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基于单片机控制的智能电动小车(_毕业论文).doc

基于单片机控制的智能电动小车(_毕业论文)

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2018-04-04 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于单片机控制的智能电动小车(_毕业论文)doc》,可适用于综合领域

基于单片机控制的智能电动小车(毕业论文)学院:成教学院专业:电气工程及其自动化课题:基于单片机控制的智能电动小车学号:姓名:丁辉指导教师:许运飞职称:安徽建筑工业学院毕业(设计)论文年月日基于单片机控制的智能电动小车摘要智能电动小车是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统。它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术是典型的高新技术综合体。本文以C单片机为核心C单片机是一款八位单片机他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。本设计题采用C单片机为控制核心利用超声波传感器检测道路上的障碍控制电动小汽车的自动避障快慢速行驶以及自动停车并可以自动记录时间、里程和速度自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单可靠性能高。实验测试结果满足要求本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。采用的技术主要有:()通过编程来控制小车的速度()传感器的有效应用()新型显示芯片的采用关键词C单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车IDesignandcreateanintelligenceelectricitymotivesmallcarAbstractCisabitsinglechipcomputerItseasilyusingandmultifunctionsufferlargeusersThisarticleintroducestheCCUTgraduationdesignwiththeCsinglechipcomputerThisdesigncombineswithscientificresearchobjectThissystemregardstherequestofthetopic,adoptingCforcontrollingcore,supersonicsensorfortestthehinderItcanruninahighandalowspeedorstopautomaticallyItalsocanrecordthetime,distanceandthespeedorsearchinglightandmarkautomaticallytheelectriccircuitconstructionofwholesystemissimple,thefunctionisdependableExperimenttestre时器))高速IO口)计数器的捕获比较逻辑等。这一代单片机中在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机C系列,C单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线CAN(ControllerAreaNetworkBUS)新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构为系统的扩展与配置打下了良好的基础。本设计就采用了比较先进的C为控制核心C采用CHOMS工艺功耗很低。该设计具有实际意义可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合现实意义很强。第二章方案设计与论证根据题目的要求确定如下方案:在现有玩具电动车的基础上加装光电检测器实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量并将测量数据传送至单片机进行处理然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制控制灵活、可靠精度高可满足对系统的各项要求。一直流调速系统方案一:串电阻调速系统。方案二:静止可控整流器。简称VM系统。方案三:脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动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电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。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变所以GM系统的可逆运行是很容易实现的。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设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后因此搁置不用。VM系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数半波、全波、半控、全控等类型可实现平滑调速。VM系统的缺点是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。它的另一个缺点是运行条件要求高维护运行麻烦。最后当系统处于低速运行时系统的功率因数很低并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是在这里晶闸管不受相位控制而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时电源电压加到电动机上当晶闸管关断时直流电源与电动机断开电动机经二极管续流两端电压接近于零。脉冲宽度调制(PulseWidthModulation)简称PWM。脉冲周期不变只改变晶闸管的导通时间即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与VM系统相比PWM调速系统有下列优点:()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就可以获得脉动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可达:左右。