基于直流電機的小車運動控制 薛忠余

1、濰坊學院論文1目錄目錄摘要摘要 .2 2前前言言 .3 31 1. . 系統(tǒng)系統(tǒng)概概述述 .4 42 2. .直流電機直流電機工工作原理作原理 .5 52.1 直流電機的結(jié)構(gòu).52.2 直流電機的分類.52.3 直流電動機的工作原理.62.4 直流電機的可逆運行原理.73.3.硬件硬件設(shè)設(shè)計計 .8 83.1 供電電源模塊.83.2 控制器模塊.83.3 電機驅(qū)動模塊.114.4.軟件軟件設(shè)設(shè)計計 .1 13 34.1 主程序設(shè)計 .13總總結(jié)結(jié) .1 14 4參考參考文文獻獻 .1 15 5致謝致謝 .1 16 6濰坊學院論文2 摘要摘要本文主要介紹了基于直流電機的小車運動控制設(shè)計。該車以玩

2、具小車為車體，直流電機及其控制電路為整個系統(tǒng)的驅(qū)動部分，AT89S51 單片機為整個系統(tǒng)的控制核心，采用 ST188 反射式光電傳感器來檢測小車的運行速度，并通過一個 4 位一體的數(shù)碼管顯示出來，使用驅(qū)動芯片 74HC245 來驅(qū)動數(shù)碼管的顯示；整個系統(tǒng)使用 5V 的直流電源供電，直流電機驅(qū)動采用 PWM 控制技術(shù)，可以靈活方便地對車速進行控制。關(guān)鍵詞：直流電機，單片機，小車關(guān)鍵詞：直流電機，單片機，小車Abstract : In this paper, the car based DC motor motion control design , the toy car as the car

3、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 detect the cars speed , and through a 4-in-one digital display up , use the driver IC 74HC245 to control t

4、he 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 , car濰坊學院論文3前言前言隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機、DVD、洗衣機、汽車等消費類產(chǎn)品越來越呈現(xiàn)光機電一體化、智能化、小型化等趨勢。各種智能化小車在市場玩具中也占一個很大的比例。根據(jù)美

5、國玩具協(xié)會的調(diào)查統(tǒng)計，近年來全球玩具銷量增幅與全球平均 GDP 增幅大致相當。而全球玩具市場的內(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價值的。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)定的模式在一個環(huán)境里自動的運作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學勘探等等的用途。智能電動車就是其中的一個體現(xiàn)。智能電動車是由一個電動玩具車改造而成，更換了電動玩具車的電機和驅(qū)動電路，增加了電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)的主要任務(wù)是使智能電動車按既定控制方法行駛。智能車輛是一

6、個運用計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術(shù)來實現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動行駛為一體的高新技術(shù)綜合體。它在軍事、民用和科學研究等方面已獲得了應(yīng)用，隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時代。計算機控制與電子技術(shù)融合為電子設(shè)備智能化開辟了廣闊前景。濰坊學院論文41.系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述整個系統(tǒng)基于玩具小車的機械結(jié)構(gòu)，小車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 11 所示。以AT89S51 單片機為控制核心，主要由電源模塊、控制器模塊、直流電機驅(qū)動模塊、測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、電機驅(qū)動芯片、數(shù)碼管驅(qū)動芯片和測速

7、模塊使用，單片機輸出相應(yīng)的控制信號給驅(qū)動芯片驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運動，直流電機的驅(qū)動電路采用 PWM 電路,精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。測速模塊通過光電編碼盤來檢測小車的速度，將檢測得到的脈沖信號送入單片機的 T0 口進行計數(shù), 同時完成脈沖數(shù)計算，通過定時計數(shù)器來計時間，算出實時速度，并通過一個四位一體數(shù)碼管顯示出來，從而驗證 PWM 控制技術(shù)對小車速度的控制；使用驅(qū)動芯片74HC245 來控制數(shù)碼管的顯示。單片機外部資源分配：P0.0P0.2 控制電機的使能和方向，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 用于測速模塊的輸入。

8、電路原理圖見附錄 1。圖 1.1 小車控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖控制器模塊電源模塊電機驅(qū)動模塊測速模塊顯示模塊運行電機濰坊學院論文52.直流電機工作原理直流電機工作原理輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。 直流電機在當今生活的各方面應(yīng)用越來越廣泛，直流電機的調(diào)速控制是電機應(yīng)用的一個重要技術(shù)保障。直流電機具有良好的調(diào)速性能、較大的起動轉(zhuǎn)矩和過載能力強等許多優(yōu)點，因此在許多行業(yè)中仍有應(yīng)用。2.12.1 直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子

9、兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機進行能量轉(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、換向器和風扇等組成。2.22.2 直流電機的分類直流電機的分類按結(jié)果主要分為直流電動機和直流發(fā)電機；按類型主要分為直流有刷電機和直流無刷電機。直流電機的勵磁方式是指對勵磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵磁磁通勢而建立主磁場的問題。根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為下列幾種類型。(1)、 他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直

