低速運(yùn)行狀態(tài)下，功率因數(shù)很低，易危及附近的用電設(shè)備。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路的區(qū)別在于晶閘管不受相位控制，而是在于它工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加在電機(jī)上，晶閘管在截止?fàn)顟B(tài)下，直流

18、電源與電機(jī)斷開，電機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱PWM。通過改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短，來改變脈沖寬度達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的4。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速優(yōu)點(diǎn)諸多： 1.電力電子元件只有開關(guān)狀態(tài)，電路損耗小，效率高； 2.開關(guān)頻率較高，當(dāng)與快速響應(yīng)的電機(jī)一同配合工作時(shí)，可以獲得很寬的頻帶，響應(yīng)速度快，且抗干擾能力強(qiáng)； 3.PWM開關(guān)變化頻率快，通過濾波作用就能獲得很小的直流電流，系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)較平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，在等電流下，損耗及發(fā)熱較小。根據(jù)以上比較，本設(shè)計(jì)采用了PWM進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)速控制也可通過單片機(jī)控制繼電器的開閉

19、來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力不高。本設(shè)計(jì)采用了可逆PWM變換器，可以順利實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。在本設(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。2.4 單片機(jī)控制方案論證單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)一般分兩部分，一是系統(tǒng)擴(kuò)展，二是系統(tǒng)配置。系統(tǒng)擴(kuò)展，就是單片機(jī)內(nèi)部的功能如I/O口RAM、ROM中斷系統(tǒng)等不能夠滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，在單片機(jī)片外選擇合適的芯片，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路來滿足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)配置指的是按照功能設(shè)計(jì)配置外圍設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)及LED顯示等，設(shè)計(jì)出合適的接口電路。在常用的單片機(jī)中，一般有以下三種方案： 方案一

20、：AVR單片機(jī)Atmega128L。Atmega128L單片機(jī)具有低功耗、高性能的優(yōu)點(diǎn)，并擁有8位微處理器，64個(gè)引腳。總共包含了133條指令，大部分都可以在一個(gè)周期內(nèi)完成。片內(nèi)自帶有模擬比較器，可以上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)功能。片內(nèi)資源豐富，具有8個(gè)外部中斷，53個(gè)I/O端口，4個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，能夠很好地解決端口資源不足的困難。大多數(shù)引腳具備第二功能，功能強(qiáng)大。方案二：現(xiàn)場(chǎng)可編輯門列陣（FPGA）方案。現(xiàn)場(chǎng)可編輯門列陣可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。具有體積小、集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并且可利用軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。該芯片是并行工作方式，系統(tǒng)處理速度高，被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的系統(tǒng)。方案三：STC89

21、C52單片機(jī)方案。STC89C52是低功耗、高性能的8位微控制器，內(nèi)含8K可編程控制器，與80C51指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，也適用于常規(guī)編程器。AT89S52有5個(gè)中斷源，和3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。方案比較：綜合比較以上方案，F(xiàn)PGA價(jià)格較貴，且用不到高速處理功能，造成資源浪費(fèi)，而Atmega128L編程麻煩，所以本設(shè)計(jì)選擇STC89C52單片機(jī)方案5。STC89C52是ST公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能

22、。在單片機(jī)芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 32 位的I/O 口線，512 Byte的RAM，8K Byte的Flash，具有看門狗定時(shí)器，內(nèi)置了4KB的E2PROM，3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，MAX810復(fù)位電路，帶全雙工串行口。另外STC89C52可降到0Hz靜態(tài)邏輯來操作，可選擇節(jié)電模式，支持匯編語(yǔ)言及C語(yǔ)言進(jìn)行編程?？臻e模式下，CPU停止運(yùn)行，允許定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷、RAM及串口繼續(xù)工作。在掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)的內(nèi)容可被保存，振蕩器會(huì)被凍結(jié)，單片機(jī)工作

23、停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率為35MHz，6T/12T可選6。STC89C52RC基本結(jié)構(gòu)圖如2.1所示。圖2.1 STC89C52RC基本結(jié)構(gòu)圖STC89C52的引腳排布如圖2.2所示。圖2.2 STC89C52引腳圖2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為智能小車的控制核心，單片機(jī)最小系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是小車平穩(wěn)運(yùn)行的前提。最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是要保證單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)最精簡(jiǎn)，即在單片機(jī)外部盡可能少的增加元件電路，組成一個(gè)可讓單片機(jī)獨(dú)立工作的系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1. 考慮調(diào)試過程中的擴(kuò)展需要，正常情況下需要將所有的I/O口引出，同時(shí)為了避免其他大電流器件對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行造成影響，