由于电流波形比VM系统好在相同的平均电流下电动机的损耗和发热都比较小。()同样由于开关频率高若与快速响应的电机相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扰能力强。()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。根据以上综合比较以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器它是由个三极电力晶体管和个续流二极管组成的桥式电路。二检测系统检测系统主要实现光电检测即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。(行车起始、终点及光线检测:本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点(cm宽的黑线)玩具车底盘上沿黑线放置一套以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。利用超声波传感器检测障碍。光线跟踪采用光敏三极管接收灯泡发出的光线当感受到光线照射时其ce间的阻值下降检测电路输出高电平经LM电压比较器和LS施密特触发器整形后送单片机控制。本系统共设计两个光电三极管分别放置在电动车车头的左、右两个方向用来控制电动车的行走方向当左侧光电管受到光照时单片机控制转向电机向左转当右侧光电管受到光照时单片机控制转向电机向右转当左、右两侧光电管都受到光照时单片机控制直行。见图电动车的方向检测电路(a)。行车方向检测电路(见图电动车的方向检测电路(b))采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通发出一个电平跳变信号。此套红外光电传感器固定在底盘前沿贴近地面。正常行驶时发射管发射红外光照射地面光线经白纸反射后被接收管接收输出高电平信号电动车经过黑线时发射端发射的光线被黑线吸收接收端接收不到反射光线传感器输出低电平信号后送C单片机处理判断执行哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。前进时驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。最后经反接制动实现停车。前行与倒车控制电路的核心是桥式电路和继电器。电桥上设置有两组开关一组常闭另一组常开。图电动车的方向检测电路(a)图电动车的方向检测电路(b)电桥一端接电源另一端接了一个三极管。三极管导通时电桥通过三极管接地电机电枢中有电流通过三极管截止时电桥浮空电机电枢中没有电流通过。系统通过电桥的输出端为转向电机供电。通过对继电器开闭的控制即可控制电机的开断和转速方向进而达到控制玩具车前行与倒车的目的实现随动控制系统的纠偏功能。如图前行与倒车控制电路所示。VCCADDLSALSdd图前行与倒车控制电路d检测放大器方案:A方案一:使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。方案二:采用差动放大电路。选择优质元件构成比例放大电路虽然可以达到一定的精度但有时仍不能满足某些特殊要求。例如在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。这种情况下须采用差动放大电路并应设法减小温漂。但在实际操作中往往满足了高共模抑制比的要求却使运算放大器输出饱和为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。方案三:电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较在Ui>Ur和Ui<Ur两种不同情况下电压比较器输出两个不同的电平即高电平和低电平。而Ui变化经过Ur时比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。比较器有各种不同的类型。对它的要求是:鉴别要准确反应要灵敏动作要迅速抗干扰能力要强还应有一定的保护措施以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。比较器的特点:工作在开环或正反馈状态。放大、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要求这些电路中的运放均引入了深度负反馈而为了提高比较器的反应速度和灵敏度它所采用的运放不但没有引入负反馈有时甚至还加正反馈。因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。非线性。由于比较器中运放处于开环或正反馈状态它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压使其内部某些管子进入饱和区或截止区因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。开关特性。比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态因此它相当与一个受输入信号控制的开关当输入电压经过阈值时开关动作使输出从一个电平跳变到另一个电平。由于比较器的输入信号是模拟量而它的输出电平是离散的因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。由于比较器的上述特点在分析时既不能象对待放大电路那样去计算放大倍数也不能象分析运算电路那样去求解输出与输入的函数关系而应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值(阈值)来分析输入量与输出量之间的关系。如果在比较器的输入端加理想阶跃信号那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压而且没有延迟。但实际集成运放的最大转换速率总是有限的因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的阶跃信号。电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。响应时间越短响应速度越快。减小比较器响应时间的主要方法有:()尽可能使输入信号接近理想情况使它在阈值附近的变化接近理想阶跃且幅度足够大。()选用集成电压比较器。如果选用集成运放构成比较器为了提高响应速度可以加限幅措施以避免集()成运放内部的管子进入深饱和区。