DZ241電動汽車自動控制系統(tǒng)

DZ241電動汽車自動控制系統(tǒng),dz241,電動汽車,自動控制系統(tǒng) 電動汽車自動控制系統(tǒng)摘要本設(shè)計(jì)小車能在規(guī)定的跑道上按規(guī)定的動作自動往返行駛，車子從起跑線出發(fā)后到達(dá)終點(diǎn)線停車 10s,然后返回到起點(diǎn)停止。在限速區(qū)行駛時間能夠達(dá)到大于 8s，終點(diǎn)縣停車與最后停車時車子中心點(diǎn)與黑線的誤差很小。車子能夠自動記錄時間及里程并在車上顯示。車子的自動控制系統(tǒng)部分以 AT89C52 為核心，對各個硬件模塊進(jìn)行控制。通過對光敏二極管和發(fā)光二極管組成的跑道標(biāo)志的脈沖檢測電路對小車位置進(jìn)行定位，從而控制智能小車在相應(yīng)的黑線標(biāo)志處自動選擇適合的速度檔進(jìn)行變速。通過引進(jìn)改進(jìn)的脈寬調(diào)速系統(tǒng)可以完成對小車的往返行駛的控制。而且可以通過控制小車車輪的反轉(zhuǎn)進(jìn)行減速的控制方法實(shí)現(xiàn)小車的快速準(zhǔn)確制動。通過霍爾速度集成傳感器對小車車輪的轉(zhuǎn)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)從而能夠使小車精確的測量行駛距離，并配合 LED 動態(tài)顯示技術(shù)顯示小車所行駛的里程數(shù)。通過軟件計(jì)時并配合顯示器顯示行駛時間。本次設(shè)計(jì)采用一鍵開關(guān)的方法，既方便又實(shí)用。軟件部分采用主程序總領(lǐng)，子程序分部完成各個單元模塊任務(wù)的程序設(shè)計(jì)思想。每個獨(dú)立的任務(wù)都由相應(yīng)的子程序獨(dú)立完成，整體結(jié)構(gòu)清晰明了。尤其是延時子程序采用調(diào)用顯示子程序的獨(dú)特方法，以改善 LED 現(xiàn)實(shí)的效果，設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特。最后，由于本設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，這就方便了它以后得升級和擴(kuò)展的功能。關(guān)鍵詞：自動控制系統(tǒng) 光電檢測傳感器 霍爾速度集成傳感器 動態(tài)顯示 模塊化顯示 Automatic control system of electronic mini-carAbstractThis mini-car can run on the designed route all by itself ,when car reach the destination stopping 10s at there ,then go back and stop at the beginning line . the mini-car also can display time journey . base on themicro-controller AT89C52.the mini-car can race intellectually. The system adopts photo electronic sensors to detecting the black line and control the direction then adds or reduces the speed of mini-car by PWM at once. By introducing the HALL speed sensor, the car can measure the distance accurately while running at different speed. To the display distance and time, it adopts a 8-bit LED. The car has only one key to start it, which make it feel more useful. The design of software adopts modularized designing method, and has a special characteristic, the display course constitute delay course, which strengthens display effect. Because this design applied modularized designing method, it has upgrade and extensible capability.Keywords: Automatic control system , Photo electronic sensor ,HALL speed sensor , 8-bit LED ,Modularized designing method 目錄第一章 選題背景……………………………………………………………………… 5第二章 方案論證……………………………………………………………………… 72.1 測線方案比較……………………………………………………………………… 72.2 測速方案比較……………………………………………………………………… 72.3 數(shù)據(jù)存儲方案比較………………………………………………………………… 72.4 驅(qū)動方案比較……………………………………………………………………… 82.5 剎車方案比較……………………………………………………………………… 82.6 單片機(jī)選用比較…………………………………………………………………… 92.7 顯示方案比較……………………………………………………………………… 9第三章 硬件設(shè)計(jì)……………………………………………………………………… 113.1 