合集王偉華大

1、摘要此次設(shè)計的主要內(nèi)容:根據(jù)所選的題目，首先確定了本次設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)整體結(jié)構(gòu)拆分成車的每個分部結(jié)構(gòu)，再由車需完成的任務(wù)對各方式、電機(jī)測速原理、車系統(tǒng)設(shè)計的主要工作:個部件進(jìn)行選型和設(shè)計。其次闡述小車系統(tǒng)的紅外電機(jī)速度的 PWM 驅(qū)動方式及中斷等幾個部分。紅外(l)對電機(jī)的 PWM 調(diào)速原理進(jìn)行了簡要的闡述。在實際的硬件設(shè)計上,首先完成光編碼盤測速裝與單片機(jī)的接口電路。根據(jù)對小車的齒輪齒數(shù)的觀察統(tǒng)計可以簡單確定小車轉(zhuǎn)速,可以為后面實際轉(zhuǎn)速的測量提供參考依據(jù)。(2)對紅外信號發(fā)射的編碼原理以及紅外信號接收的原理分別進(jìn)行闡述。明確了信號發(fā)射設(shè)備所使用的編碼方式;通過接收到的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)這

2、些數(shù)據(jù)的紅外信號的設(shè)備終端確定包含在紅外信號中的內(nèi)容，根據(jù)這些內(nèi)容來設(shè)定小車的運(yùn)行狀態(tài)。(3)車系統(tǒng)能否準(zhǔn)確的完成所要求的任務(wù)在于是否能有穩(wěn)定調(diào)速系統(tǒng),本次設(shè)計采用直流電機(jī)的 PWM 調(diào)速方式。首先根據(jù)直流電機(jī)給定數(shù)據(jù)計算出頻域內(nèi)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,再通過數(shù)字 PID器根據(jù)測速系統(tǒng)所獲得的實際速度值與所設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差后進(jìn)行校正。車技術(shù)是集合了有很好的發(fā)展空間，是:紅外;PWM;PID;中斷;多種新型學(xué)科技術(shù)，不管是在還是民用都最前沿的科學(xué)技術(shù)之一，值得我們深入研究。IABSTRACTThe main content of this design: according to the se

3、lected topic, first determine the overall structure of the design, then according to the whole structure into each division of the structure of remote control car, by remote control car need to complete the task of again to selection and design of the parts. Secondly expounds the car control system

4、of infrared remote control way and principle of motor speed, motor speed of PWM drive mode and several parts such as interrupt. Infrared remote control car system design main job:(l) the PWM motor speed control principle are briefly described. In the actual hardware design, the first complete light

5、dish coding speed and single chip microcomputer interface circuit. According to observation of the car of gear teeth can be simple to determine the car speed, can provide reference basis for measuring the rotational speed of actual behind.(2) the coding principle of infrared signal transmitting and

6、receiving infrared signal decoding principle expounds respectively. Clear the encoding used by signal transmitting equipment; By receiving the test data, according to the data of the infrared signal decoding device terminal to determine the content contained in the infrared signal, running condition

7、 of the car according to the content.(3) for the remote control car system can accurately finish the required task lies in whether can have stable speed regulation system, the design adopts dc motor PWMspeed control mode. First of all, according to the given data to calculate the dc motormathematica

8、l mof the dc motor in the frequency domain, and then through thedigital PID controller according to the actual speed values obtained by the velocity-measuring system comparing with the set value after deviation correction are obtained.Remote control car technology is a collection technology in today

9、s society a variety of new disciplines, both in the military or civilian have good development space, is one of the forefront of science and technology in todays society, worthy of our in-depth study.Keywords: Infrared; PWM. PID; InterruptII目錄緒論1第一章1.1 引言11.2 研究背景及意義2車驅(qū)動部分31.31.3.1 驅(qū)動方式的選擇31.3.2 各種類

10、型電機(jī)的比較41.4 主要研究內(nèi)容4系統(tǒng)總體設(shè)計及各部分組成原理6第二章車驅(qū)動部分62.12.1.1 紅外信號的調(diào)制原理62.1.2 紅外信號的二進(jìn)制編碼6. 82.1.3 紅外信號的接收與2.2 直流電機(jī)原理簡介82.3 測速系統(tǒng)原理簡介92.3.1 小車齒輪結(jié)構(gòu)92.3.2 光編碼器測速原理102.3.3 光編碼器測轉(zhuǎn)向原理102.4 調(diào)速系統(tǒng)簡介112.4.1PWM 調(diào)速原理112.4.2Atmegal6 調(diào)制PWM 信號122.5AVR 工作原理簡介14III2.6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計152.7 本章小結(jié)16系統(tǒng)硬件部分選型及設(shè)計17第三章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)173.1 紅外3.1.1 紅外信號發(fā)射

11、裝置的選型及硬件電路173.1.2 紅外信號接收裝置的選型及硬件電路193.2 測速部分的硬件設(shè)計20的選型及驅(qū)動方式設(shè)計213.3 電機(jī)驅(qū)動物檢測和尋跡模塊223.43.5 本章小結(jié)23系統(tǒng)軟件環(huán)境及算法設(shè)計24第四章4.1AVR 編程環(huán)境簡介244.1.1AVR 幾種常用編程環(huán)境簡介244.1.2AVR 一Libc 與器件相關(guān)的l/0 定義244.2 紅外接收部分算法設(shè)計254.3Atmega 的快速PWM 信號調(diào)制26是數(shù)學(xué)模型284.4 直流電4.4.1 電壓與轉(zhuǎn)速間的傳遞函數(shù)28調(diào)速304.4.2 直流電算法314.5PID4.5.1 模擬PID314.5.2 位置式數(shù)字PID32I