具体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。如图电压比较器电路所示:图电压比较器电路在本设计中光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰所以我们尝试采用了一种滞回比较器。简单电压比较器结构简单而且灵敏度高但它的抗干扰能力差也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。如果用这样的输出电压控制电机或继电器将出现频繁动作或起停现象。这种情况通常是不允许的。而滞回比较器则解决了这个问题。滞回比较器有两个数值不同的阈值当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时只要变化量不超过两个阈值之差滞回比较器的输出电压就不会来回变化。所以抗干扰能力强。但是滞回比较器毕竟是模拟器件温度的漂移是它无法消除的。方案四:施密特触发器。综合考虑系统的各项性能最后我们决定采用数字器件施密特触发器。施密特触发器是双稳态触发器的变形它有两个稳定状态触发方式为电平触发只要外加触发信号的幅值增加到足够大它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更强。(行车距离检测由于红外检测具有反应速度快、定位精度高可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点故采用红外光电码盘测速方案。具体电路同图行车距离检测电路所示:图行车距离检测电路红外测距仪由测距轮遮光盘红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。测长轮的周长为记数的单位最好取有效值为单一的数值(如本设计中采用米)精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安装在车轮上这样能使记数值准确一些。遮光盘有一缺口盘下方的凹形物为槽型光电耦合器其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转动时缺口进入凹槽时红外线可以通过缺口离开凹槽红外线被阻挡。由此可见测距轮每转一周红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。为实现可逆记数功能我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系即可计算出玩具车的行驶方向(前进或后退)。遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里以避免外界光线的干扰使电路不能正常工作。测距原理:将光栅安装在电机轴上当电机转动时光栅也随之转动同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点亮在光栅的另一侧设有红外三极管用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。由于光栅随电机高速转动则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。将该信号传输到C单片机的内部计数器计数根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。三显示电路本设计中用两片位八段数码管gemae作显示器,并具有双重功能,在小车不行驶时其中一片显示年)月,另一片显示时)分当小车行驶时,分别显示时间和行驶距离。四系统原理图简易智能电动车采用C单片机进行智能控制。开始由手动启动小车并复位当经过规定的起始黑线由超声波传感器和红外光电传感器检测通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测由单片机控制实现在电动车进驶过程中采用双极式H型PWM脉宽调制技术以提高系统的静动态性能采用动态共阴显示行驶时间和里程。系统原理图如图所示。起停、避障、位移、检测时间、里程显示PPPPPPPPPPPPPPPP调速PINTPINTPPTCPTPPEAVPPXX时钟电路RXDRESETTXDALEPRD看门狗电路PSENWR复位电路图系统原理图第三章硬件设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容:一是系统扩展即单片机内部的功能单元如ROM)RAM)IO口)定时记数器)中断系统等能量不能满足应用系统的要求时必须在片外进行扩展选择适当的芯片设计相应的电路。二是系统配置既按照系统功能要求配置外围设备如键盘显示器)打印机)AD)DA转换器等要设计合适的接口电路。一C单片机硬件结构C单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分它由如下功能部件组成即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行IO口、串行口、定时器计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。微处理器该单片机中有一个位的微处理器与通用的微处理器基本相同同样包括了运算器和控制器两大部分只是增加了面向控制的处理功能不仅可处理数据还可以进行位变量的处理。数据存储器片内为个字节片外最多可外扩至k字节用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等所以称为数据存储器。程序存储器由于受集成度限制片内只读存储器一般容量较小如果片内的只读存储器的容量不够则需用扩展片外的只读存储器片外最多可外扩至k字节。中断系统具有个中断源级中断优先权。定时器计数器片内有个位的定时器计数器具有四种工作方式。串行口个全双工的串行口具有四种工作方式。可用来进行串行通讯扩展并行IO口甚至与多个单片机相连构成多机系统从而使单片机的功能更强且应用更广。P口、P口、P口、P口为个并行位IO口。特殊功能寄存器共有个用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见C单片机的硬件结构具有功能部件种类全功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器它实际上是一个完整的位微计算机这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、IO口和指令集。