總體設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 113.2 調(diào)速設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 123.3 測速設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 233.4 測線設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 253.5 顯示設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 263.6 鍵盤 ……………………………………………………………………… 273.7 電源設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 27第四章 軟件設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 284.1 內(nèi)存分配 ……………………………………………………………………… 284.2 初始化程序設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 284.3 主程序設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………… 284.4 延時子程序設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 284.5 慢車，停車程序設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 294.6 里程計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 294.7 計(jì)時子程序設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 304.8 動態(tài)顯示程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 31第五章 結(jié)果分析 ……………………………………………………………………… 32第六章 總結(jié) ……………………………………………………………………… 34主要參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………… 35附錄 ……………………………………………………………………… 37A.程序清單 ……………………………………………………………………… 37B.設(shè)計(jì)中使用器件列表………………………………………………………………… 48C.硬件小圖 ……………………………………………………………………… 49一 選題背景（一）背景本次設(shè)計(jì)題目是參考 2001 年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽（C 題）自動往返電動小汽車來擬訂的。設(shè)計(jì)要求也基本一樣，詳細(xì)內(nèi)容參看下面的設(shè)計(jì)基本要求。自動電動小汽車題目曾經(jīng)多次被全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽以不同的形式和要求選出，這充分說明這個題目的科技實(shí)用性，實(shí)踐性，變化多樣性以及可操作性，可塑造行之強(qiáng)。而且隨著汽車工業(yè)在全國乃至全球的蓬勃發(fā)展，自動控制，導(dǎo)航，行駛的智能汽車控制系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)早就進(jìn)行了大量的研究，實(shí)驗(yàn)，乃至應(yīng)用。而且這種系統(tǒng)有很大的可移植性，不僅僅是應(yīng)用于汽車自動控制方面，還可以移植到電車，輪船，飛機(jī)，導(dǎo)彈以及航天航空等許多方面，對未來的運(yùn)輸也有極深遠(yuǎn)的影響意義。（二）要求本次設(shè)計(jì)的要求：小汽車能在如圖 1.1 所示的跑道上自動往返行駛。車子從起跑線出發(fā)后到達(dá)終點(diǎn)線停車 10s，然后返回到起點(diǎn)停止。在限速區(qū)行駛時間要求大于 8s，終點(diǎn)線停車與最后停止時求車子中心點(diǎn)與黑線的誤差盡量小。車子能自動記錄時間及里程并在車上顯示。跑道寬為 0.5m，兩側(cè)擋板高度大于 0.2m，跑道表面貼有白紙，在 B，C ，D ，E，F(xiàn) 和 G 處畫有 2cm 寬的黑線。圖 1.1 跑道俯視圖1．參數(shù)要求（1） 車輛從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車體不得超出起跑線） ，到達(dá)終點(diǎn)線后停留 10 秒，然后自動返回起跑線（允許倒車返回） 。往返一次的時間應(yīng)力求最短（從合上電源開關(guān)開始計(jì)時） 。（2） 到達(dá)終點(diǎn)線和往返起跑線時，停車位置離起跑線和終點(diǎn)線偏差應(yīng)最?。ㄒ攒囕v中心點(diǎn)與終點(diǎn)線或起跑線中心線之間距離作為偏差的測量） 。（3） D~E 間為限速區(qū)，車輛往返均要求以低速通過，通過時間不的超過秒，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。2．發(fā)揮部分（1） 自動記錄，顯示一次往返時間（記錄顯示裝置要求安裝在車上） 。（2） 自動記錄，顯示行駛距離（記錄顯示裝置要求安裝在車上） 。其它特色與創(chuàng)新。二 .方案論證（一）標(biāo)志線探測模塊的設(shè)計(jì)與比較：本次設(shè)計(jì)要求探測元件對白色質(zhì)地和黑色質(zhì)地有不同檢測信號產(chǎn)生。