24、還要設(shè)計(jì)單獨(dú)的供電系統(tǒng)。2. 合力集成相應(yīng)的外圍模塊，如LED燈，蜂鳴器，因?yàn)閭鞲衅餍枰芎玫撵`敏度，不能夠?qū)崟r(shí)看出是否工作正常，所以LED燈能夠較好地保證這一點(diǎn)。3. 最好將程序下載端口集成在最小系統(tǒng)上，雖然可將芯片在開發(fā)板上下載軟件使用，但在系統(tǒng)的調(diào)整和測(cè)試過程中，需要不斷地修改程序，把芯片換到另一塊板子上，不僅麻煩，且易折斷引腳。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路圖如圖2.3所示：圖2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成： 1.晶振電路單片機(jī)在工作時(shí)必須有一個(gè)外部的時(shí)鐘源，這個(gè)時(shí)鐘源由外部晶振產(chǎn)生，具體電路為圖中的Y1、C2、C3，在最小化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)晶振和電容要靠近18 腳和19 腳

25、放置，放置過遠(yuǎn)會(huì)引起晶振不能起振，或工作不穩(wěn)定。典型值為C2、C330pF，Y112M。2.復(fù)位電路 復(fù)位電路包括上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式，單片機(jī)多為高電平復(fù)位，即RST（9）腳上給持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)就能復(fù)位，因此可以利用電容充電的一段時(shí)間將復(fù)位引腳拉至高電平，使得單片機(jī)完成復(fù)位動(dòng)作。電容在充電完成后將復(fù)位引腳拉至低電平，從而保證了單片機(jī)的正常工作。3.RS232下載端口考慮到智能車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)要多次修改程序參數(shù)，故要設(shè)計(jì)下載端口，能夠方便的更新程序，51單片機(jī)中常用的下載端口為RS232下載端口。2.6電源模塊設(shè)計(jì)2.6.1 智能車電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)智能小車要穩(wěn)定工作，必須要有

26、一個(gè)電壓正常且穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的全部硬件電路的電源由7.2V、1.3A/h的可充電鎳氫蓄電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)定電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓,電路中選用了78M05芯片，將電機(jī)與其他的電路進(jìn)行分開供電。電源結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示：圖2.4電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.6.1 三端中電流正固定電壓穩(wěn)壓芯片78M05簡(jiǎn)介78M05三端中電流正固定電壓穩(wěn)壓器輸出電壓為5V，最大輸出電流為500mA，輸入偏置電流為3.2 mA(典型值)，最大輸入電壓為35V，具有過流過熱關(guān)斷保護(hù)功能，工作溫度為-40125，一般用

27、在雷達(dá)和聲納方面，例如：車載DVD，屬于穩(wěn)壓IC，直流5V低電流供電。能夠很好地滿足系統(tǒng)需求，并且價(jià)格適中，容易購(gòu)買。78M05封裝和實(shí)物圖如圖2.5所示： 圖2.5 78M05封裝和實(shí)物圖78M05電路設(shè)計(jì)圖如圖2.6所示：圖2.6 78M05電路圖在此電路中，采用兩路供電，一路單獨(dú)為單片機(jī)、指示燈、光電測(cè)速傳感器等供電，另一路為電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298n、光電管等供電，L298n的驅(qū)動(dòng)電壓不經(jīng)任何處理直接由電池供電，根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，電池電壓能很好地滿足行進(jìn)速度要求。2.7 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)為了使智能小車能夠沿著賽道平穩(wěn)運(yùn)行，需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使小車在急轉(zhuǎn)時(shí)不至于速度過快而沖出黑線。通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)上