位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效而位机在数据采集运算处理方面有明显的长处。MCS单片机中位机和位机的硬件资源复合在一起二者相辅相承它是单片机技术上的一个突破这也是MCS单片机在设计的精美之处。二最小应用系统设计C是片内有ROMEPROM的单片机因此这种芯片构成的最小系统简单)可靠。用C单片机构成最小应用系统时只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可如图C单片机最小系统所示。由于集成度的限制最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点:()有可供用户使用的大量IO口线。()内部存储器容量有限。()应用系统开发具有特殊性。图C单片机最小系统、时钟电路C虽然有内部振荡电路但要形成时钟必须外部附加电路。C单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式利用芯片内部的振荡电路在XTAL、XTAL引脚上外接定时元件内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在MHZ到MHZ之间选择。电容值无严格要求但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响CX、CX可在pF到pF之间取值但在pF到pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中振荡晶体选择MHZ,电容选择pF。在设计印刷电路板时晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装以减少寄生电容更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性应采用NPO电容。、复位电路C的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声在每个机器周期的SP,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用MHZ时C取uF,R取KΩ。除了上电复位外有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路见图。时钟频率选用MHZ时C取uF,Rs取ΩR取KΩ。K图C复位电路三前向通道设计单片机用与测控系统时总要有与被测对象相联系的前向通道。因此前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。)前向通道的含义当将单片机用作测)控系统时系统中总要有被测信号输入通道有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务对控制系统来说对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。对被测对象状态的测试一般都离不开传感器或敏感元件这是因为被测对象的状态参数常常是一些非电物理量如温度、压力、载荷、位移等而计算机是一个数字电路系统。因此在前向通道中传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。因此单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号输入通道原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路,故也可称为传感器接口通道。在单片机应用系统中对信号输入、传感、变换应作广义理解例如开关量的检测及信号输入在单片机的各种应用系统中有着广泛的应用。最简单的开关量输入通道就是一个具有TTL电平的状态开关如水银温度触点、温度晶闸管、时间继电器、限位开关等。故只要反映外界状态的信号输入通道都可称为前向通道。并不是所有单片机应用系统都有前向通道例如时序控制系统只根据系统内部的时间序列来控制外部的运行状态分布式测控系统中的智能控制总站完成上级主计算机与现场测、控子站计算机之间的指令、数据传送。这些应用系统没有被测对象故不需要前向通道。)前向通道的设计()传感器的比较识别障碍的首要问题是传感器的选择下面对几种传感器的优缺点进行说明(见表)。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器它是利用向目标发射超声波脉冲计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜易于使用且在m以内能给出精确的测量。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外还有以下问题。首先因其只能在m以内有效使用所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声即使可以使之测达m远但其更新频率为Hz而且还有可能在传输中受到它信号的干扰所以在CWICC系统中使用是不实际的。表传感器性能比较传感器类型优点缺点价格合理夜间不受影响。测量范围小对天气变化敏感。超声波易于多目标测量和分类分辨不能直接测量距离算法复杂处理视觉率好。速度慢。激光雷达价格相合理夜间不受影响对水、灰尘、灯光敏感。MMW雷达不受灯光、天气影响。价格贵视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小价格合理在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂处理速度慢。雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。()超声波障碍检测超声波是一种在弹性介质中的机械振荡其频率超过KHz分横向振荡和纵向振荡两种超声波可以在气体、液体及固体中传播其传播速度不同。它有折射和反射现象且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性可做成各种超声波传感器结合不同的电路可以制成超声波仪器及装置在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。作为超声波传感器的材料主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波同时它接收到超声波时也能转变成电能故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件其本设计采用TR中心频率为Hz由C发出的KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出KHz的脉冲超声波如电动车前方遇到有障碍物时此超声波信号被障碍物反射回来由接收器接收经LM两级放大再经带有锁相环的音频解码芯片LM解码当LM的输入信号大于mV时输出端由高电平变为低电平送C单片机处理。