所以我對如下方案作了比較：方案一：用一個發(fā)光二極管作為發(fā)射光源，光敏二極管檢測返回信號。優(yōu)點(diǎn)是便于觀察信號的產(chǎn)生和接收，而且驅(qū)動電路簡單實(shí)用，理論簡單適合用于畢業(yè)設(shè)計(jì)中。缺點(diǎn)是環(huán)境對它有一定的干擾，但是本次設(shè)計(jì)中對精度要求不是十分高的情況下是完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。方案二：紅外線光作為發(fā)射光源，光敏三極管可以檢測返回信號，雖然外界對其干擾很小，精度也比較高，但是這樣的傳感器十分昂貴，用在這樣的小車設(shè)計(jì)中十分浪費(fèi)，而且驅(qū)動電路復(fù)雜，所以并不采納。方案三：也可以用一個紫外線傳感器接收發(fā)光二極管發(fā)出的可見光，但是紫外線傳感器主要用于火災(zāi)報警系統(tǒng)，所以也不適用于本設(shè)計(jì)。通過對三個方案的比較，本設(shè)計(jì)采用方案一。（二）數(shù)據(jù)存儲比較：方案一：采用外接 ROM 進(jìn)行存儲。采用外接 ROM 進(jìn)行存儲是保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的慣用方法，其特色是在單片機(jī)斷電后仍然能保存住數(shù)據(jù)，但無疑將增加硬件資源的占用和軟件編程的麻煩，而且也會使設(shè)計(jì)圖紙混亂不堪。方案二：直接用單片機(jī)內(nèi)部的 RAM 進(jìn)行存儲。雖然不能在斷電后保存數(shù)據(jù)，但可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)按鍵顯示相應(yīng)值。而且本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)存儲不大，采用 RAM 可以減少 I/O 接口的使用，便利 I/O 接口分配，故此方按具有成本低，易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，更符合實(shí)際需要。鑒于方案二的以上優(yōu)點(diǎn)，綜合比較，本設(shè)計(jì)采用方案二。（三）距離檢測方案比較：方案一：通過檢測得出小車平均速度 v，在行駛過程中將行駛時間與其乘積 t.v 作為駛過的距離。但該方案受電池電量，路面介質(zhì)等因素的影響，在大多數(shù)情況下均暴露出誤差大的缺點(diǎn)。故不予采用。方案二：在后輪輪軸均距貼上 m 個磁鐵，車廂內(nèi)裝上霍爾開關(guān)。對輪子轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，由于低速下輪子與地面接觸良好，設(shè)輪周長為 c，可以用霍爾開關(guān)輸出脈沖數(shù) n 乘以 c/m 得出行駛距離。只要磁鋼在后輪輪軸上的位置足夠精確，霍爾開關(guān)固定牢靠，就可以獲得較好的測試效果。但車子顛簸時，穩(wěn)定性較差。方案三：在齒輪箱中安裝透射式開關(guān)，測出變速齒輪的每秒轉(zhuǎn)速，用變速比和車輪周長計(jì)算出線速度，積分求出行駛距離。但在齒輪箱中使用光電開關(guān)，要求有足夠的安裝位置，不能影響機(jī)構(gòu)的機(jī)械動作。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定。綜合以上方案優(yōu)劣和小車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本系統(tǒng)再用方案二。（四）電機(jī)驅(qū)動模塊電路：由直流激勵電動機(jī)的機(jī)械特性方程式：n= U/CeΦ-R 0T/CeCtΦ 2看出，改變電驅(qū)回路電阻，磁通及電驅(qū)端電壓可以達(dá)到調(diào)速的目的。方案一：電驅(qū)回路串聯(lián)電阻調(diào)速，不能改變理想空載轉(zhuǎn)速，只能改變機(jī)械特性的硬度。尤其是在輕載的條件下，調(diào)速的可能性就更小了。電驅(qū)串電阻調(diào)速是有級的。這種調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：方法比較簡單。所以，該方法僅使用在電動機(jī)容量不大時，在低速工作時間不長，調(diào)速范圍較小的場合。方案二：減弱磁通調(diào)速的手段是在勵磁回路中串接等效電阻，還可以用單獨(dú)的可調(diào)支流電源向勵磁賄賂供電。調(diào)速時能量消耗較少，控制比較容易，可以平滑調(diào)速，但不能進(jìn)行低速調(diào)整。方案三：降低電驅(qū)電壓調(diào)速的方法又有兩種：一種是晶閘管整流張制供電的支流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍大，平滑性好，效率高，運(yùn)行可靠，動態(tài)響應(yīng)快，但整流電流中交流成分大，損耗加大，而且不易控制：另一種是直流脈沖寬度調(diào)速型的調(diào)速系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡單，須用的功率元件少，開關(guān)頻率高，諧波少，機(jī)電損耗少，低速性能好，調(diào)速范圍寬，快速響應(yīng)好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)控制。經(jīng)過比較和討論，本設(shè)計(jì)采用方案三中的直流脈沖寬度調(diào)速型的調(diào)速系統(tǒng)。（五）剎車機(jī)構(gòu)功能方案比較：方案一：自然減速式 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出停止信號時給驅(qū)動電機(jī)供電，小車在無動力狀態(tài)因阻力而自然變?yōu)榫?。