28、的平均電壓可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，但如果是開環(huán)控制，會(huì)受諸多因素影響，如電源電壓、齒輪傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會(huì)造成小車行駛不穩(wěn)定，通過速度檢測(cè)，對(duì)車速進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各因素的影響，使得小車運(yùn)行更穩(wěn)定7。2.7.1 測(cè)速模塊方案論證在理想狀況下（車輪不打滑），車速與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。車速的檢測(cè)通常通過電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法有以下幾種常用方法：1.測(cè)速發(fā)電機(jī)采用同軸直接連接或齒輪傳動(dòng)等方式，測(cè)速發(fā)電機(jī)與電機(jī)相連，它的輸出電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。2.轉(zhuǎn)角編碼盤分增量位置輸出和絕對(duì)位置輸出兩種。通?？捎迷隽渴骄幋a盤，它輸出的脈沖個(gè)數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)角成正比，

29、從而使它的輸出脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。它可通過測(cè)量單位周期內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)或脈沖周期獲得脈沖頻率。3.反射式光電檢測(cè)在小車后輪齒輪的傳動(dòng)盤上裝上黑白相間的光電碼盤，通過固定在附近的反射式紅外傳感器讀取光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)。4.對(duì)射式光電檢測(cè)對(duì)射式光電檢測(cè)可以大大提高測(cè)量精度，原理與反射式光電檢測(cè)一樣，它的優(yōu)勢(shì)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。5.霍爾傳感器檢測(cè)在電機(jī)長(zhǎng)尾軸軸上粘貼1個(gè)或2個(gè)小型永磁體，在附近固定1個(gè)霍爾傳感器，霍爾元件有3個(gè)引腳，其中2個(gè)是電源和接地，第3個(gè)是輸出信號(hào)，只要通過1個(gè)上拉電阻接上5V電壓，就可以形成開關(guān)脈沖信號(hào)，電機(jī)每轉(zhuǎn)1周，就可形成1或2個(gè)脈沖信號(hào)8。方法比較：采用轉(zhuǎn)角編碼盤

30、測(cè)速最精準(zhǔn)，使用也方便，但成本高；采用霍爾傳感器測(cè)速比較可靠，抗干擾能力強(qiáng)，但是安裝起來比較麻煩；采用反射式光電傳感器或?qū)ι涫焦怆妭鞲衅鞅容^簡(jiǎn)單，只需在電機(jī)的長(zhǎng)尾軸上套上一個(gè)碼盤，用MC-2單路測(cè)速模塊檢測(cè)。既可滿足小車的精度要求，且成本低，最后從機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上考慮最后決定用第四種方法對(duì)射式光電傳感器檢測(cè)車速。2.7.2 MC-2單路測(cè)速模塊簡(jiǎn)介MC-2單路測(cè)速模塊是用一個(gè)小型的對(duì)射式紅外發(fā)射接收對(duì)管和一個(gè)碼盤來實(shí)現(xiàn)的。碼盤會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)速裝置會(huì)隨之產(chǎn)生一系列脈沖信號(hào)并將些高低電平經(jīng)反相器離散后送至單片機(jī)的ECT接口，通過單片機(jī)來捕捉這些電平的上升和下降沿，計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)

31、即可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速9。在電機(jī)長(zhǎng)尾軸處上固定一個(gè)對(duì)射式紅外傳感器，在電機(jī)尾部長(zhǎng)軸上套上了雙葉碼盤，使其處于對(duì)射式傳感器溝槽之間，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過固定在附近的對(duì)射式紅外發(fā)射接收對(duì)管讀取碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖。安裝形式如圖2.7所示。 圖2.7 MC-2單路測(cè)速模塊安裝形式MC-2單路測(cè)速模塊外形圖： 圖2.8 單路測(cè)速模塊外形圖MC-2單路測(cè)速模塊原理圖：圖2.9 MC-2單路測(cè)速模塊原理圖被測(cè)轉(zhuǎn)速經(jīng)過傳感器變換后變?yōu)殡妷旱淖兓怠榱诉M(jìn)行信號(hào)的分析、處理、顯示和記錄，須對(duì)信號(hào)作放大、運(yùn)算、分析等處理，這就引入了中間變化電路。根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)了如圖4所示的中間變換電路。其中，R1、R4起限