超声波检测如图超声波检测电路所示。图超声波检测电路四后向通道设计在工业控制系统中单片机总要对控制对象实现操作因此在这样的系统中总要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算处理后对控制对象的输出通道接口。根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的要求后向通道具有以下特点:()小信号输出、大功率控制。根据目前单片机输出功率的限制不能输出控制对象所要求的功率信号。()是一个输出通道。输出伺服驱动系统控制信号而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。()接近控制对象环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构电磁、机械干扰较为严重。但后向通道是一个输出通道而且输出电平较高不易受到直接损害。但这些干扰易从系统的前向通道窜入。单片机在完成控制处理后总是以数字信号通过IO口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统但对于一些模拟量控制系统则应通过数,模转换成模拟量控制信号。根据单片机输出信号形态及控制对象要求后向通道应解决:()功率驱动。将单片机输出信号进行功率放大以满足伺服驱动的功率要求。()干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道)电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用信号隔离)电源隔离和对功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。()数模转换。对于二进制输出的数字量采用DA变换器对于频率量输出则可以采用:本设计调速采用PWM调速为顺利实现电动小汽车的左转和右转本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器它是由个三极电力晶体管和个续流二极管组成的桥式电路。图为双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图。个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VT和VT同时导通和关断其驱动电路中Ub=UbVT和VT同时动作其驱动电压Ub=Ub=Ub。双极式PWM变换器的优点如下:()电流一定连续()可使电动机在四象限中运行()电机停止时有微振电流能消除静摩擦死区()低速时每个晶体管的驱动脉冲仍较宽有利于保证晶体管可靠导通()低速平稳性好调速范围可达左右。、脉宽调制原理:脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放VCCqqrrDDkAAKLSLSMKKqqrrDDkAAKLSLS图双极式H型可逆PWM变换器电路原理图大器工作在开换状态稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值当输入电压极性改变时输出电压就在正、负饱和值之间变化这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。一个输入信号是锯齿波调制信号另一个是控制电压其极性大小可随时改变与锯齿波调制信号相减从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的、逻辑延时环节:在可逆PWM变换器中,跨接在电源两端的上下两个晶体管经常交替工作由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间,总称关断时间,在这段时间内晶体管并未完全关断如果在此期间另一个晶体管已经导通,则将造成上下两管之通,从而使电源正负极短路为避免发生这种情况,设置了由RC电路构成的延时环节、电源的设计本设计的电源为车载电源。为保证电源工作可靠单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率、大容量的蓄电池而传感器的工作电源则采用了小巧轻便的干电池。五显示电路设计本设计中用两片位八段数码管gemae作显示器,并具有双重功能,在小车不行驶时其中一片显示年月,另一片显示时分当小车行驶时,分别显示时间和行驶距离原理图如图本设计中采用新型芯片EMP作为显示驱动器,它的管脚如图EMP管脚介绍所示,用单片机的并行口控制,一个数码显示电路用个口线,用专用驱动芯片控制可以减少对CPU的利用时间,单片机将有更多的时间去完成其他功能图EMP的管脚ledledledledvssabvccgnddcdddeEMPdfdpg该芯片共有个管脚管脚LED)LED)LED)LED分别接k电阻和三极管后与位八段数码管中的a)a)a)a四个数位选择端相连这四个数位选择端用来产生LED选通信号。管脚a)b)c)d)e)f)g)dp分别接欧电阻后与四位八段数码管中的a)b)c)d)e)f)g)dp相连分别控制各段码和小数点。管脚d)d)d)d接单片机并行口通过对单片机对芯片进行控制。管脚vss串上k电阻后与vcc管脚相接后再接v电源管脚gnd接地。该芯片所驱动的显示电路如图EMP集成显示电路所示显示驱动器支持动态显示其显示功能如表真值表所示显示从数字是未进位时是小数点清位是进位后加小数点是八段共阴数码管的位选。gemaeabcdefgdpaaaaledledakkaaledledVCCakkavssakbbvccgndcdcdddTextedefdfgdpgdpEMP图EMP集成显示电路表真值表DDDD显示清小数点加小数点a选通a选通a选通a选通第四章软件设计系统软件设计说明在进行微机控制系统设计时除了系统硬件设计外大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统软件更为重要。在单片机控制系统中大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括:数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算然后再输出以便控制生产。为了完成上述任务在进行软件设计时通常把整个过程分成若干个部分每一部分叫做一个模块。