由于慣性，小車全速行駛時需要 2 秒后才能停止，因?yàn)檐囕喕性斐傻恼`差較大，無法實(shí)現(xiàn)精確的制動目標(biāo)。方案二：反轉(zhuǎn)式 當(dāng)小車需要停車時給驅(qū)動電機(jī)以反轉(zhuǎn)信號，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消與慣性效應(yīng)。由于小車車速時漸減的，反向驅(qū)動信號長度也要漸減，否則小車可能反向行駛。使用此方案后全速剎車反應(yīng)時間為 0.5s，左右。所以，本系統(tǒng)采用方案二。（六） 單片機(jī)選用比較方案一：選用 8031 8031 位最基本的單片機(jī)，它具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單（8 位 CPU，片內(nèi)振蕩器，128 個字節(jié)用戶 RAM，21 個字節(jié)專用寄存器 SFR，4 個 8 位并行 I/O 口 P0，P1，P2，P3，一個全雙工串行 I/O 口，2 個 16 位 定時器/計(jì)數(shù)器等） ，電路大件容易的特點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也是顯而易見的，8031 內(nèi)部沒有 ROM，這就需要大程序存儲時外接片外存儲器（通過 I/O 口可以外接多達(dá) 64K 字節(jié)的外部程序存儲器） 。而外接存儲器一定會占用大量的硬件資源。方案二：選用 80518051 與 8031 內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較相似（8 位 CPU，片內(nèi)振蕩器，128 個字節(jié)用戶RAM，21 個字節(jié)專用寄存器 SFR，4 個 8 位并行 I/O 口 P0，P1，P2，P3，一個全雙工串行 I/O 口，2 個 16 位定時/計(jì)數(shù)器等） 。這樣，在程序較小的情況下，可以不用外界存儲器就可以工作，減少了硬件資源的浪費(fèi)。方案三：選用 AT89C52AT89C52 作為 C51 系列產(chǎn)品，其內(nèi)部有 8KB FLASH 存儲器，128 字節(jié) RAM，32條 I/O 口線，2 個 16 位定時/計(jì)數(shù)器，6 個中斷電源，1 個串行 I/O 口，片內(nèi)振蕩器等。顯然 AT89C52 作為新一代的單片機(jī)芯片它的硬件資源大大的提高了，存儲器對于一般的程序都應(yīng)該是足夠的了，6 個中斷源，大大的滿足了多路口控制，檢測的需要，可以說是比較全能的單片機(jī)之一了。綜上，本系統(tǒng)采用 AT89C52 為內(nèi)部核心芯片，即方案三。（七）顯示方案比較方案一：液晶顯示是一種極低功耗的顯示器件。在袖珍式儀表或低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中使用較大。但是，考慮到本系統(tǒng)的具體因素（如：小車運(yùn)行中顛簸大容易導(dǎo)致顯示器失效） ，所以一般不采用 LCD 顯示。方案二：采用 LED 顯示LED 是設(shè)計(jì)中最常用的顯示器件，它是由發(fā)光二極管組成的顯示字段的顯示器，并且主要用于顯示數(shù)字，本系統(tǒng)需要一個 8 位的數(shù)字顯示器，考慮到 LED 的耐磨損的特點(diǎn)，所以選用這種顯示器。在多位 LED 顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個 8 位 I/O 口控制的顯示方式，有硬件搭建簡便，清楚的特點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)采用的是 LED 動態(tài)顯示電路。綜上，本系統(tǒng)采用方案三三 硬件設(shè)計(jì)（一）總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)圖如下：本次設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。整個設(shè)計(jì)可分為如上圖所示的五個模塊部分，速度控制模塊單片機(jī)AT89C52測 速模 塊特色鍵盤與顯示模塊光電傳感器測線模塊下面分別介紹每個模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容。（二）電機(jī)調(diào)速模塊的設(shè)計(jì)、1.直流調(diào)速介紹直流電動機(jī)具有良好的起，制動性能，宜于在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)，礦井卷揚(yáng)機(jī)，挖掘機(jī)，海洋鉆機(jī)，金屬切割機(jī)床，造紙機(jī)，高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖東控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，他又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以還是比較實(shí)用的技術(shù)手段。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)由調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速（更本質(zhì)的說，是控制點(diǎn)機(jī)的轉(zhuǎn)距）來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。