32、流作用，R2起分流作用，R3為輸出電阻。當(dāng)葉片未擋住通光孔時(shí)，輸出低電平；當(dāng)通光孔被遮住時(shí)，輸出高電平。中間變化電路如圖2.10所示。圖2.10 中間變化電路MC-2單路測(cè)速模塊是專為測(cè)速而開發(fā)的。配合長(zhǎng)尾軸電機(jī)，其測(cè)速的采樣率是非常高的。電機(jī)轉(zhuǎn)速在10000轉(zhuǎn)左右，測(cè)速模塊可以每秒測(cè)量到約166個(gè)脈沖，模塊所配套的遮光片是一個(gè)長(zhǎng)條形的，所以每轉(zhuǎn)可測(cè)得2個(gè)脈沖，該模塊可以在每秒測(cè)到166*2=332個(gè)脈沖，大大提高了系統(tǒng)的測(cè)試速率，從而為PI速度控制系統(tǒng)提供一個(gè)高速率的檢測(cè)系統(tǒng)。2.8顯示模塊設(shè)計(jì)2.8.1 LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)與編碼方式顯示單元是智能終端裝置和計(jì)算機(jī)控制的重要組成部分，用來

33、顯示中間和最終的計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)選用常見7段共陽(yáng)極LED顯示器，用于顯示智能小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速。LED顯示器簡(jiǎn)單易用，其內(nèi)部為一發(fā)光二極管，在發(fā)光二極管正極加上正向電壓，負(fù)極通過限流電阻接地，則發(fā)光二級(jí)管發(fā)光。本設(shè)計(jì)選用的7段LED數(shù)碼管顯示器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.11所示，當(dāng)陰極段加載低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)段的發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而加載高電平時(shí)則不導(dǎo)通點(diǎn)亮。 圖2.11 7段數(shù)碼顯示器外形及結(jié)構(gòu)圖采用7段LED顯示器可以顯示數(shù)字09和字母AF，其顯示字符與對(duì)應(yīng)段的點(diǎn)亮是有規(guī)律的。7段LED顯示器包含7段發(fā)光二極管和小數(shù)位發(fā)光二極管，共8位，正好用一個(gè)字節(jié)來表示，通常將控制二極管點(diǎn)亮的8位二進(jìn)制數(shù)稱為段數(shù)碼

34、。本設(shè)計(jì)選用的7段碼表的部分顯示代碼如表2.1所示。表2.1 7段LED數(shù)碼管字型顯示代碼表顯示數(shù)字共陽(yáng)極afbgcdpde十六進(jìn)制顯示代碼00001010014H111010111d7H2010011004cH30100010145H41000011187H50010010125H60010010024H70101011157H80000010004H90000010105HE001011002cH本設(shè)計(jì)選用的7段LED顯示器是通過軟件實(shí)現(xiàn)譯碼過程的。設(shè)計(jì)中由系統(tǒng)程序完成BCD 7段碼的轉(zhuǎn)換，直接送出即為顯示碼，不需要外接7段譯碼器。以下是軟件完成譯碼的步驟。1.從待顯示數(shù)字中分離出顯示的每

35、一位數(shù)字：方法是將顯示數(shù)據(jù)除以10進(jìn)制的權(quán)，比如要顯示123，則先將123除以100，得到商是1，然后除以10得到商是2，最后是個(gè)位上的數(shù)3，這樣就完成了對(duì)顯示數(shù)的分離。2.將分離出的顯示數(shù)字轉(zhuǎn)換為顯示字段碼：一般采用查表的方法進(jìn)行，將表2.1按順序存放在ROM表中，通過編寫查表指令即可完成查表工作。2.8.2 LED數(shù)碼顯示器的顯示電路本設(shè)計(jì)的LED顯示器采用動(dòng)態(tài)刷新，LED顯示器的動(dòng)態(tài)顯示原理是將各顯示位段選線的同名端并聯(lián)到一起，并由1個(gè)8位的I/O口控制，對(duì)多段選線多位復(fù)用，而各顯示位的共陽(yáng)極端則分別由相應(yīng)的I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)通選。由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，當(dāng)每位的顯示間隔夠短