12、V4.6 本章小結(jié)35總結(jié)及展望36第五章5.1 總結(jié)365.2 展望36參考文獻(xiàn)37謝39致V江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）第一章緒論1.1 引言車輛工程在的軍事領(lǐng)域中占有十分重要的地位，無人模式已經(jīng)成為未來戰(zhàn)場上的發(fā)展的方向,戰(zhàn)場勝敗將由無人駕駛的來決定,不再取決于有多少的人數(shù)。無人設(shè)備的優(yōu)點是在不需要人親臨的情況下,代替人們完成一些高風(fēng)險的任務(wù),比如掃雷,清除不明物質(zhì)等等。在兩軍之間的戰(zhàn)斗,我們可以通過設(shè)備的交戰(zhàn),而不是讓人們?nèi)?zhàn)場,這大大降低了對人們的損害,而兩軍的實時性決定了哪一方可以搶占先機(jī)，取得戰(zhàn)斗的勝利。同時由發(fā)展起來的科技一經(jīng)改造就可應(yīng)用于民用生產(chǎn)，比如現(xiàn)在的物流管

13、理等，因此車輛的研究將有利于將來的軍事和民用的發(fā)展。隨著生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系的發(fā)展變化,在今天的的生產(chǎn)方式已和增加對大眾商品的需求,傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展的需求,對生產(chǎn)效率更高的需求。對遙控人的研究被世界各國列為重點項目，如美國安全局的“生存能力與戰(zhàn)略計算工程”，由此可見，對某省把人的研究作為一種極限環(huán)境下的生存嘗試。人的研究不僅僅設(shè)計到各國的軍事，在民用領(lǐng)域也是得到廣泛關(guān)注和重點培養(yǎng)。從而我們也應(yīng)該看到人的發(fā)展?jié)摿?，對的需求不斷加大，為了能為人類找到新型合適能源，型工具,其發(fā)展?jié)撡|(zhì)是無盡的。人作為一種新人從整體機(jī)構(gòu)上可以分成兩大部分，一部分是有人來另一部分是聽從外界接收來信息并采取相應(yīng)行動的從端。主端是

14、的主端；設(shè)備，它采用某些通訊，如通過光波、聲音或磁場等方式信號;從端則是通過設(shè)備上設(shè)計好的號并將此數(shù)字信號裝置將從外界接收的模擬信號轉(zhuǎn)化為設(shè)備能識別的數(shù)字信給從端處理器，由處理器統(tǒng)一調(diào)度實現(xiàn)功能。由于當(dāng)前的技術(shù)侄桔,使得人無法徹底擺脫人的而完成一項人將代替人任，,但半化的人仍然是未來一段時間的發(fā)展方向,將來類完成難度更大，環(huán)境更復(fù)雜的任務(wù)，比如在某些復(fù)雜環(huán)境，由于人類不在現(xiàn)場，僅通過一些影像和數(shù)據(jù)時無法及時到潛在的威脅，而身在現(xiàn)場的人如果裝有合適的傳感器結(jié)合適當(dāng)?shù)乃惴ㄍ耆梢员苊鉂撛诘?。在現(xiàn)實的生產(chǎn)生活中，有許多簡單而重復(fù)的工作，人類不斷發(fā)展科技的目的就是為了使人能夠從這些工作中解脫出來。的發(fā)

15、展和科技的不斷更新，為遙控人提供了新的要求，要求人能在位置環(huán)境中潛在的威脅，并采取1江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）相應(yīng)的行動避免意外的產(chǎn)生，這些能力需要為人配備更精密的傳感器，比如高品質(zhì)的攝像機(jī)、紅外探測儀、微波測量儀等等，同時多種傳感器的協(xié)調(diào)工作需要功能更強(qiáng)大的器人要就的重心。處理器一起考慮周全的算法，這些都是目前機(jī)人的行動往往離不開人的作用，無論科技如何發(fā)展，能替代人類去思考，只是成為人類的一種工具，去幫人類解決一些人都不可的問題。人的來的發(fā)展。延時問題始終是其發(fā)展的瓶頸，此問題解決的情況決定了其未1.2 研究背景及意義車或者稱為人，它的出現(xiàn)可以說是應(yīng)運(yùn)而生,是一個科技的，多種學(xué)

16、科的相繼出現(xiàn)為人的誕生提供了強(qiáng)大的契機(jī)，首先是作為傳統(tǒng)的學(xué)科的車輛工程為其提供了行動依據(jù)，不斷發(fā)展更新的通信科技為其提供了，傳感器和自動化技術(shù)的發(fā)展為其提供算法領(lǐng)域的協(xié)助，不得不說它的出現(xiàn)是集多種學(xué)科的發(fā)展創(chuàng)新而產(chǎn)生的。同時它的出現(xiàn)又為這些學(xué)科的發(fā)展提供了理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗，反過來促進(jìn)新學(xué)科新理論的發(fā)展。在實際的生產(chǎn)生活以及軍工領(lǐng)域提高工作效率、保障人類生命安全、降低勞動成本等，都顯示出其強(qiáng)大的生命力。本文著紅外的編碼、單片機(jī)調(diào)速、車體驅(qū)動等問題對人的工作原理進(jìn)行闡述。其中的一些原理將通過的方式進(jìn)行論述。人出現(xiàn)于二期，當(dāng)時由于歐洲的第二次科技，使得新的理背景下出現(xiàn)的，論出現(xiàn)，同時應(yīng)用技術(shù)不斷成