所谓“模块”实质上就是所完成一定功能相对独立的程序段这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是:、单个模块比起一个完整的程序易编写及调试、模块可以共存一个模块可以被多个任务在不同条件下调用、模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构由主程序)定时子程序、避障子程序)中断子程序显示子程序)调速子程序)算法子程序构成。一主程序设计主程序清单如下:limiwequh厘米位miaoequh秒位fenmiequh分米位fmiaoequh分秒位meterequh米位fenzhequh分位pointequh小数点位shimiequh十米位shifnequh十分位suduequh速度控制jishkequah记时开始zhondequbhzhoduequchzhonequehmaichoequfhjinwebequhbhcsequhdpanequhfenchuequhfencunequhpandequhfenmcequhorghajmpmainorgbhajmpstorgbhajmpstorghmain:movlimiw,#hmovmiao,#hmovfenmi,#hmovfmiao,#hmovmeter,#hmovfenzh,#hmovpoint,#bhmovshimi,#hmovshifn,#hmovjishk,#hmovzhond,#hmovzhodu,#hmovzhon,#hmovmaicho,#hmovjinweb,#hmovbhcs,#hmovsp,#fhmovtmod,#hmovth,#chmovtl,#bhmovth,#chmovtl,#chsetbeasetbetsetbetmovp,#aahacallxianshi软件流程如图流程图所示:初始化N开关是否按下,Y低速行驶N是否遇到黑线,Y计时开始计里程开始高速行驶Y是否偏离,转向子程序NY是否有障碍,避障子程序NY是否有光源,驶向光源NN是否检测到黑线,Y停车图流程图二显示子程序设计程序清单如下:xianshi:movp,#aahmovp,#cchmova,limiwswapaadda,miaomovp,anopnopmovp,#ddhmova,fenmiswapaadda,fmiaomovp,anopnopmovp,#eehmova,#bhadda,pointmovp,anopnopmovp,#eehmova,meterswapaadda,fenzhmovp,anopnopmovp,#ffhmova,shimiswapaadda,shifnmovp,aret三避障子程序设计程序清单如下:zhangai:jbh,stopjnbh,youzhuanjnbh,youzhuanjnbh,zuozhuanjnbh,zuozhuanajmpjiancezuozhuan:clrpclrpmovsudu,#hacalldelaasetbpsetbpmovsudu,#hajmpjianceyouzhuan:clrpclrpmovsudu,#hacalldelaasetbpsetbpmovsudu,#hajmpjiancestop:acalldelayjnbh,zhangaiclrtrmova,fenmimovfenmc,amova,#hadda,fenmcmovfenmc,ahere:cjnea,fenmi,hereclrtrsetbpacalldelaasetbpajmp$四软件抗干扰技术提高玩具车智能控制的可靠性仅靠硬件抗干扰是不够的需要进一步借助于软件抗干扰技术来克服某些干扰。在单片机控制系统中如能正确的采用软件抗干扰技术与硬件干扰措施构成双道抗干扰防线无疑为了将大大提高控制系统的可靠性。经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术等。、数字滤波技术:一般单片机应用系统的模拟输入信号中均含有种种噪音和干扰它们来自被测量本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量和控制必须消除被测信号中的噪音和干扰。对于这类信号采用积分时间等于ms的整数倍的双积分AD转换器可有效的消除其影响。后者为随机信号它不是周期信号。对于随机干扰我们可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。所谓数字滤波就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足它与模拟滤波器相比有以下几个优点:数字滤波是用程序实现的不需要增加硬设备所以可靠性高稳定性好。数字滤波可以根据信号的不同采用不同的滤波方法或滤波参数具有灵活、方便功能强的特点。数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波克服了模拟滤波器的缺陷。数字滤波器具有以上优点所以数字滤波在微机应用系统中得到了广泛应用。、开关量的软件抗干扰技术:干扰信号多呈毛刺状作用时间短利用这一点我们在采集某一开关量信号时可多次重复采集直到连续两次或两次以上结果完全一致方为有效。若多次采样后信号总是变化不定可停止采集给出报警信号由于开关量信号主要是来自各类开关型状态传感器如限位开关、操作按钮、电气触点等对这些信号的采集不能用多次平均的方法必须绝对一致才行。如果开关量信号超过个可按个一组进行分组处理也可定义多字节信息暂存区按类似方法处理。在满足实时性要求的前提下如果在各次采集数字信号之间接入一段延时效果会好一些就能对抗较宽的干扰。输出设备是电位控制型还是同步锁存型对干扰的敏感性相对较大。前者有良好的抗‘毛刺’干扰能力后者不耐干扰当锁存线上出现干扰时它就会盲目锁存当前的数据也不管此时数据是否有效。输出设备和惯性(响应速度)与干扰的耐受能力也有很大关系。惯性大的输出设备(如各类电磁执行机构)对‘毛刺’干扰有一定的耐受能力。惯性小的输出设备(如通行口、显示设备)耐受能力就小一些。在软件上最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只要有可能其重复周期尽可能短些。外设设备接受到一个被干扰的错误信息后还来不及作出有效的反应一个正确的信息又来了就可及时防止错误动作的产生。另外各类数据锁存器尽可能和CPU安装在同一电路板上使传输线上传送的都是锁存好的电位控制信号对于重要的输出设备最好建立检测通道CPU可以检测通道来确定输出结果的正确性。、指令冗余技术:当CPU受到干扰后往往将一些操作数当作指令码来执行引起程序混乱。当程序弹飞到某一字节指令上时便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节指令上时有可能落到其操作数上从而继续出错。