直流電機(jī)的小車運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案

1、基于直流電機(jī)的小車運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì) 目錄 摘要3 前言4 第1章 系統(tǒng)概述5 第2章 直流電機(jī)工作原理6 第2.1節(jié)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)6 第2.2節(jié)直流電機(jī)的分類6 第2.3節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理7 第2.4節(jié)直流電機(jī)的可逆運(yùn)行原理7 第3章 脈沖寬度調(diào)制(PWM控制技術(shù)9 第3.1節(jié)脈沖寬度調(diào)制基本原理9 第3.2節(jié)脈沖寬度調(diào)制具體過程10 第3.3節(jié)脈沖寬度調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)10 第3.4節(jié)脈沖寬度調(diào)制控制方法11 第3.5節(jié)脈沖寬度調(diào)制相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域11 第4章 硬件設(shè)計(jì)12 第4.1節(jié)供電電源模塊12 第4.2節(jié)控制器模塊12 第4.3節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊15 1 / 29 第4.4節(jié)測(cè)速模塊17 第4.5節(jié)

2、顯示模塊17 第5章 軟件設(shè)計(jì)19 第5.1節(jié)主程序設(shè)計(jì)19 第5.2節(jié)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法19 第5.3節(jié)測(cè)速算法21 第5.4節(jié)數(shù)碼管顯示算法21 總結(jié)23 參考文獻(xiàn)24 致謝25 附錄26 摘要 本文主要介紹了基于直流電機(jī)的小車運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。該車以玩具小車為車體，直流電機(jī)及其控制電路為整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，AT89S51單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，采用ST188反射式光電傳感器來檢測(cè)小車的運(yùn)行速度，并通過一個(gè)4位一體的數(shù)碼管顯示出來，使用驅(qū)動(dòng)芯片74HC245來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示；整個(gè)系統(tǒng)使用5V的直流電源供電，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM控制技術(shù)，可以靈活方便地對(duì)車速進(jìn)行控制。 關(guān)鍵詞：直流電機(jī)，單

3、片機(jī)，小車 Abstract : In this paper, the car based DC motor motion control design , the toy car as the car body , DC motor and control circuit for the driving part of the whole system , AT89S51 microcontroller core for the control of the entire system , using ST188 reflective photoelectric sensor to dete

4、ct the cars speed , and through a 2 / 29 4-in-one digital display up , use the driver IC 74HC245 to control the digital tube display . the system uses the 5V DC voltage power supply,DC motor-driven use PWM control technology, the flexibility to easily control the speed . Key words: DC motor , MCU ,

5、car 前言 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)、DVD、洗衣機(jī)、汽車等消費(fèi)類產(chǎn)品越來越呈現(xiàn)光機(jī)電一體化、智能化、小型化等趨勢(shì)。各種智能化小車在市場(chǎng)玩具中也占一個(gè)很大的比例。根據(jù)美國玩具協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，近年來全球玩具銷量增幅與全球平均GDP增幅大致相當(dāng)。而全球玩具市場(chǎng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)比重卻發(fā)生了重大改變：傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具則蒸蒸日上，已經(jīng)成為玩家行業(yè)發(fā)展的主流。因此，遙控加智能的技術(shù)研究、應(yīng)用都是非常有意義而且有很高市場(chǎng)價(jià)值的。 智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)

6、勘探等等的用途。智能電動(dòng)車就是其中的一個(gè)體現(xiàn)。 智能電動(dòng)車是由一個(gè)電動(dòng)玩具車改造而成，更換了電動(dòng)玩具車的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路，增加了電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)的主要任務(wù)是使智能電動(dòng)車按既定控制方法行駛。 智能車輛是一個(gè)運(yùn)用計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動(dòng)行駛為一體的高新技術(shù)綜合體。它在軍事、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了應(yīng)用，隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時(shí)代。計(jì)算機(jī)控制與電子技術(shù)融合為電子設(shè)備智能化開辟了廣闊前景。 第1章 系統(tǒng)概述 3 / 29 整個(gè)系統(tǒng)基于玩具小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，小車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1