17、熟，人正是在這樣的它一經(jīng)誕生便替代人去完成環(huán)境的高危任務(wù)。戰(zhàn)后隨著的不斷復(fù)蘇，科技的發(fā)展也是日新月異，由于人在軍事和民用生產(chǎn)的優(yōu)勢和特點使得各國對其發(fā)展都表現(xiàn)出極大的關(guān)注，尤其是近幾十年，隨著高新科技的出現(xiàn)和發(fā)展，大量的科研新成果不斷踴躍，都為人的發(fā)展注入新的血液，使其蓬勃發(fā)展。例如在 1993 年法國能源委員會生產(chǎn)出用于核廢料的人，我們可以看到它的出現(xiàn)證明了人為人類造福的，替代人類完成高危任務(wù)這樣的一種巨大價值。隨著通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及理論的不斷成熟，為人的發(fā)展及更新?lián)Q代提供了寶貴契機(jī)。使得人的性上得到提高。這些主要表現(xiàn)在以下方面：在實時性、安全性及平穩(wěn)(l)大規(guī)模集成硬件電路使得

18、硬件的可靠性和安全性提高：早期由于技術(shù)水平的限制，導(dǎo)致完成某能的硬件設(shè)備極為繁重龐大，由2江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）于運(yùn)行設(shè)備對機(jī)載接收設(shè)備要求小巧靈活，這樣便于安裝和維修，龐大的硬件設(shè)備一方面不利于運(yùn)行設(shè)備的行動，同時由于其內(nèi)在的發(fā)熱和電磁禍合等問題，使得系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，這些都為人的發(fā)展造成阻礙，而出現(xiàn)的大規(guī)模集成電路的解決了這些問題，提高了系統(tǒng)各個方面的性能。(2)編碼技術(shù)的糾錯能力為的性提供了保障由于通信和編碼技術(shù)的發(fā)展，使用無線通訊設(shè)備的數(shù)量不斷遞增，這使得無線信號的發(fā)射可能對與自身不配套的設(shè)備產(chǎn)生干擾，這種問題的出現(xiàn)需要從新審視無線發(fā)射源的編碼和糾錯問題，同時對編碼的安全

19、性提出新的要求，如何能有效的通過無線與配套設(shè)備進(jìn)行通訊是當(dāng)下糾錯技術(shù)所要解決的問題。(3)復(fù)雜的系統(tǒng)，這里的復(fù)雜指有些不單單是上位機(jī)和下位機(jī)那種開環(huán)的系統(tǒng)，這里指的的是主機(jī)和從機(jī)之間進(jìn)行的閉環(huán)系統(tǒng)，從機(jī)需要對傳輸來的實際信號與目標(biāo)要求的信號進(jìn)行對比，對無差進(jìn)行分析，從而產(chǎn)生反饋信號格主端，主端根據(jù)從端的誤差信號進(jìn)行調(diào)整后，再進(jìn)行補(bǔ)償，將補(bǔ)償后的信號在傳輸給從端。(4)利用的人要在惡劣的高危環(huán)境下進(jìn)行工作，這需要人利用一切可，通過傳感器是人獲得信息，進(jìn)而它完成工作，這里對傳感器的要求是很高的，除了需要視覺傳感，聽覺、對電磁、熱和氣體的感知同樣是不可缺少的。當(dāng)然強(qiáng)大的處理器，會協(xié)調(diào)傳感器所傳遞的各

20、類信息,使其協(xié)調(diào)工作。1.3車驅(qū)動部分在車的動力選擇上，我一直在考慮選用什么類型的電機(jī)來驅(qū)動更為合適。為此，我考慮了以下幾個問題：電機(jī)的額定功率多大？電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和電機(jī)中選擇那種類型的電機(jī)更合適。多大？在1.3.1 驅(qū)動方式的選擇車幾種常見的驅(qū)動頭方式：將以下的選擇：、轉(zhuǎn)輪或步行式。如果選擇輪式，那么(1) 兩個驅(qū)動輪由一個電機(jī)驅(qū)動，另外兩個輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向。(2) 兩個驅(qū)動輪各自由一個電機(jī)驅(qū)動，另有一個負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向。(3)兩個驅(qū)動輪各自單獨驅(qū)動并帶有腳輪或滑輪，像一樣移動。如果選擇式則驅(qū)動方式一般只能選擇兩電機(jī)驅(qū)動兩個，通過對兩輪的速度改變方向。3江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）1

21、.3.2 各種類型電機(jī)的比較首先根據(jù)各類電機(jī)的功率、所適合的任務(wù)或移動方式將步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、直流電機(jī)等分門別類，如表 1-1。表 1-1 各類型電機(jī)功率比較各類電機(jī)優(yōu)缺點等不同特征的綜合比較如表 1-2 所示。表 1-2各類電機(jī)優(yōu)缺點比較由于本次設(shè)計需要小車具有較大的調(diào)速范圍，所以將通過光電編碼器及 PWM對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，直流電機(jī)除了具有較大的調(diào)速范圍，還具有功率大及接口間的的特點，所以此次選用直流電機(jī)作為驅(qū)動裝置。1.4 主要研究內(nèi)容此次研究內(nèi)容的流程圖如圖 1-1 所示。4電機(jī)類型優(yōu)點缺點應(yīng)用場合直流電機(jī)容易購得；型號多； 功率大；接口簡單；適合大型人。太快，需要齒輪器；電流較大；復(fù)雜