当程序弹飞到三字节指令上时因它有两个操作数继续出错的机会就更大。因此我们应多采用单字节指令(NOP)或将单字节指令重复书写这便是指令冗余。指令冗余无疑会降低系统的效率但在绝大多数情况下CPU还不至于忙到不能多执行几条指令的程度故这种方法还是被广泛采用。在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令以保证弹飞的程序迅速纳入正确轨道。在某些对系统工作状态重要的指令前也可插入两条NOP指令以保证正确执行。指令冗余技术可以减少程序弹飞的次数使其很快进入程序轨道但这并不能保证在失控期间不干坏事更不能保证程序纳入正常轨道后就太平无事了解决这个问题必须采用软件容错技术。)软件陷阱技术:指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的。首先弹飞的程序必须落到程序区其次必须执行到冗余指令。所谓软件陷阱就是一套引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。如果我们把这段程序的入口标号记为ERR的话软件陷阱即为一条无条件转移指令为了加强其捕捉效果一般还在它前面加两条NOP指令因此真正的软件陷阱由条指令构成:NOPNOPERR软件陷阱安排在以下四种地方:()未使用的中断向量区。()未使用的大片ROM空间()表格、程序区由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方故不影响程序执行效率在当前EPROM容量不成问题的条件下还是多多益善。五“看门狗”技术PC受到干扰而失控引起程序乱飞也可能使程序陷入“死循环”。指令技术、软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境这时系统完全瘫痪。如果操作者在场就可以按下人工复位安钮强制系统复位。但操作者不能一直监视着系统也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位。为使程序脱离“死循环”通常采用“看门狗技术”。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间若发现时间超过已知的循环设定时间则认为系统陷入了“死循环”然后强迫程序返回到H入口在H处安排一段出错处理程序使系统运行纳入正规。“看门狗”技术可由硬件实现可由软件实现也可由两者结合实现。本系统采用硬件“看门狗”电路。实现硬件“看门狗”电路方案较多目前采用较多的方案有以下几种:、采用微处理器监控器、采用单稳态电路来实现“看门狗”单稳定电路可采用LS、采用内带震荡器的记数芯片。本设计采用第三种方案实现“看门狗”电路下面就对该方案作以介绍。()基本原理CD是带震荡器的位计数器由该芯片构成的看门狗电路如图看门狗电路图所示。记数频率由R和C决定。设实际的程序所需工作周期为T分频器记满时TT间为T’,当T’>T且系统正常工作时程序每隔T对进行扫描一次分频且永无记满输出信号。如系统工作不正常(如程序跑飞、死循环等)程序对发不出扫描信号分频器记满输出一脉冲号使CPU复位。()参数选择的振荡频率f由R、C决定。R用于改善振荡器的稳定性R要大于R。TTssT一般取R=R且R>kΩ,CpF。如果R=ΩR=ΩC=uF,则f=HZ。sTTTsTT的振荡频率和Qi(i=,,,,,,,)的选择要根据情况确定。()几个原则看门狗电路必须由硬件逻辑组成不宜由可编程计数器充当因为CPU失控后可能会修改可编程器件参数使看门狗失效。的RST线上阻容组成的微分电路很重要因为扫描输入信号是CPU产生的正脉冲若此信号变“”后由于干扰程序乱飞微分电路只能让上跳沿通过不会封死看门狗仍能计数起作用。若没有微分电路扫描输入信号上的“”状态封死使之不能记数看门狗不起作用图看门狗电路图U必须在正确完成所有工作后才能发扫描输入信号且程序中发扫描信号的地CP方不能太多。否则正好在哪里有死循环看门狗就不产生记满输出信号不能重新。启动CPU的记满输出信号不但要接到MCS的RST脚而且还应接到其它芯片的RST脚因为程序乱飞后其它具有RST脚的芯片也混乱了必须全部复位。六可编程逻辑器件可编程逻辑器件GALV是LATTICE公司研制的一种电可擦除的可重复编程的低密度PLD器件。它采用更为灵活的可编IO结构并采用了先进的EECOMS工艺数秒内即可完成芯片的擦除和编程过程并可反复改写是产品开发研制的理想器件之一。GALV技术特性()电可擦除工艺可重编程单元,成品率可重配置逻辑()高性能ECMOS工艺低功耗:mA最大运行功耗mA最大维持功耗高速度:,us最快存取速度()个输出逻辑单元对于复杂逻辑设计具有最大灵活性GALV可仿真条引脚的PAL器件具有功能熔丝图参数的完全兼容性()预置、加电复位全部寄存器()具有保密单元、电子标签()数据保持超过年。C按键电路直接由C接口电路查询。消抖(延时ms)由软件延时完成。第五章测试数据、测试结果分析及结论测试方法与仪器:、测试仪器测试仪器包括秒表、数字万用表、信号发生器、示波器、MCS仿真机、直流稳压电源等。、测试方法数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止导通状态等参数信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输MCS仿真机用于测试软件直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电秒表用于产品测试按照任务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试。测试数据及测试结果分析:计时精度分析计时系统采用了新型显示芯片。理论上的误差不到秒年。测距精度分析测速系统采用了电机轴光电码盘检测技术。电机轴与车轮轴之间采用了齿轮箱二级减速变比。车轮周长mm,光电码盘与电机轴安装在一起电机轴每一转产生个脉冲车轮每转产生个脉冲理论测量精度可达mm=mm<mm定位精度分析本设计采用实际测量与软件补偿技术理论上可使定位精度提高到误差<mm。、结论历时三个月的设计过程中我首先边查资料边在实验室焊接小车的线路板。在焊接过程中我感觉到即使是一个简单的电路要想很轻松的焊好也不是很容易的事情。有时是“虚焊”的原因有时可能是阻值选错。在焊接显示电路时我就错将欧的电阻焊成了千欧。这使我深深感受到理论与实际间的差距。通过这样的设计提高了我的动手能力。每天在实验室除了焊接线路板还可以上机编程使我软件调试知识也提高了。本设计采用的是C单片机这主要是因为该单片机的稳定性比较好。还可以采用其它系列的单片机。