36、時(shí)，會(huì)造成多位同時(shí)點(diǎn)亮的假象。所以需要單片機(jī)不斷進(jìn)行顯示刷新，犧牲CPU的時(shí)間換取元件的減少及顯示功耗的降低10。本設(shè)計(jì)選用的LED顯示器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2.12所示：圖2.12 LED動(dòng)態(tài)顯示電路結(jié)構(gòu)圖2.9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)主要是為了彌補(bǔ)單片機(jī)自身驅(qū)動(dòng)能力不足的缺陷，此電路中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要是達(dá)到驅(qū)動(dòng)后面兩個(gè)直流減速電機(jī)的目的，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度及正反轉(zhuǎn)的控制。作為系統(tǒng)的動(dòng)作執(zhí)行結(jié)構(gòu)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制，直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。2.9.1 電機(jī)工作原理單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足，無法驅(qū)動(dòng)像電機(jī)這樣的大功率外部器件，因此必須外加驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)芯片很多，本設(shè)計(jì)選用驅(qū)動(dòng)效率高

37、，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的L298n作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，L298n采用了H橋電路，H 橋驅(qū)動(dòng)電路是較為常見的一種電路， L298n驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的控制電路如圖2.13所示。它的形狀酷似字母H，因而得名“H橋驅(qū)動(dòng)電路”。如圖2.13所示，H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括1個(gè)電機(jī)和4個(gè)三極管。必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管才可使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)三極管對(duì)的不同導(dǎo)通狀況，電流可能會(huì)至左向右或至右向左流過電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。H橋電路可以很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。其中4個(gè)與門與一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相連接，從而用一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。2個(gè)非門通過提供一種方向輸人，可以保證確保任何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只有

38、一個(gè)三極管導(dǎo)通。圖2.13 H橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2.14所示，只要對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通，電機(jī)便會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)從電源正極經(jīng)Q1至左向右流過電機(jī)，再經(jīng)Q4流回電源負(fù)極。如圖中電流箭頭所示，該流向的電流會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)順轉(zhuǎn)。圖2.15所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)的情況，電流至右向左流經(jīng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)11。 圖2.14 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)圖 圖2.15 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)2.9.2 L298n介紹L298n是ST公司生產(chǎn)的一種大電流、高電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。其主要特點(diǎn)：輸出電流大；工作電壓高；內(nèi)含兩個(gè)H橋高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或步

39、進(jìn)電動(dòng)機(jī)；采用TTL標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；有兩個(gè)使能端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止電機(jī)工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路12。L298n的參考電路圖如圖2.16所示。圖2.16 L298n電路圖對(duì)于以上電路圖有以下幾點(diǎn)說明：1.電路圖中有兩個(gè)電源，一路為L(zhǎng)298n工作需要的5V 電源VCC，一路為驅(qū)動(dòng)電機(jī)用的電池電源VSS。2.1腳和15腳有的電路在中間串接大功率電阻，可以不加。3. 圖中連接了兩路電機(jī)，P2和P5是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果只驅(qū)動(dòng)一路電機(jī)可以連接對(duì)應(yīng)的12或者34腳。4.八個(gè)續(xù)流二極管是為了消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的尖

40、峰電壓保護(hù)電機(jī)而設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化電路時(shí)可以不加。5.腳1和11腳為兩路電機(jī)通道的使能開關(guān)，高電平使能，所以可以直接接高電平，也可以交由單片機(jī)控制。6.由于工作時(shí)L298n的功耗較大，可以適當(dāng)加裝散熱片。L298n封裝圖如圖2.17所示：圖2.17 L298n引腳圖2.9.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制PWM（晶體管脈寬調(diào)制）控制，一般是配合H橋驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速功能，這種調(diào)速方法簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍廣，它是利用了直流斬波原理。 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與附加在電機(jī)上的端電壓成正比，電壓低，轉(zhuǎn)速慢；電壓高，轉(zhuǎn)速快。而電機(jī)兩端的端電壓又與單片機(jī)輸出的控制波形的占空比成正比，所以，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與占空比成正比例。占空比越小

41、，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，當(dāng)占空比達(dá)到最大值1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。PWM控制波形是通過模擬電路或者是數(shù)字電路產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)的，但是這種電路的占空比不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，小車自身無法調(diào)節(jié)車速。目前普遍使用的大部分單片機(jī)都能夠直接輸出PWM波形，所以本設(shè)計(jì)就采用單片機(jī)給L298n驅(qū)動(dòng)芯片輸出PWM信號(hào)。在小車實(shí)際行駛過程中，考慮到直行、轉(zhuǎn)彎等情況的發(fā)生，占空比不需要設(shè)置太高，但為了盡量減少規(guī)定路程所用的行駛時(shí)間，在直行時(shí)要快速行駛，轉(zhuǎn)彎時(shí)減速行駛，這些情況分別需要不同的占空比，這些需要根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。為了快速調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定的速度值附近，本設(shè)計(jì)采用了PI算法，具體分析將在程序設(shè)計(jì)章節(jié)中闡述。