22、；較貴。較大型的人。伺服電機(jī)內(nèi)部帶齒輪 器； 型號多；適合室內(nèi)機(jī)器人的速度；價格便宜；功率適合小型機(jī)器人；易于安裝，接口簡單。負(fù)載能力較低；速度調(diào)節(jié)范圍較小。小型人；步進(jìn)機(jī)器人。步進(jìn)電機(jī)精確的速度；型號多；適合室內(nèi)人速度；接口簡單；便宜。功率與自重比小；電流通常較大；體積大； 負(fù)載能力低；功率??；復(fù)雜。尋線跟蹤人，迷宮人。相對功率使用的電機(jī)適用的重量范圍最強(qiáng)齒輪電機(jī)任何重量的人中等伺服電機(jī)重至 5 磅的人最弱步進(jìn)電機(jī)輕型人江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）紅外車系統(tǒng)第一章緒論第二章系統(tǒng)總體設(shè)第三章硬件部分第四章軟件部分第五章總結(jié)背景遙控遙控研究測展望測驅(qū)動總調(diào)速調(diào)速AV接收速硬速系結(jié)及意

23、驅(qū)動系統(tǒng)目的方式系統(tǒng)算法R簡算法件設(shè)統(tǒng)簡義部分結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介設(shè)計介設(shè)計計介圖-1總流程圖5江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）第二章系統(tǒng)總體設(shè)計及各部分組成原理2.1車驅(qū)動部分車的部分所采用的方式是利用紅外信號(IR)的方式,這里就涉及到了紅外信號的編碼輸出和接收問題，能否選擇合適的發(fā)射及接收裝置決定了介紹。的效率及質(zhì)量，下面對紅外信號的發(fā)射及接收原理進(jìn)行簡要2.1.1 紅外信號的調(diào)制原理紅外信號傳輸時存在很多干擾，為了提高能力，紅外系統(tǒng)發(fā)射數(shù)據(jù)時會把的二進(jìn)制編碼信號調(diào)制成一系列的脈沖信號，調(diào)制載波頻率一般在30kHz 到60kHz 之間，大多數(shù)使用的是38kHz，占空比13的方波，如圖2-

24、1所示。圖2-1 調(diào)制載波頻率2.1.2 紅外信號的二進(jìn)制編碼現(xiàn)在的紅外信號一般都是采用二進(jìn)制的編碼方式，而現(xiàn)行通用的編碼方式也很多。下面介紹幾種常見的紅外信號編碼方式。1、ITT 編碼脈沖信號圖如圖 2-2。圖2-2 脈沖信號2、脈沖位置編碼(PPM 碼)圖 2-3 中(a)為 NEC 公司使用的脈沖串寬度為 560us 的二進(jìn)制編碼；圖 2-36江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）中(b)圖為 Sharp 公司使用的脈沖串寬度為 320us 的二進(jìn)制編碼。(a)(b)圖2-3 脈沖編碼3、脈沖寬度編碼(PWM 碼)脈沖寬度編碼方式通過均勻間距脈沖序列，根據(jù)脈沖序列的不同寬度來區(qū)分高低電

25、平。如圖 2-4 所示。圖2-4 脈沖編碼上述介紹的幾種紅外編碼的邏輯定義很全面概括了應(yīng)用在各類電子中的編碼原則，當(dāng)前市面上的紅外發(fā)射設(shè)備應(yīng)用上述的一種或混合應(yīng)用幾7江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）種編碼方式，但基本的原則都是不變的。2.1.3 紅外信號的接收與接收模塊的主要任務(wù)是對接收的紅外信號進(jìn)行，通用方式有兩種:硬件和軟件。硬件成本較高、電路復(fù)雜，并且存在系統(tǒng)升級的局限性，所以硬件應(yīng)用并不廣泛；而軟件的局限性低、具有很高的靈活性，成本也更低，因此是現(xiàn)行主流的方式。2.2 直流電機(jī)原理簡介直流電，多年以來一直做為基本的換能器使用。直流電絕大多數(shù)都是利用電磁力形成方向不改變的轉(zhuǎn)矩而實

26、現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的，如圖2-5所示，此圖是直流電的物理模型圖，其中，它的固定部分(定子)是由磁鐵(稱為主磁極)和電刷組成:轉(zhuǎn)動部分(轉(zhuǎn)子)是由環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵芯上的線圈組成， 定子與轉(zhuǎn)子之間存在的間隙，由A 和B 兩個導(dǎo)體連接的電樞線圈放在電樞鐵芯上， 線圈的首尾兩端分別連到兩個弧形的銅片上，此銅片稱之為換向器，換向器之間彼此是相互絕緣，在換向器上放置著一對固定不動的電刷 Bl 和 B2。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動時，電樞線圈通過換向器和電刷與外電路接通。圖2-5 直流電機(jī)物理模型如圖 2-6 所示，給兩個電刷加上直流電源，上下為兩個固定的永磁極，上面是 N 極，下面是 S 極，abcd 是一段可旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)

27、體，稱之為電樞，AB 稱為為電刷， 它直接連接到電源上，在 AB 之間不相連的圓環(huán)是換向器。8江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）(a)導(dǎo)體 ab 處于 N 極（b）導(dǎo)體 ab 處于 S 極下圖2-6 直流電機(jī)原理圖2.3 測速系統(tǒng)原理簡介2.3.1 小車齒輪結(jié)構(gòu)在了解測速原理前首先要對小車齒輪結(jié)構(gòu)有所認(rèn)識，所使用小車的齒輪結(jié)構(gòu)如圖2-7所示，圖中小齒輪的齒數(shù)都是12齒，包括電機(jī)上的和負(fù)責(zé)中間傳導(dǎo)的， 而大齒輪的齒數(shù)都是50齒，各個齒輪通過一定比例相互咬合，和電機(jī)齒輪緊密咬合的大齒輪就是光電編碼盤，因此經(jīng)過如下計算：50/12*50/12=17*13/36;17*13/36*36=625。