7、1所示。以AT89S51 單片機(jī)為控制核心，主要由電源模塊、控制器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)速模塊和顯示模塊組成。首先，由電源模塊產(chǎn)生5V的直流電壓，供單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片和測(cè)速模塊使用，單片機(jī)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用PWM電路,精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。測(cè)速模塊通過光電編碼盤來檢測(cè)小車的速度，將檢測(cè)得到的脈沖信號(hào)送入單片機(jī)的 T0 口進(jìn)行計(jì)數(shù), 同時(shí)完成脈沖數(shù)計(jì)算，通過定時(shí)計(jì)數(shù)器來計(jì)時(shí)間，算出實(shí)時(shí)速度，并通過一個(gè)四位一體數(shù)碼管顯示出來，從而驗(yàn)證PWM控制技術(shù)對(duì)小車速度的控制；使用驅(qū)動(dòng)芯片74HC245來控制數(shù)碼管的顯示

8、。單片機(jī)外部資源分配：P0.0P0.2 控制電機(jī)的使能和方向，P1.0P1.7和P3.0、P3.1、P3.3、P3.5用于數(shù)碼管的控制位，P3.2、P3.4 用于測(cè)速模塊的輸入。電路原理圖見附錄1。 運(yùn)行電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 控制器 電源模塊 模塊 測(cè)速模塊 顯示模塊 1 小車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖1. 直流電機(jī)工作原理2章 第輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī) 運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)在當(dāng)今生活的各方面應(yīng)用越來越廣泛，直流電機(jī)的調(diào)速控制是電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要技術(shù)

9、保障。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過載能力強(qiáng)等許 多優(yōu)點(diǎn)，因此在許多行業(yè)中仍有應(yīng)用。 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)節(jié)第2.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為4 / 29 定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。 第2.2節(jié) 直流電機(jī)的分類 按結(jié)果主要分為直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)；按類型主要分為直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)。 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁

10、繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場(chǎng)的問題。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類型。 (1)、 他勵(lì)直流電機(jī) 勵(lì)磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵(lì)直流電機(jī)，永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)。 (2)、 并勵(lì)直流電機(jī) 并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來說，是電機(jī)本身發(fā)出來的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來說，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。 (3)、 串勵(lì)直流電機(jī) 串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。 (4)、 復(fù)勵(lì)直流電機(jī) 復(fù)勵(lì)直

11、流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。 不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式，直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)式、并勵(lì)式和和復(fù)勵(lì)式。 第2.3節(jié) 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 5 / 29 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩 矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。 直流

12、電動(dòng)機(jī)原理模型2.1 直流電動(dòng)機(jī)的原理模型圖.2 圖2極極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S cd和2.2所示，當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了180后，導(dǎo)體轉(zhuǎn)到 N1如圖2.后，從電刷cd 、ab 下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A流入，經(jīng)導(dǎo)體受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab 流出。這時(shí)導(dǎo)體Bcd 轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向。因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由流入A 和cd 流入，使線圈邊只要處于N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷導(dǎo)體 ab流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電的方向，而在S 極下時(shí)，總是從電刷 B流始終是一個(gè)方向，從而形成一

13、種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直 流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 直流電機(jī)的可逆運(yùn)行原理第節(jié)2.4一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，這種原理在之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組S電機(jī)理論中稱為可逆原理。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞繞組在主磁極N、或電網(wǎng)），對(duì)外供上感生出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載控制技術(shù) 脈沖寬度調(diào)制(PWM，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)

14、載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn).由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 第3.1節(jié) 脈沖寬度調(diào)制基本原理 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線

15、電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。 模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0V, 5V這一

16、集合中取值。 模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變??；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 7 / 29 盡管模擬控制看起來可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲

17、很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。 通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。 第3.2節(jié) 脈沖寬度調(diào)制具體過程 脈沖寬度調(diào)制，要么完全無(OFF。電壓或電流源是以一種通(ON或斷(OFF的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。 多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。 許多微控制器內(nèi)部都

18、包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： (1)、 設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期 (2)、 在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間 (3)、 設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳 (4)、 啟動(dòng)定時(shí)器 (5)、 使能PWM控制器 第3.3節(jié) 脈沖寬度調(diào)制的優(yōu)點(diǎn) PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)

19、到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些8 / 29 時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 總之，PWM經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。 第3.4節(jié) 脈沖寬度調(diào)制控制方法 采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器

20、件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)