42、2.10 本章小結(jié)在本章中，探討了智能小車速度控制系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)及直流調(diào)速系統(tǒng)的選擇，選定STC89C52單片機(jī)作為控制核心，確定了各模塊的功能，以脈寬調(diào)速系統(tǒng)作為直流電機(jī)的調(diào)速方案，并以PI算法作為智能小車的速度控制算法。設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、光電測(cè)速模塊、電源模塊等。3 智能小車速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)概論完成硬件電路的設(shè)計(jì)后，開始系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。先來分析一下該軟件的系統(tǒng)要求，然后開始軟件的總體設(shè)計(jì)，包括程序的總體設(shè)計(jì)和程序的模塊化設(shè)計(jì)。將整體功劃分成多個(gè)不同的模塊，然后單獨(dú)設(shè)計(jì)，編程，調(diào)試后將各模塊裝配聯(lián)調(diào)，形成一個(gè)完整的軟件。在單片

43、機(jī)控制系統(tǒng)中，大體可分為數(shù)據(jù)處理和過程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波及標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算后再輸出，以便控制生產(chǎn)。本系統(tǒng)軟件由主程序定時(shí)子程序、中斷子程序測(cè)速子程序調(diào)速子程序算法子程序構(gòu)成。C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言相比具有以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)： 1.C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的編程語(yǔ)言，可以減輕編程者的負(fù)擔(dān)，讓編程者把更多的精力放在功能的實(shí)現(xiàn)上； 2.代碼的可讀性好、容易理解、結(jié)構(gòu)清晰、易于維護(hù)； 3.可移植性好，因?yàn)镃語(yǔ)言不依賴于任何一種硬件系統(tǒng)。鑒于上述幾點(diǎn)，本系統(tǒng)的軟件部分全部采用C語(yǔ)言來編寫，并且使用Keil uVsion產(chǎn)生高效、緊湊的代碼，

44、執(zhí)行效率絲毫不遜于使用匯編語(yǔ)言編寫的程序。3.2 速度控制系統(tǒng)軟件模塊分析智能小車的速度控制系統(tǒng)通過光電測(cè)速傳感器獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。通過STC89C52來輸出相應(yīng)指令給H橋驅(qū)動(dòng)芯片來控制左右兩電機(jī)的加減速來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，使小車保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的速度行駛，小車的速度通過PWM來進(jìn)行控制，通過PI算法來實(shí)現(xiàn)小車的調(diào)速。軟件處理流程圖如圖3.1所示。軟件的設(shè)計(jì)中，程序的主流程是：先完成單片機(jī)各模塊的初始化之后，通過無限循環(huán)語(yǔ)句不斷的重復(fù)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出程序、數(shù)據(jù)處理程序、測(cè)速程序、顯示程序及控制算法程序。圖3.1 軟件處理流程圖3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，它的原理時(shí)利用晶體管的開

45、關(guān)工作特性，調(diào)制恒壓的直流源，按某個(gè)固定頻率來接通與斷開放大器，并根據(jù)外加控制信號(hào)來改變一個(gè)周期內(nèi)通斷時(shí)間的長(zhǎng)短，使加在電機(jī)電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變電樞兩端的平均電壓大小，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的13。在本設(shè)計(jì)中，外加控制信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)的程序來控制發(fā)出，設(shè)定一個(gè)周期為20ms。3.4 測(cè)速及顯示程序設(shè)計(jì)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0用于定時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1用于計(jì)數(shù)，定時(shí)器T0每20ms中斷一次，計(jì)數(shù)器T1計(jì)一次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器T1計(jì)滿25次（即0.5秒）后計(jì)算一次轉(zhuǎn)速，并將計(jì)數(shù)器T1清零開始重新計(jì)數(shù)，碼盤上有2個(gè)齒，所以0.5秒內(nèi)接收到的脈沖數(shù)乘以2除以碼盤齒數(shù)即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為R/S。單