28、可將編碼盤分為36段(18段黑，18段白)，所以采用段增量編碼器，機(jī)構(gòu)的比為：g=12/50*12/5012/50=1728/125000=0.013824，電機(jī)每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，車輪僅僅轉(zhuǎn)過0.013842轉(zhuǎn)。圖2-7 小車齒輪結(jié)構(gòu)圖車輪轉(zhuǎn)1圈，編碼盤轉(zhuǎn)過2500/144圈，36段編碼器產(chǎn)生625個上升沿和下降沿9江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）信號。小車的車輪直徑為50mm，車輪轉(zhuǎn)1圈，小車移動157.08mm，因此光電編碼器每改變一次電平，小車前進(jìn)0.251mm。2.3.2 光編碼器測速原理光編碼器是一種光電傳感器。目前這種傳感器的使用是比較廣泛的，它主要組成部分如圖2-8所示。光柵盤

29、是與輸出軸同軸的圓盤，它上面有一定圖案或空隙，在電旋轉(zhuǎn)時，光柵盤隨著電以相同的速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管電子原件組成的檢測裝置對過往的特征圖案或空隙進(jìn)行計數(shù)，從而得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其原理示意如下圖：圖2-8 光編碼盤測速原理圖而編碼器的種類根據(jù)不同的分類可以分為很多種，下面介紹幾種常見的編碼器。(l)絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器通過使用機(jī)械連接的方式,再電機(jī)斷電后是改變編碼器的位置,通電后可以立即得到斷電前的位置數(shù)據(jù)，因為得到的時格雷碼的檢測數(shù)據(jù),所以沒有模擬信號檢測誤差。(2)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)動一個預(yù)設(shè)的角度，編碼器就輸出一個脈沖信號,旋轉(zhuǎn)的角度的大小就通過脈沖信號來計算。(3)混合式旋轉(zhuǎn)編碼器使用紅

30、外信號掃描分度盤(分度盤結(jié)合旋轉(zhuǎn)軸),通過檢測統(tǒng)計紅外信號開關(guān)來的次數(shù)來計算旋轉(zhuǎn)角度,同時輸出絕對旋轉(zhuǎn)角度編碼和相對旋轉(zhuǎn)角度的編碼。2.3.3 光編碼器測轉(zhuǎn)向原理編碼器輸出信號如下圖2-9所示。10江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）圖2-9 編碼輸出信號編碼器輸出相位相差90度的正交方波脈沖信號 A、B，A 相或 B 相的每個脈沖代表被測對象旋轉(zhuǎn)的角度增量，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過對 A 和 B 相的脈沖信號的統(tǒng)計計算得到，電機(jī)的轉(zhuǎn)角則通過對脈沖信號的累加計算得到，A 相和 B 相的相位關(guān)系則反映了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。而電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)則由 A 相和 B 相的相對位置決定。2.4 調(diào)速系統(tǒng)簡介近年

31、來隨著直流電機(jī)整流技術(shù)的發(fā)展以及單片機(jī)功能的不斷完善，使得采用開關(guān)功率原件進(jìn)行脈寬調(diào)制，即 PWM方式成為主流。單片機(jī)功能的不斷完善以及性能的不斷提升是此種方式得以廣泛使用的先決條件。2.4.1PWM 調(diào)速原理Atmegal6生成 PWM 信號調(diào)速原理框圖如圖2-10所示。圖2-10 PWM 調(diào)速原理圖Atmegal6 產(chǎn)生一定占空比的 PWM 信號，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速通過測速系統(tǒng)測得實際的轉(zhuǎn)速，實際轉(zhuǎn)速與預(yù)定轉(zhuǎn)速的差通過電路對占空比進(jìn)行不斷調(diào)整。這里的電路需要對其編程，實現(xiàn)一定的算法對偏差進(jìn)行。11江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）PWM 即脈沖寬度調(diào)制，它是指將輸出信號的基本周期固定，

32、通過調(diào)整基本周期內(nèi)周期的大小來輸出功率的方法。因此，PWM 又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖 2-11 所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時，速度增加；電機(jī)斷電時，速度逐漸減小。圖2-11 轉(zhuǎn)速-時間關(guān)系設(shè)電機(jī)在始終接通電源的情況下，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速Vmax ，設(shè)占空比為a= t / T ，則電機(jī)的平均速度為:Vd = Vmax a(2-1)式中:Vd 表示電機(jī)的平均速度;Vmax 表示電機(jī)在正常通電時的速度(最大)；D 表示占空比。由公式(2-1)可知，當(dāng)改變占空比 D 時，就可以改變電機(jī)速度，從而實現(xiàn)調(diào)速。2.4.2Atmegal6 調(diào)制PWM 信號PWM 可以用來在單片機(jī)的OCRIA(PDS 引腳

33、的第二功能)和OCRIB(PD4 引腳的第二功能)引腳產(chǎn)生占空比可變的脈沖串。如果能夠輸出頻率比較高的脈沖頻率， 則使用體積比較小、價格比較便宜的元件就能很方便的實現(xiàn)這個功能。AVR 單片機(jī)的 PWM 有三種模式: (1)快速 PWM 模式(2)相位校正 PWM 模式12江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）(3)相位頻率校正 PWM 模式由于后兩種模式都是基于雙斜率的計數(shù)過程，比較復(fù)雜，因此在這里我們選用快速 PWM 模式，其頻率產(chǎn)生的公式為：fclk _ I / O=OCPWM（2-2）nxN (1+ TOP )N 代表分頻因子(l、8、64、256 或 1024)其中 fclk _ I