21、的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下8類方法： (1)、 相電壓控制PWM (2)、 線電壓控制PWM (3)、 電流控制PWM (4)、 空間電壓矢量控制PWM (5)、 矢量控制PWM (6)、 直接轉(zhuǎn)矩控制PWM (7)、 非線性控制PWM (8)、 諧振軟開關(guān)PWM 第3.5節(jié) 脈沖寬度調(diào)制相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域 PWM控制技術(shù)主要應(yīng)用在電力電子技術(shù)行業(yè),包括風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)調(diào)速、直流供電等領(lǐng)域，由于其四象限變流的特點(diǎn)，可以反饋再生制動(dòng)的能量，對(duì)于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。 9 / 29 第4章 硬件設(shè)計(jì) 第4.1節(jié) 供電電源模塊 由于系統(tǒng)CPU、小車電機(jī)、傳感器及其他部分均采用+5V供電，考慮

22、小車功率和摩擦阻力等問題，電源采用直流8V電池供電，經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM7805輸出5V電壓供單片機(jī)及其他電路使用，具體接法如圖4.1。 電源電路連接圖圖4.1 ，一只固定式三、 C2C1+5V穩(wěn)壓電源。它由8V干電池、濾波電容電路為輸出電壓控制電壓的輸出，為了防止電源掉電而影響電路工管構(gòu)成的，由開關(guān)S端穩(wěn)壓器(7805 1K的電阻和一個(gè)發(fā)光二極組成。作，設(shè)計(jì)了電源指示電路，由一個(gè) 簡(jiǎn)介LM7805 4.1.1. 穩(wěn)壓芯片兩端形成一個(gè)GND的Vin和穩(wěn)壓電路由固定式三端穩(wěn)壓器LM7805完成，LM7805該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生(并不十分穩(wěn)定的直流電壓的濾波便在穩(wěn)壓電源

23、的輸出端產(chǎn)生了精度的穩(wěn)壓和C2變化。此直流電壓經(jīng)過LM7805 。6VDC，輸出的是5VDC輸入端接高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。LM7805 控制器模塊節(jié)第4.2單片機(jī)、時(shí)鐘、復(fù)所示，其主要由251.控制器模塊即單片機(jī)最小系統(tǒng)單元，如圖4 12M位電路組成，本系統(tǒng)采用外部晶振，便于單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生精確的定時(shí)。10 / 29 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖圖4.2 單片機(jī)簡(jiǎn)介4.2.1. 所謂單片微型計(jì)算機(jī)，是指將組成微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件，如中央處理器）接口電路等集成在一塊集成電路芯片上的輸出I/O/ROM和RAM、輸入CPU、存儲(chǔ)器 微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。在過去的幾十年中，電子工業(yè)飛速發(fā)展。隨

24、著微處理器芯片的集成度越來越高，單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，并逐漸發(fā)展成為一門關(guān)鍵的技術(shù)學(xué)科。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗電少、電源單一、功能強(qiáng)、價(jià)格低、運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等一些突出的優(yōu)點(diǎn)，所以單片機(jī)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于智能儀表、工業(yè)控制、家用電器、計(jì)算 機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用、醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中。 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)4.2.2. ）是把微型計(jì)算的機(jī)的主要部分都集中在一個(gè)SCMFlash閃速存儲(chǔ)器；4K字節(jié)在系統(tǒng)編程；1000次擦寫周期；4.05.5 V工作電壓范圍；全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz；三級(jí)程序加密鎖；128字節(jié)內(nèi)部RAM；32個(gè)可編程I/O口線；2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)

25、數(shù)器；6個(gè)中斷源；全雙工串行UART通道；低工耗空閑和掉電模式；中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)；看門狗(WDT及雙數(shù)據(jù)指針；掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性。 (2)、 AT89S51的引腳功能 電源及時(shí)鐘引腳：包括電源引腳Vcc、Vss及時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2；電源引腳接人單片機(jī)的工作電源，Vcc(40腳接+5V電源，Vss(20腳接地。 P0口(P0.0P0.7：為雙向8位三態(tài)IO口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線口使用。 P1口(P1.0P1.7：為8位準(zhǔn)雙向IO口，它的每一位都可以分別定

26、義為輸入線或輸出線(作為輸入時(shí)，口鎖存器必須置1，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。 P2口(P2.0P2.7：為8位準(zhǔn)雙向IO口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。 P3口(P3.0P3.7：為8位準(zhǔn)雙向IO口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P3口除了一般I/O線的功能外，還具有更為重要的第二功能，如表4-1所示。P3口同時(shí)為FLASH編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 表4-1 P3口的第二功能 端口引腳 第二功能 RXD串行輸入口） P3.0 TXD串行輸出口）P3.1 12 / 29 0）P3.