10、流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，永磁直流電機也可看作他勵直流電機。(2)、 并勵直流電機并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。(3)、 串勵直流電機濰坊學院論文6串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。(4)、 復(fù)勵直流電機復(fù)勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。不同勵磁方式的直流電機有著不

11、同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復(fù)勵式。2.32.3 直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。圖 2.1 直流電動機的原理模型 圖 2.2 直流電動機原理模型如圖 2.1 和 2.2 所示，當電樞轉(zhuǎn)了 180后，導體 cd 轉(zhuǎn)到 N 極下，導體 ab 轉(zhuǎn)到

12、S 極下時，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A 流入，經(jīng)導體 cd 、ab 后，從電刷 B 流出。這時導體 cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃螅瑢w ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向。因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由導體 ab 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 A 流入的方向，而在 S 極下時，總是從電刷 B 流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動機能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是濰坊學院論文7直流電動機的工作原理。2.42.4 直流電機的可

13、逆運行原理直流電機的可逆運行原理一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，這種原理在電機理論中稱為可逆原理。當原動機驅(qū)動電樞繞組在主磁極 N、S 之間旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組上感生出電動勢，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負載（或電網(wǎng)），對外供電，此時電機作直流發(fā)電機運行。如用外部直流電源，經(jīng)電刷換向器裝置將直流電流引向電樞繞組，則此電流與主磁極 N.S.產(chǎn)生的磁場互相作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子與連接于其上的機械負載工作，此時電機作直流電動機運行。濰坊學院論文83.硬件設(shè)計硬件設(shè)計3.13.1 供電電源模塊供電電源模塊由于系統(tǒng) CPU、小車電機、傳感器及其他部分均采用+5V

14、供電，考慮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 電壓供單片機及其他電路使用，具體接法如圖 4.1。圖 4.1 電源電路連接圖電路為輸出電壓+5V 穩(wěn)壓電源。它由 8V 干電池、濾波電容 C1、 C2，一只固定式三端穩(wěn)壓器(7805)管構(gòu)成的，由開關(guān) S 控制電壓的輸出，為了防止電源掉電而影響電路工作，設(shè)計了電源指示電路，由一個 1K 的電阻和一個發(fā)光二極組成。3.1.1 穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓芯片 LM7805 簡介簡介穩(wěn)壓電路由固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 完成，LM7805 的 Vin 和 GND 兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常

15、常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和 C2 的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。LM7805 輸入端接 6VDC，輸出的是 5VDC。3.23.2 控制器模塊控制器模塊控制器模塊即單片機最小系統(tǒng)單元，如圖 4.2 所示，其主要由 51 單片機、時鐘、復(fù)位電路組成，本系統(tǒng)采用外部 12M 晶振，便于單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生精確的定時。濰坊學院論文9圖 4.2 單片機最小系統(tǒng)電路圖3.2.1 單片機簡介單片機簡介所謂單片微型計算機，是指將組成微型計算機的基本功能部件，如中央處理器CPU、存儲器 ROM 和 RAM、輸入

16、/輸出（I/O）接口電路等集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，簡稱單片機。在過去的幾十年中，電子工業(yè)飛速發(fā)展。隨著微處理器芯片的集成度越來越高，單片機的應(yīng)用越來越廣泛，并逐漸發(fā)展成為一門關(guān)鍵的技術(shù)學科。單片機具有體積小、重量輕、耗電少、電源單一、功能強、價格低、運行速度快、抗干擾能力強、可靠性高等一些突出的優(yōu)點，所以單片機已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于智能儀表、工業(yè)控制、家用電器、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用、醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中。3.2.2 MCS-51 單片機的結(jié)構(gòu)單片機的結(jié)構(gòu)單片機 SCM（single chip Microcomputer）是把微型計算的機的主要部分都集中在一個芯片上的單芯片微型計算機。

17、主要包括了中央處理器、存儲器、輸入/輸出口和定時器/計數(shù)器，中斷系統(tǒng)等功能部件。單片機自七十年代以來，已經(jīng)有了很大的發(fā)展被廣泛的應(yīng)用于機械、測量控制、工業(yè)自動化、智能接口和智能儀表等許多領(lǐng)域。目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的就是 MCS-51 單片機芯片。MCS-51 系列單片機的最典型的產(chǎn)品有內(nèi)部無 ROM 的 8031、內(nèi)部具有 4KB 字節(jié)掩膜 ROM 的 8051 及內(nèi)部具有 4KB 字節(jié) EPROM 的 8751，這三種型號的單片機除內(nèi)部程序存貯器 ROM 不同外其它內(nèi)部資源相同，MCS-51 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見附錄二。8051 的內(nèi)部資源為： (5)、 8 位 CPU濰坊學院論文10(6)、

18、4KB 字節(jié)掩膜 ROM 程序存貯器(7)、 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM 數(shù)據(jù)存貯器(8)、 2 個 16 位的定時器/計數(shù)器(9)、 1 個全雙工的異步串行口(10)、 5 個中斷源、2 級中斷優(yōu)先級的中斷控制器(11)、 時鐘電路，外接晶振和電容可產(chǎn)生 1.2MHz12MHz 的時鐘頻率3.2.3 數(shù)據(jù)處理及控制芯片數(shù)據(jù)處理及控制芯片 AT89S51AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能 CMOS 8 位單片機。其引腳圖見附錄 3。(12)、 主要性能參數(shù)：與 MCS-51 產(chǎn)品指令系列完全兼容；(ISP)Flash 閃速存儲器；4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程；1000 次擦寫周