34、 / O 為時鐘頻率,其的選擇是通過 T/C1寄存器 B 的開始三位CS10、CSll 及 CS12 來的,具體表2-1如表 2-1 所示。時鐘頻率的設(shè)置計數(shù)功能是由 16 位計數(shù)器 TCNTI 來計數(shù)，其數(shù)值大于 65535 時溢出，中斷寄存器 TIMSK 的 TOIEI 位置位。通過低通濾波器以后就可以產(chǎn)生模擬電平了 50%的占空比是輸出電源電平的一半，150k 的占空比會產(chǎn)生電源電平四分之一的模擬信號。同時，又要盡可能的低，保證截止 P 刪信號的基頻,最大程度上減少由此引起的紋波。如果產(chǎn)生的模擬信號用來驅(qū)動低阻抗負(fù)載，則需要加一個緩沖放大器來保證輸出效果。AVR 單片機(jī)中以計數(shù)器為基礎(chǔ)實

35、現(xiàn)和P 刪輸出。計數(shù)器的時鐘和最大計數(shù)值決定 P 枷的基頻的頻率。加快的頻率和使用比較低的計數(shù)器最大值會增大PWM 的基頻。對于 Atmega16 最大分辨率(16 位)的最大 PWM 基頻是 244Hz，這個頻率是比較低的。不過可以通過降低分辨率來提高 PWM 的基頻，比如使用 8 位分辨率時最大 PWM 基頻可以達(dá)到 62.5kHz。同時，改變輸出比較寄存器 OCR 的值，就會改變占空比。增大 OCR 的值，會增加占空比。對于快速 PWM 模式，在計數(shù)值13CS12CS11CS10說明000無時鐘源（ T / C 停止）001clk I /0 /1 (無預(yù)分頻）010clk I /O /

36、8 （來自預(yù)分頻器）011clkI /O / 64 （來自預(yù)分頻器）100clk I /O / 256 （來自預(yù)分頻器）101clkI /O /1024 （來自預(yù)分頻器）110外部T1 引腳，下降沿驅(qū)動111外部T1 引腳，上升沿驅(qū)動江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）低于 OCR 的值時輸出是高，在達(dá)到 OCR 以后和最大值以前這段時間輸出是低。圖2-12 PWM 輸出原理圖在實際使用中，PWM輸出需要設(shè)置的內(nèi)容還是很多的，具體的如何根據(jù)需要設(shè)置寄存器，還要詳細(xì)參看 Atmega16說明書。2.5AVR 工作原理簡介AVR 系列廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，可謂是種類繁多。但其內(nèi)在的工作原理和組

37、成結(jié)構(gòu)確實基本一致的，這主要體現(xiàn)在它內(nèi)在的運(yùn)算方式、指令傳輸方式以及數(shù)據(jù)方式上。AVR 具有犯個通用寄存器以及豐富的指令集。所有的通用寄存器(在程序中為變量)都直接與運(yùn)算單元 ALU 相連，這種方式極大的提高了運(yùn)算效率，使得它在一個指令周期內(nèi)完成運(yùn)算。AVR 系列單片機(jī)的與眾不同的特點及高效的運(yùn)行效率與它推出的精簡指令集RISC 有的很密切的關(guān)系。下圖為 AVR 內(nèi)核的結(jié)構(gòu)框圖。從這個圖中我們可以看出其內(nèi)核采用的是 Harvard(哈弗)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)空間與程序空間是彼此相互的。其內(nèi)核工作原理如圖 2-13。14江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）圖2-13 AVR 內(nèi)核工作原理圖2.6 系統(tǒng)結(jié)

38、構(gòu)總體設(shè)計由光電編碼器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號通過接口反饋到 Atmega16。單片機(jī)系統(tǒng)通過通口(如 A/D、并行通信、串口通信等)從上位機(jī)得到電機(jī)給定速度,或單片機(jī)系統(tǒng)給定的電轉(zhuǎn)速。單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)給定的速度和速度反饋信號相減的偏差,通過各種算法(如 PI)得到量。單片機(jī)再把量以 PWM 的形式輸出，經(jīng)過 L298 功率放大，驅(qū)動直流電機(jī)?？傮w的工作原理如圖 2-14。圖2-14 系統(tǒng)工作原理圖15江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）2.7 本章小結(jié)本章主要介紹了車的驅(qū)動方式以及系統(tǒng)設(shè)計的一些原理。著重介紹了紅外信號的接收、編碼以及及運(yùn)用 PWM 調(diào)速原理對供了理論依據(jù)。；如何運(yùn)用光編碼測速

39、原理對車的速度檢測以、測速以及調(diào)速提車進(jìn)行速度。為車的16江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）第三章系統(tǒng)硬件部分選型及設(shè)計3.1 紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紅外系統(tǒng)主要分為發(fā)射和接收兩部分，如圖 3-1 所示。圖 3-1 紅外發(fā)射3.1.1 紅外信號發(fā)射裝置的選型及硬件電路目前紅外信號發(fā)射裝置有很多類型，根據(jù)你選擇的不同的類型可以發(fā)出不同的編碼信號。由于發(fā)射系統(tǒng)通常使用電池來提供電源,這樣就限定了的耗能,功耗太高的就不適合了，所以現(xiàn)在使用的大部分被設(shè)計成休眠狀態(tài)。雖然紅外發(fā)光二極管與普通二極管在外表上看起來一樣，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大不相同，所起紅外發(fā)光二極管發(fā)出的時紅外線而不是可見光。（a） 簡單驅(qū)動電路（b