n=（U-IR）/K eΦ （3.1）式中 n——轉(zhuǎn)速，單位 r/min；U——電樞電壓，單位 V；I——電樞電流，單位 A；R——電樞回路總電阻，單位 Ω；Φ——勵磁磁通，單位 Wb；Ke——由電動結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。由公式 3.1 可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。（1） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2） 減弱勵磁磁通 Φ；（3） 改變電樞回路電阻 R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基礎(chǔ)速度（即電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。以位移或轉(zhuǎn)角為被調(diào)量的系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng)，一般在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加位置控制環(huán)就能實(shí)現(xiàn)。2.直流調(diào)速方法在直流調(diào)速系統(tǒng)中主要采用變電調(diào)速。便電壓調(diào)速時直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種形式：（1） 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 ——用交流電動機(jī)和支流電動機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào) 的直流電壓。（2） 靜止可控整流器 ——用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。（3） 直流斬波器和脈沖寬度調(diào)制變換器——用恒定的直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓，從而獲得需要的直流電壓。下面分別對各種可控直流電源以及由他供電的直流調(diào)速系統(tǒng)做概括性的介紹。（1） 、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組由變流電動機(jī)（異步電動機(jī)或同步電動機(jī)）拖動直流發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的勵磁電流即可改變其輸出電壓！從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱 G-M 系統(tǒng)，在國際上通稱Ward-Leonard 系統(tǒng)。為了供給直流發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的勵磁，通常專門設(shè)置一臺直流勵磁發(fā)電機(jī)，可裝在變流機(jī)組同軸上，也可另外單用一臺交流電動機(jī)拖動。對系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時，勵磁電流可直接由勵磁電源供電，要求較高的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般都應(yīng)通過放大裝置進(jìn)行控制。G-M 系統(tǒng)的放大裝置多采用電機(jī)型放大器（如交磁放大機(jī)）和磁放大器，需要進(jìn)一步提高放大系數(shù)時還可增設(shè)電子放大器作為前級放大。如果改變勵磁電流的方向，則輸出電壓的極性和轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)向都跟著改變，所以 G-M 系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。分析變流機(jī)組供電時電動機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性知，無論正轉(zhuǎn)減速還是反轉(zhuǎn)減速時都能夠?qū)崿F(xiàn)反饋制動，因此G-M 系統(tǒng)是可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運(yùn)行的系統(tǒng)。機(jī)組供電的支流調(diào)速系統(tǒng)在 50 年代曾廣泛地使用著，至今在尚未進(jìn)行設(shè)備更新的地方仍沿用這種系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝須打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，在 50 年代開始采用汞弧整流器（大容量時）和閘流管（小容量時）這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。到了 60 年代有讓位給更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器。（2） 、靜止可控整流器如上所述，離子拖動系統(tǒng)是最早應(yīng)用的靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還縮短了響應(yīng)時間，但汞弧整流器造價較高，維護(hù)麻煩，特別是水銀，如果泄露，將會污染環(huán)境，危害人體健康。1957 年，晶閘管（俗稱可控硅整流元件，簡稱“可控硅” ）問世，到了 60 年代，已經(jīng)生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管時代。