27、2 /INTO外部中斷 P3.3 ）外部中斷/INT11 外部輸入）T0P3.4 定時(shí)器外部輸入T1定時(shí)P3.5外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通P3.7/RD 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)RSTRST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 間。：地址鎖存使能信號(hào)輸出端。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出ALE/PROG端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此ALE電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在平時(shí)， 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)。頻率為振蕩器頻率的：程序存儲(chǔ)器輸出使能端。低電平有效，在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)/PSEN信號(hào)將不出有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存

28、儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN機(jī)器周期兩次/PSEN 現(xiàn)。保持低電平時(shí)，則在此：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器屏蔽控制端，低電平有效。當(dāng)/EA/EA/VPP端保持高電/EA期間外部程序存儲(chǔ)器0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)編程電源12V平時(shí)，執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加 ）。和驅(qū)動(dòng)芯片74HC245構(gòu)成，用于顯示測(cè)量到的電壓值。數(shù)碼管具有低耗能、低損耗、低壓、長壽命等特點(diǎn)，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度比較高，精確可靠，操作簡(jiǎn)單。該設(shè)計(jì)使用的是一個(gè)共陽極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的原理圖如圖4.7所示。每一位數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各

29、自連接在一起，用于接收AT89S51的P1口產(chǎn)生的顯示段碼。1，2，3，4引腳端為其位選端，用于接收AT89S51的P3口產(chǎn)生的位選碼。 4.7 一位數(shù)碼管的原理圖圖 芯片介紹 4.5.1.74HC245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器，在本實(shí)驗(yàn)中作為驅(qū)動(dòng)芯片使用，用于驅(qū)動(dòng)74HC245 。數(shù)碼管的點(diǎn)亮。其引腳圖見附錄3 總線端；：AA B總線端；：B 低電平有效）；/G：三態(tài)允許端 ：方向控制端；DIR ：電源；Vcc ：接地。GND 軟件設(shè)計(jì)5第章 5.1第節(jié)主程序設(shè)計(jì)16 / 29 本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)模塊算法為：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法，測(cè)速算法，數(shù)碼管顯示算所示。其中，在小車運(yùn)行的過程中，會(huì)不斷調(diào)

30、用測(cè)速算 5.1法。系統(tǒng)總體程序框圖如圖 法，并通過數(shù)碼管將實(shí)時(shí)速度顯示出來。 開始 初始化 用于測(cè)速INT0初始化信PWM初始化定時(shí)器0，產(chǎn)生 計(jì)算速度并顯示 結(jié)束 主程序流程圖圖 5.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法節(jié) 第5.2 硬件參數(shù)分析5.2.1. 轉(zhuǎn)，設(shè)轉(zhuǎn)600為每秒6V，轉(zhuǎn)速R480設(shè)計(jì)中所使用的直流電機(jī)的工作電壓為4.8 =3.2ms，6V對(duì)應(yīng)的脈寬對(duì)應(yīng)的脈寬為18ms定PWM波形的周期為，可以得到4.8V ，則有的關(guān)系為：與轉(zhuǎn)速。由此可得到脈寬tR=4.0ms ,dR為補(bǔ)償值。時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)為Ts，則碼盤每轉(zhuǎn)一周就產(chǎn)生2兩個(gè)脈沖，采樣周期為Ts ）。取time0_count=1時(shí)，tim