40、） 射極輸出驅(qū)動電路圖 3-2 紅外驅(qū)動電路17江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）紅外發(fā)光二極管的驅(qū)動電路如上圖 3-2 所示，（a）圖是一種簡易的的紅外驅(qū)動電路，這個電路的選擇主要要注意的地方就時對三極管的選型，在使用時開關(guān)三極管的速度要快。同時還要注意紅外二極管的電流方向，電流越大會使得其發(fā)射的波形強(qiáng)度變大。（a）圖電路有一點缺陷，由于使用電池供電，隨著時間的推移，電池的能量用盡時，就使得通過紅外發(fā)射二極管的電流變小，進(jìn)而使得發(fā)射的波形強(qiáng)度降低，從而的距離就大大降低。而（b）圖所示的射極輸出驅(qū)動電路可以解決這個問題，在（a）圖的基礎(chǔ)之上添加了兩個二極管這兩個二極管的作用是穩(wěn)壓，可以使

41、得三極管的基極電壓維持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，從而能保證三極管發(fā)射極的電壓穩(wěn)定持續(xù)發(fā)出紅外信號，可以保證距離的穩(wěn)定性。而我采用的電路如圖 3-3 所示：該電路采用的的主要器件為HT6221。發(fā)射電路的主要原理如下，發(fā)射通過點出式鍵盤，共有K1-K8 八個按鍵。當(dāng)不同的按鍵按下時，單片機(jī)可以發(fā)出不同光二極管發(fā)出不同的脈沖信號，繼而傳送到小車上的紅外車運(yùn)行。表 3-1 小車運(yùn)行狀態(tài)令使得紅外發(fā)上，繼而小圖 3-3 紅外發(fā)射原理圖18K1K2K3K4停止右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)啟動K5K6K7K8循跡自動后退江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）3.1.2 紅外信號接收裝置的選型及硬件電路圖3-4 紅外接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

42、紅外信號接收系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)如圖 3-4 所示，以上電路通常被集成在一個元件中，成為紅外接收頭，如圖 3-5 所示。圖3-5 紅外一體接收頭現(xiàn)行的紅外接收頭的有很多類型，它們的引腳定義也不相同，一般都有三個引腳，包括供電腳，接地和信號輸出腳，也有些紅外接收頭可以調(diào)節(jié)解調(diào)頻率。在應(yīng)用時要使得發(fā)射端的脈沖信號的頻率與接收端的解調(diào)頻率一致，否則將接收不到紅外信號。我采用的模塊使用的紅外一體接收頭為 1838，其電路如圖 3-6 所示。瓷片電容 104 為去耦電容，DOUT 即是解調(diào)信號的輸出端，直接與單片機(jī)的 P3.2 口相連。有紅外編碼信號發(fā)射時輸出為檢波整形后的方波信號，并直接提供給單片機(jī)。1

43、9江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）圖3-6 紅外接收原理圖3.2 測速部分的硬件設(shè)計在本次設(shè)計中,就小車電機(jī)轉(zhuǎn)速的問題參考了一些文獻(xiàn),覺得用光編碼的辦法是一種比較可行的方法,其中分為兩部分,一部分是光編碼器,這里使用的是旋轉(zhuǎn)編碼器,由黑白相間的條形碼;另一部分為檢測部分,采用SFH9092計數(shù)。,當(dāng)檢測到黑色條碼時便將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,同時進(jìn)行圖 3-7 光編碼盤如圖 3-7 所示的光編碼測速系統(tǒng),在齒輪轉(zhuǎn)動過程中 SFH9092 反射型光電開關(guān)配合光電編碼器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并進(jìn)行計數(shù)處理。其原理圖如圖示。20江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）圖 3-8 光編碼測速

44、原理圖3.3 電機(jī)驅(qū)動的選型及驅(qū)動方式設(shè)計對于電機(jī)的驅(qū)動,我們可以自行設(shè)計電路,也可以通過選用合適的來完成，但相比之下自行設(shè)計電路需要的時間較長,精力較多,而具有集能良好,可以迅速的投入使用,節(jié)省時間和精力,經(jīng)過篩選，我決定選用L298 作為主要，圖 3-9 為 L298 的引腳示意圖。圖 3-9 L298 引腳示意圖為了能充分說明問題，先以一個電機(jī)為例，通過我們選擇 Atmega16 的端口向L298 的IM 和JNZ 輸出轉(zhuǎn)動情況如表 3-1 所示。信號來電機(jī)的正反轉(zhuǎn)其中電壓輸入與電機(jī)21江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）表 3-1 L298 的輸入輸出關(guān)系由L298兩個直流電機(jī)的正

45、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，其電路如圖3-10 所示。L298是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器。IN1、IN2、IN3、IN4 為數(shù)據(jù)輸入端，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 為數(shù)據(jù)輸出端。D1D8 是保護(hù)二極管（IN5819），作用是電機(jī)停止時產(chǎn)生的反響尖峰電勢。圖3-10 電機(jī)驅(qū)動原理圖3.4物檢測和尋跡模塊小車的避障循跡原理圖如圖 3-11 所示。從的角度考慮，該模塊選用了反射式光耦，反射式光耦由一個紅外發(fā)射管和一個光敏三極管組成。LM324 的作用是比較引腳 3 和 2 的電壓，當(dāng) 3 腳的電壓大于 2 腳電壓時，輸出端 1 腳輸出高電之輸出低電平。高低電平的電壓值取決于 2 腳的電壓，而 2

46、腳的電壓在R23 的作用下穩(wěn)定在 3V。避障電路安裝在小車頭部，用于檢測左右物。工作過程是：當(dāng)無物時，不反射紅外線，光敏三極管截止，3 腳在 R16 的上拉作用下為高電平（5V），大于 2 腳電壓（3V），1 腳輸出高電平；反之，當(dāng)遇到物時，1 腳輸出低電平。左邊遇到物時小車右轉(zhuǎn)，右邊遇到物時小車左轉(zhuǎn)。循跡電路安裝在小車底部的左右兩邊，通過辨別黑白色來控小車行走。工作22ENAIN1IN2電機(jī)運(yùn)行情況高高低正轉(zhuǎn)高低高反轉(zhuǎn)高高高速停低低低緩?fù)＝骼砉ご髮W(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）過程是：紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，當(dāng)遇到黑色時，不反射紅外線，比較器 1 腳輸出高電平；當(dāng)遇到白色時，紅外線被反射，比較