比如采用陵阳单片机就可以简化编程但其稳定性不是很好。致谢历时三个月的毕业设计已经告一段落。经过自己不断的搜索努力以及白老师的耐心指导和热情帮助本设计已经基本完成。在这段时间里白老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩他的指导使我受益非浅。同时本系实验室的开放也为我的设计提供了实习场地。在此对各位老师表示深深的感谢。通过这次毕业设计使我深刻地认识到学好专业知识的重要性也理解了理论联系实际的含义并且检验了大学四年的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这三个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程为今后的发展打下了良好的基础。由于自身水平有限设计中一定存在很多不足之处敬请各位老师批评指正。参考文献何立民,单片机应用系统设计,北京:航天航空大学出版社,,,,李广弟,单片机基础,北京:北京航空航天大学出版社,,,何希才,新型实用电子电路例,电子工业出版社,年,,赵负图,传感器集成电路手册,第一版,化学工业出版社,,,陈伯时,电力拖动自动控制系统,第二版,北京:机械工业出版社,年月,,张毅刚,彭喜元,新编MCS单片机应用设计,第一版,哈尔滨工业大学出版社,,,,,附录A程序清单limiwequh厘米位miaoequh秒位fenmiequh分米位fmiaoequh分秒位meterequh米位fenzhequh分位pointequh小数点位shimiequh十米位shifnequh十分位suduequh速度控制jishkequah记时开始zhondequbhzhoduequchzhonequehmaichoequfhjinwebequhbhcsequhdpanequhfenchuequhfencunequhpandequhfenmcequhorghajmpmainorgbhajmpstorgbhajmpstorghmain:movlimiw,#hmovmiao,#hmovfenmi,#hmovfmiao,#hmovmeter,#hmovfenzh,#hmovpoint,#bhmovshimi,#hmovshifn,#hmovjishk,#hmovzhond,#hmovzhodu,#hmovzhon,#hmovmaicho,#hmovjinweb,#hmovbhcs,#hmovsp,#fhmovtmod,#hmovth,#chmovtl,#bhmovth,#chmovtl,#chsetbeasetbetsetbetmovp,#aahacallxianshiqidong:jbp,qidongacalldelayjbp,qidongmovsudu,#hclrpclrpsetbtrstart:jnbp,startacalldelayjnbp,startmovsudu,#hsetbtrmovjishk,#hcalldelaacalldelaacalldelaacalldelaacalldelaajiance:movc,pmovh,cmovc,pmovh,cmovc,pmovh,cmovc,pmovh,cmovc,pmovh,czhangai:jbh,stopjnbh,youzhuanjnbh,youzhuanjnbh,zuozhuanjnbh,zuozhuanajmpjiancezuozhuan:clrpclrpmovsudu,#hacalldelaasetbpsetbpmovsudu,#hajmpjianceyouzhuan:clrpclrpmovsudu,#hacalldelaasetbpsetbpmovsudu,#hajmpjiancestop:acalldelayjnbh,zhangaiclrtrmova,fenmimovfenmc,amova,#hadda,fenmcmovfenmc,ahere:cjnea,fenmi,hereclrtrsetbpacalldelaasetbpajmp$st:pushaccpushpswmovth,#chmovtl,#bhinczhondmova,#ahcjnea,zhond,outmovzhond,#hinczhodumova,#hcjnea,zhodu,miepomovpoint,#bhmovzhodu,#hincmiaomova,#ahcjnea,miao,outmovmiao,#hincfmiaomova,#hcjnea,fmiao,outmovfmiao,#hincfenzhmova,#ahcjnea,fenzh,outmovfenzh,#hincshifnout:callxianshioutb:poppswpopaccretimiepo:movpoint,#ahajmpoutst:pushaccpushpswinczhonmova,suducjnea,zhon,higsetbpajmpoutihig:mova,#ahcjnea,zhon,outimovzhon,#hclrpouti:mova,#hcjnea,jishk,outbjbp,gaomovc,pmovh,corlc,hclrhjcyoubhajmpoutbgao:setbhajmpoutbyoubh:incmaichomova,jinwebcjnea,maicho,outbmovmaicho,#hincbhcsmova,#hcjnea,bhcs,jicimovjinweb,#hgoon:inclimiwmova,#ahcjnea,limiw,outmovlimiw,#hincfenmicjnea,fenmi,outmovfenmi,#hincmetercjnea,meter,outmovmeter,#hincshimiajmpoutjici:movjinweb,#hajmpgoonxianshi:movp,#aahmovp,#cchmova,limiwswapaadda,miaomovp,anopnopmovp,#ddhmova,fenmiswapaadda,fmiaomovp,anopnopmovp,#eehmova,#bhadda,pointmovp,anopnopmovp,#eehmova,meterswapaadda,fenzhmovp,anopnopmovp,#ffhmova,shimiswapaadda,shifnmovp,aretdelay:movh,#ffhmovh,#ffhi:djnzh,ii:djnzh,iretdelaa:movh,#ahii:movh,#afhii:movh,#ffhii:djnzh,iidjnzh,iidjnzh,iiret附录B硬件原理
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