31、e0_count0.01ms，用于累計(jì)中斷次數(shù)，當(dāng)脈沖周輸出低電平；當(dāng)time0_count=PWM_T脈寬）時(shí)，當(dāng)time0_count=t子函PWM_settingPWM time0_count被清零，完成一個(gè)波的輸出。此時(shí)調(diào)用期）時(shí)， 。數(shù)，通過該子程序重新設(shè)定轉(zhuǎn)速。程序代碼見附錄4 測(cè)速算法第5.3節(jié) 為了可以實(shí)時(shí)觀察小車的運(yùn)行狀態(tài)，在小車的右側(cè)前輪旁安裝有一個(gè)光電傳感器所示。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng) ST188，車輪內(nèi)側(cè)粘貼有一個(gè)黑白相間的電碼盤，其形狀如圖4.6電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使光電傳感器狀態(tài)產(chǎn)生變化，可檢測(cè)到一個(gè)個(gè)的脈沖，記錄兩個(gè)脈沖所間18 / 29 隔的時(shí)間，便能得到實(shí)際車速，然后調(diào)用顯示

32、函數(shù)顯示。由此就可以得到小車運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)速度，來驗(yàn)證PWM控制技術(shù)對(duì)小車速度的控制。測(cè)速程序的流程圖如圖5.3 所示。 開計(jì)算與上一次脈沖相隔的時(shí)保存當(dāng)前時(shí)1脈沖總數(shù)返回 5.3 測(cè)速程序的流程圖圖 數(shù)碼管顯示算法節(jié)第5.4 70H顯示子程序采用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示。檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)放在單元中。寄存7AH進(jìn)制10BCD碼放在78H內(nèi)存單元中，測(cè)量數(shù)據(jù)在顯示時(shí)需轉(zhuǎn)換成 55.4C0器用作顯示數(shù)據(jù)地址指針。程序流程圖如圖所示。程序代碼見附錄。19 / 29 開初始查表取相應(yīng)段PC點(diǎn)亮小數(shù)C0=C0+1P查表取相應(yīng)段CC0=C0+1查表取相應(yīng)段CP結(jié)束 顯示子程序流程圖圖5.4 總結(jié)短短

33、四個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)，每天忙忙碌碌，一步一步走來，今天終于迎來了自己的成果。在這期間，經(jīng)常遇到各種各樣的問題，時(shí)常為不能解決的問題而一籌莫展，但這并未因此打消我的信心，而是使我更加專著的去解決問題，也因此這相對(duì)短暫的時(shí)間卻是 幾年來過得最為充實(shí)的日子，充滿了挑戰(zhàn)的艱辛與樂趣。在老師的指導(dǎo)和督促下，經(jīng)過這幾個(gè)月的緊張?jiān)O(shè)計(jì)與開發(fā)，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)基于直流電機(jī)的小車運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)終于完成了。通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使我所學(xué)的專業(yè)知識(shí)得到了綜 合的運(yùn)用，對(duì)以前很多抽象、枯燥的理論知識(shí)加深了理解。能夠順利的完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，也得益于指導(dǎo)教師的幫助，在他們的幫助下，通過20 / 29 到網(wǎng)上查資料，借閱圖書等一些途徑，使困難

34、很快的得到解決。最終按照設(shè)計(jì)說明書的要求完成了自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于時(shí)間有限、自身知識(shí)水平不足，這個(gè)系統(tǒng)還不是非常地完善，我的設(shè)計(jì)還難免存在著很多不足的地方，請(qǐng)各位老師給予指正和提出寶貴的建議，我堅(jiān)信在今后的工作中我會(huì)做得更好。 參考文獻(xiàn) 1. 趙德安，編著、單片機(jī)原理與應(yīng)用、機(jī)械工業(yè)出版社、2009.4 2. 沈任遠(yuǎn)，吳勇編著、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械工業(yè)出版社、2006.1 3. 王俊鹍，編著、電路基礎(chǔ)、人民郵電出版社、2007.2 4. 郭勇，余小平編著、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、北京大學(xué)出版社、2007.9 5. 王彥朋，編著、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)與應(yīng)用、中國電力出版社、2007.7 6. 藍(lán)和慧，寧武

35、編著.單片機(jī)應(yīng)用技能精解、電子工業(yè)出版社、2009.4 7. 魏立峰，王寶興編著.單片機(jī)原理與技術(shù)應(yīng)用、北京大學(xué)出版社、2008.5 8. 楊志剛，編著、 Protel 99se電子原理圖設(shè)計(jì)技術(shù)、西安工業(yè)出版社、2001 9. 顏利彪，范蟠果編著、基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車J、電子技術(shù)、2004.4 10. Krishna C M 、Shin GK.Real-Time SystemM、McCraw-Hill Companies、1997 11. JeanJ.Labrosse、 uc/OS-II The Real-Time KernelM、北京航空航天大學(xué)出版社、2003 致謝 在本文即將完成