47、器 1 腳輸出低電平。左邊檢測到白色時小車右轉(zhuǎn)，右邊檢測到白色時小車左轉(zhuǎn)，兩邊檢測都檢測到黑色時小車前進(jìn)，兩邊都檢測到白色時小車停止。圖3-11循跡原理圖3.5 本章小結(jié)本章主要介紹了本次研究中所要用到的一些硬件的選型、介紹并設(shè)計了硬件電路。著重介紹了紅外信號發(fā)射和接受設(shè)備的選型并設(shè)計了相關(guān)的發(fā)射和接收硬件電路。在車驅(qū)動電路以及車的驅(qū)動方面選擇了 L298并以 L298為設(shè)計了車的循跡電路。解決了本次研究的主要問題。23江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）第四章系統(tǒng)軟件環(huán)境及算法設(shè)計4.1AVR 編程環(huán)境簡介AVR 在編程方面比較突出的地方就是對使用C 語言的使用做了優(yōu)化，適合 AVR編程

48、的編譯器有很多。在這里介紹幾種常用的編譯器。我們從是否方便等方面比較，從中選取合適的編譯器。4.1.1AVR 幾種常用編程環(huán)境簡介(1)Codevision AVR它的集成開發(fā)環(huán)境很友好，很好用；按照工程進(jìn)行管理，有一個叫代碼生成器，通過這個代碼庫也可以在里面找到。產(chǎn)生相應(yīng)的初始代碼，進(jìn)行編程。并且一些常用的器件(2)Imageeratf C ComPilerImagecratf C ComPiler 簡稱工 ICC,是一個完整的 AVR 集成開發(fā)環(huán)境,它的集成開發(fā)環(huán)境比較好用,也是按工程管理的。(3)WinAVRWinAVR 最大特點是:開放代碼，同時支持 C 語言開發(fā)。WinAVR 套件包

49、括:編譯器 AVR 一 GCC，編輯器 PN，Debug 工具 GDB 和其前端 AVR 一 Insight。AVR 一 GCC 可在多種操作系統(tǒng)，例如 MS 一 DOS、Win32、linux 中使用。與其他編譯器相比，WinAVR 有一個很突出的優(yōu)勢是完全自由的軟件，它的源代碼都可得到，并很容易編譯，因此它幾乎可適用于任何平臺?；诖它c， 在本次設(shè)計選用 WinAVR。4.1.2AVR 一Libc 與器件相關(guān)的l/0 定義使用 AVR 一 GCC 時，最基本的要加入如下包含文件：#inelude(avr/io.h)。該文件通過 AVR 一 GCC 的“-mmcu-”編輯選項獲得編譯的 CP

50、U 類型，并且自動的包含正確的 I/O 定義。事實上，編譯器是通過包含正確的來實現(xiàn)該功能的。頭文件不應(yīng)直接包含在用戶程序中,因為一些 AVR單片機(jī)公共的 I/O 定義在 中。 頭文件中包含有頭文件，包含了對特殊功能寄存器(SFR)的操作函數(shù)。24江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）頭文件中包含了ATMEL 公司的中提到I/0 寄存器和特殊的數(shù)據(jù)位的定義；還定義了中斷和信號處理程序的定義。下圖為 C 語言與硬件的,它能跟好說明頭文件的作用：圖4-1C 語言與硬件間的4.2 紅外接收部分算法設(shè)計前面部分提到過通過紅外線發(fā)射數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)信息采用的是 RC5格式的代碼。而所發(fā)射的每個數(shù)據(jù)信息包應(yīng)

51、包含三個部分。這三個部分分別為翻轉(zhuǎn)位(ToggleBit)、設(shè)備地址(DiviceBit)以及控件(KeyCode)。這里涉及到終端測試問題，我們需要知道設(shè)備接收代碼的情況，在單片機(jī)與 TSOP34386完成接口后，再通過 USB 與 PC 機(jī)連接，這時再使用發(fā)射信號，在 PC 的終端接收系統(tǒng)顯示我們從中接收的代碼，通過接收的代碼(主要是控件)對小車的方向進(jìn)行編碼。例如，我們對著小車的紅外會出現(xiàn)三個數(shù)字，其中最后一個數(shù)字是2，那么按下向前箭頭在終端設(shè)備上對小車前進(jìn)的方向定義編碼2即可，通過 MCU 的運(yùn)算，小車驅(qū)動電機(jī)一定的速度行駛(轉(zhuǎn)速可以通過編寫程序設(shè)置)。紅外接收部分大體的設(shè)計流程如圖4-2所示。25江西理工大學(xué) 14 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（）圖4-2 紅外接收流程圖TSOP34386內(nèi)置有自動增益(AGC)、帶通濾波器器以及檢波器，這些內(nèi)置設(shè)備通過電路對信號進(jìn)行，后產(chǎn)生三部分分別存放于 Atmegal6的翻轉(zhuǎn)位(ToggleBit)、設(shè)備地址(DiviCeBit)以及控件(KeyCode)三個變量中。Atmegal6根據(jù)這三個變量的情況對車體的運(yùn)動進(jìn)行。4.3Atmega 的快速PWM 信號調(diào)制在電機(jī)驅(qū)動信號