46、片機(jī)將算得的轉(zhuǎn)速除以10進(jìn)制的權(quán)，將各位上的數(shù)分離，然后通過查表的方法將分離出的顯示數(shù)字轉(zhuǎn)換為顯示字段碼，使LED顯示器顯示對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。程序流程圖如圖3.2所示： 圖3.2 測(cè)速及顯示程序流程圖3.5 PI調(diào)速程序設(shè)計(jì)PID控制在經(jīng)典控制理論中技術(shù)成熟，該計(jì)數(shù)成熟可靠。相比于兩位式控制，控制精度大大提高。如今，隨著計(jì)算機(jī)特別是微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID控制可以得到修正而且更加完善，用計(jì)算機(jī)算法代模擬式PID調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制，使其控制作用更靈活、更易于改進(jìn)和完善。模擬PID控制如圖3.3所示：圖3.3 模擬PID控制系統(tǒng)框圖因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中采用的是單片機(jī)，只能處理數(shù)字

47、信號(hào)不能處理模擬信號(hào)，所以要把模擬PID控制轉(zhuǎn)換成數(shù)字PID，這就需要把模擬PID的參數(shù)離散化，如表3.1所示：表3.1 模擬控制規(guī)律的離散化模擬形式離散化形式e(t)=r(t)-c(t)e(n)=r(n)-c(n)de(t)dTen-e(n-1)T0te(t)dti=0neiT=Ti=0ne(i)數(shù)字PID控制: 數(shù)字PID算法有兩種常用的基本類型：位置型、增量型。增量式PID算法與位置式PID算法相比較：（1）增量型算法無需做累加，計(jì)算誤差后產(chǎn)生的計(jì)算精度問題，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。位置型算法用到過去誤差的累加，易產(chǎn)生較大的累加誤差。（2）增量型算法得出的是控制的增量，誤動(dòng)作影響小，必要

48、時(shí)可通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，對(duì)系統(tǒng)的工作無影響。位置型算法的輸出是控制量的全部輸出，誤動(dòng)作影響大。綜上比較，本設(shè)計(jì)采用增量型PID控制。增量式PID控制原理：un=un-u(n-1) =Kpen-e(n-1)+ KpTTIe(n)+KpTDTe(n)-2e(n-1)+e(n-2) 簡(jiǎn)化后的增量式PID控制原理：un=a0en-a1en-1+a2e(n-2)式中a0=Kp(1+TTI+TDT)，a1=-Kp(1+2TDT), a2=-KpTDT。增量型PID算法的程序流程圖如圖3.4所示：圖3.4 增量型PID算法的程序流程3.6 本章小結(jié)在軟件方面通過對(duì)結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，基本上實(shí)現(xiàn)了多任

49、務(wù)并發(fā)運(yùn)行，并且通過軟件的分層結(jié)構(gòu)將功能實(shí)現(xiàn)和具體的硬件分離開，這將給后續(xù)的各模塊軟件的設(shè)計(jì)帶來方便。4 實(shí)驗(yàn)分析說明：1.實(shí)驗(yàn)用的是5V的直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路用的是L298n，測(cè)速傳感器用的是U型光電測(cè)速傳感器。2.實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)PWM=5V（占空比=100%）時(shí)，測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速(最大值)為264R/S（轉(zhuǎn)每秒）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表如圖4.1所示(測(cè)量條件：7.5V電源，LED速度顯示，L298的VSS=5V，PWM周期為20ms)：表4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)定值(R/S)實(shí)測(cè)值(R/S)PWM占空比(%)44424610.555545612.074727613.580768415.010210010416.

50、511411211618.011712612819.513713613821.0通過對(duì)小車的調(diào)試運(yùn)行，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的智能小車及其控制算法運(yùn)行性能良好，可靠性高，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)速功能。5 結(jié) 論基于單片機(jī)的智能小車速度控制系統(tǒng)，可以用單片機(jī)軟件編程產(chǎn)生PWM信號(hào)來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，相對(duì)用硬件來實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單、靈活。采用光電測(cè)速傳感器實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測(cè)量并在LED上顯示出來。該系統(tǒng)對(duì)硬件電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，利用PI控制容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)開發(fā)了PI速度控制算法，并通過實(shí)驗(yàn)分析表明了本算法達(dá)到了智能小車調(diào)速的穩(wěn)、快、準(zhǔn)的要求，具有較好的可靠性。本設(shè)計(jì)對(duì)智能小車調(diào)速進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，控制算法參數(shù)的給定規(guī)律還