36、之際，我首先要衷心地感謝我的指導(dǎo)老師邵雷老師。老師在學(xué)習(xí)方法、研究思路等方面給予了我悉心的指導(dǎo)。從論文的選題、研究理論、框架結(jié)構(gòu)、直至撰寫、修改和定稿等各個(gè)環(huán)節(jié)均嚴(yán)格把關(guān)；使我在學(xué)習(xí)和工作中，都受益匪淺，這些對(duì)我的生活和工作都起著不可估量的影響，在此，我對(duì)敬愛的老師表示衷心的感謝！他始終如一地關(guān)心我各方面上的進(jìn)展，悉心指導(dǎo)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)，反復(fù)審閱了論文稿，提出許多修改意見，為本文的完成付出了很多心血。他淵博的學(xué)術(shù)造詣及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度給我以深刻教誨，深信將受益終身。 最后，對(duì)所有在我的成長道路上關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)、親友表示衷心的感21 / 29 謝。 附錄 附錄1：電路原理圖 附錄 MC

37、S-512：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖22 / 29 附 錄：3芯片引腳 圖 A T89S5芯1片引 腳圖 74HC24引5 腳圖 附 ：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序代碼錄4 #include 0 設(shè)為外部中斷 /sbit INT_0=P32。將P3.2 A輸入為脈沖。sbit pulse_A=P00 /P0.0 sbit PWM=P02。 /PWM波形輸出23 / 29 #define PWM_T 1800 /定義PWM的周期為18ms #define Ts 1000 /定義采樣時(shí)間為10 ms #define time_data (256-10 /定時(shí)器預(yù)定值，12M時(shí)鐘，定時(shí)0.01ms Bit direct

38、ion。 /方向標(biāo)志位 unsigned char R。 /需要得到的轉(zhuǎn)速 bit real_direction。 /電機(jī)實(shí)際運(yùn)行方向 unsigned char Rr。 /實(shí)際轉(zhuǎn)速 bit compensate_polarity。 /補(bǔ)償極性 unsigned char dR。 /轉(zhuǎn)速補(bǔ)償 unsigned char PWM_t。 /PWM_t為脈沖寬度 unsigned char PWM_count。 /輸出PWM周期計(jì)數(shù) unsigned char pulseB_count。 /脈沖計(jì)數(shù) unsigned char time0_count。 /定時(shí)計(jì)數(shù) unsigned char tim

39、e1_count。 /定時(shí)計(jì)數(shù) void timer_init( /初始化設(shè)置定時(shí)器 TMOD=0x22。 /定時(shí)器1為工作模式2，0為模式2 PCON=0X00。 TF0=0。 TH0=timer_data。 /保證定時(shí)時(shí)長為0.01ms TL0=TH0。 TH1=timer_data。 /保證定時(shí)時(shí)長為0.01ms TL1=TH0。 ET0=1。 /定時(shí)器0中斷允許 TR0=1。 /定時(shí)器0開始計(jì)數(shù) ET1=1。 /定時(shí)器1中斷允許 TR1=1。 /定時(shí)器1開始計(jì)數(shù) EA=1。 /中斷允許 24 / 29 void INT0_INIT(void /設(shè)定INT0的工作方式 pulseB_count=0。 /脈沖計(jì)數(shù)器清零 IT0=1。 /選擇INT0為邊沿觸發(fā)方式 EX0=1。 /外部中斷允許 EA=1。 /系統(tǒng)中斷允許 viod setting_PWM( /設(shè)置PWM 的脈沖寬度和方向 direction=1。 /設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)方向 R=540。 /設(shè)定轉(zhuǎn)速 Dr=0。 /轉(zhuǎn)速補(bǔ)償為0 calculate_PWM_t(。 /重新計(jì)算脈寬 void calculate_PWM_t( /計(jì)算脈沖寬度 if(compensate_polarity= =1 /正補(bǔ)償 PWM_t=(R+dR/150。 else PW