19、期；4.05.5 V 工作電壓范圍；全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz；三級程序加密鎖；128 字節(jié)內(nèi)部 RAM；32 個可編程 I/O 口線；2 個 16 位的定時/計數(shù)器；6 個中斷源；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；掉電標識和快速編程特性。(13)、 AT89S51 的引腳功能電源及時鐘引腳：包括電源引腳 Vcc、Vss 及時鐘引腳 XTAL1、XTAL2；電源引腳接人單片機的工作電源，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，當作為 I/O

20、 口使用時，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)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動 8 個 TTL 負載。一般作為擴展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1 口(P1.0P1.7)：為 8 位準雙向 IO 口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線(作為輸入時，口鎖存器必須置 1)，可驅(qū)動 4 個 TTL 負載。P2 口(P2.0P2.7)：為 8 位準雙向 IO 口，當作為 I/O 口使用時，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 4 個 TTL 負載。一般作為擴展時地址總線的高 8 位使用。P3 口(P3.0P3.7)：為 8 位準雙向 IO 口，是雙功能復(fù)用口，

21、可驅(qū)動 4 個 TTL 負載。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 口同時為 FLASH 編程和編程校驗接收一些控制信號。表 4-1 P3 口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）濰坊學院論文11P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INTO（外部中斷 0）P3.3/INT1（外部中斷 1）P3.4T0（定時器 0 外部輸入）P3.5T1（定時器 1 外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/P

22、ROG：地址鎖存使能信號輸出端。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時。/PSEN：程序存儲器輸出使能端。低電平有效，在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：片內(nèi)程序存儲器屏蔽控制端，低電平有效。當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當/EA 端保持高電平時，執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器。在 F

23、LASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。3.2.4AT89S51 的復(fù)位電路的復(fù)位電路AT89S51 的復(fù)位電路如圖 4.3 所示。當單片機一上電，立即復(fù)位；另外，如果在運行中，外界干擾等因素使單片機的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或“跑飛”，就可以通過按鍵使其復(fù)位。復(fù)位也是使單片機退出低功耗工作方式而進入正常狀態(tài)的一種操作。圖 4.3 復(fù)位電路圖濰坊學院論文123.2.5 時鐘振蕩電路時鐘振蕩電路單片機的晶振選用 12MHz, 為保證單片機 RESET 引腳保持 2 個高電平周期復(fù)位。3.33.3 電機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊由 L298N 芯片、小型直流電動機和三極

24、管組成。電路連接圖如圖4.4。圖 4.4 電機驅(qū)動模塊電路圖從單片機輸出的信號功率很弱，即使在沒有其他外部負載時也不能帶動電機，所以在實際電路中加入了電機驅(qū)動芯片提高輸入電機信號的頻率，從而能根據(jù)需要控制電機轉(zhuǎn)動，根據(jù)驅(qū)動管大小和連接電路的簡化要求選擇 L298N，在電機線圈兩端分別接入了二極管進行過流保護，以防在控制電機換向時電流過大而損毀電機。3.3.1 L298N 芯片簡介芯片簡介L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的電機專用驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A，持續(xù)工作電流為 2A；內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，

25、可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。L298N 可驅(qū)動 2 個電機，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電機，本設(shè)計中選用驅(qū)動一臺電動機。5、7、10、12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。En A 、 En B 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。表 4-2 是 L298N 功能邏輯圖。表 4-2 L298N 功能邏輯表En AIN 1IN 2運行狀態(tài)濰坊學院論文

26、130XX停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止In3，In4 的邏輯圖與表 4-2 相同。由表 4-2 可知 En A 為低電平時，輸入電平對電機控制不起作用，當 EnA 為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計第第 1.21.2 節(jié)節(jié) 主程序設(shè)計主程序設(shè)計本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的各個模塊算法為：直流電機驅(qū)動算法，測速算法，數(shù)碼管顯示算法。系統(tǒng)總體程序框圖如圖 5.1 所示。其中，在小車運行的過程中，會不斷調(diào)用測速算法，并通過數(shù)碼管將實時速度顯示出來。圖 5.1 主程序流程圖初始化開始初始化 INT0 用于測速開始運行電機初始化定時器 0，產(chǎn)生 PWM 信號計算速度并顯示結(jié)束濰坊學院論文14總結(jié)總結(jié)短短四個月畢業(yè)設(shè)計，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，也因此這相對短暫的時間卻是幾年來過得最為充實的日子，充滿了挑戰(zhàn)的艱辛與樂趣。在老師的指導和督促下，經(jīng)過這幾個月的緊張設(shè)計與開發(fā)，我的畢業(yè)設(shè)計基于直流電機的小車運動控制設(shè)計終于完成了。通過本系統(tǒng)的設(shè)計使我所學的專業(yè)知識得到了綜合的運用，對以前很多抽象、枯燥的理論知識加深了