51、有待進(jìn)一步完善。作為機(jī)電學(xué)科的前沿課題，智能小車的廣泛實(shí)用性是毋庸置疑的，想要實(shí)現(xiàn)智能小車的高度智能化還有很長(zhǎng)的一段路要走，需要我們堅(jiān)持不懈地探索研究。致 謝經(jīng)過幾個(gè)月的忙碌，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲，通過本次學(xué)校組織的畢業(yè)設(shè)計(jì)，端正了我的學(xué)習(xí)態(tài)度，鍛煉了我的獨(dú)立動(dòng)手能力。在此，我要感謝每一位幫助過我的人。首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師XXX老師，文老師平日里工作繁忙，但是在我做畢設(shè)的每個(gè)階段，都給了我悉心的幫助和指導(dǎo)。此外，文老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我學(xué)習(xí)的榜樣，這使我受益匪淺。再次，我要感謝我的同學(xué)在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，他們給了我諸多關(guān)注和幫助。理論與實(shí)踐的結(jié)合是一個(gè)很好的掌握扎實(shí)知識(shí)的一

52、種方式，本次畢設(shè)就有改變高分低能的理念。對(duì)于馬上就要畢業(yè)的我們，社會(huì)更加迫切需要的是能力而不是高分。從學(xué)校我們就看出了這種現(xiàn)狀，所以給我們安排了這畢業(yè)生的最后課：理論與實(shí)踐相結(jié)合。所以，在這里我對(duì)此表示萬(wàn)分感謝。這次良機(jī)真的是機(jī)不可失，失不在來。最后，再次感謝攻讀學(xué)士學(xué)位期間XXXX大學(xué)的每一位老師和同學(xué)對(duì)我的無私幫助。參考文獻(xiàn)1 A布洛基，M布圖茲，A法斯莉等.智能車輛：智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)M.北京：人民交通出版社，2003:33532 王少峰.競(jìng)賽用智能汽車的研究與實(shí)現(xiàn)D.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008:42463 曾孟雄，李力，肖露等.智能檢測(cè)控制技術(shù)及應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，20

53、10:1351374 謝桂林，黃章，劉允紘.電力拖動(dòng)與控制M.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1997.1:36495 程運(yùn).紅外傳感器尋跡小車D.西安：西安科技大學(xué)，2012:896 周菁菁.刺激信號(hào)為圖案的人體反應(yīng)時(shí)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)D.南昌：南昌大學(xué)，2009:23287 梁昆，王韜，丁丁.上海交通大學(xué)SmartStar隊(duì)技術(shù)報(bào)告(節(jié)選)J.電子產(chǎn)品世界，2010，17（1）:55568 于虹.基于16位單片機(jī)MC9S12DG128智能模型車系統(tǒng)開發(fā)研究D.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2009:29309 唐建文.智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2008:202110 倪云峰.單片機(jī)

54、原理與應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.6:13413711 董建軍.機(jī)車車頂人孔蓋高壓告警聯(lián)動(dòng)接地裝置的研制D.武漢：武漢理工大學(xué)，2006:141612 張偉剛.室內(nèi)自主機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)研究D.西安：西安電子科技大學(xué)，2010:343513 徐忠燕，簡(jiǎn)毅，任海洋.基于P87LPC768的小功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)J.機(jī)械與電子，2009(7):4647附 錄源程序：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit zhen=P10;sbit fan=P11;sbit en=P12;long bb;#define KP 1.6 /比例系數(shù)#define KI 0.5 /積分系數(shù)#define KD 0 /微分系數(shù)#define max 200 /返回的最大值，是PWM的周期值#define min 0 /返回的最小值，為0#define deadline 0x08/速度PID設(shè)置死區(qū)范圍#define setspeed 80 /速度設(shè)定值typedef struct PID /定義數(shù)法核心數(shù)據(jù) int vi_Ref;/速度PID，速度設(shè)定值 int vi_FeedBack; /速度PID，速度反饋值 long PreError;/速度PID，前一次，速度誤差sets