到今天，晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱 V-M 系統(tǒng)，又稱靜止 Ward-Leonard 系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。晶閘管可控整流器（V ）可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置（GT）的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。由圖 3.2 可見，晶閘管可控整流器餓功率放大倍數(shù)在 10000 以上，其門極電流可以直接用晶體三級管來控制，不再像支流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流機(jī)組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將會大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。圖 3.2 各種變流裝備技術(shù)性能的比較晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。由半控整流電路構(gòu)成 V-M 系統(tǒng)只允許單象限運(yùn)行（如圖 3.3a）全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電動機(jī)工作在反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，因此能夠獲得第二象限運(yùn)行（如圖 3.3b） 。必須實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行時（如圖 3.3c） ，只好采用正，反兩組全控整流電路，所用交流設(shè)備要增多一倍，這樣 V-M 可逆調(diào)速系統(tǒng)比較常用。圖 3.3 V-M 系統(tǒng)的運(yùn)行范圍A）單象限運(yùn)行 b）二象限運(yùn)行 c）四象限運(yùn)行晶閘管的另一個缺點(diǎn)是，元件對過電壓、過電流以及過高的 du/dt 和 di/dt 都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時間內(nèi)損壞元件，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應(yīng)留有足夠的余量。只要元件質(zhì)量過關(guān)、裝置設(shè)計(jì)合理、保護(hù)設(shè)施齊備，晶閘管裝置的運(yùn)行就十分可靠，如果不是這樣，就可能常出事故，給維護(hù)運(yùn)行帶來不少麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處在深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運(yùn)行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，秧及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管調(diào)速的設(shè)備在電網(wǎng)中所占的容量比重較大，就會造成所謂的“電力公害” 。在這種情況下，必須增設(shè)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。（3） 、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常常采用直流串勵或復(fù)勵電動機(jī)，由恒壓直流電源供電。過去多用切換電阻來控制電車的起動、制動和調(diào)速，電能在電阻中損耗很大。晶閘管也可用來控制直流電壓，這就是直流斬波器，或稱直流調(diào)壓器。采用晶閘管的直流斬波器基本原理示于圖 3.4a。與整流電路不同的是，在這里晶閘管 VT 不是受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng) VT 被觸發(fā)導(dǎo)通時，Us 加到電動機(jī)上，當(dāng) VT 截斷時，直流電源與電動機(jī)短開，電動機(jī)經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，的電樞端電壓波形 u=f（t）如圖 3.4b 所示，好像是電源電壓Us 在一段時間（T-ton）內(nèi)被斬斷后形成的。這樣，電動機(jī)得到的平均電壓為：Ud=TonUs/T式中 T——晶閘管的開關(guān)周期；Ton——VT 的開通時間；P——占空比；f——開關(guān)頻率。晶閘管一旦導(dǎo)通，就不能再用門極觸發(fā)信號來使它關(guān)斷，若要關(guān)斷，必須在陽、陰極間施加反壓，這就需要一種附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路。受到晶閘管關(guān)斷時間的限制，由普通晶閘管構(gòu)成的斬波器的開關(guān)頻率只能是 100~200Hz。為了縮小裝置的體積，可以逆導(dǎo)通晶閘管代替普通晶閘管和反向二極管，同時開關(guān)頻率也可適當(dāng)提高。 圖 3.4 斬波器—電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖a）原理圖 b）電壓波形圖強(qiáng)迫關(guān)斷電源直流斬波器的平均 Ud 可以通過改變主晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間來調(diào)節(jié)。如下：1.脈沖寬度調(diào)節(jié)，簡稱 PWM——脈沖周期不變，只改變主晶閘管的導(dǎo)通時 間，即改變脈沖的寬度。2.脈沖頻率調(diào)制，簡稱 PFM——導(dǎo)通時間不變，只改變開關(guān)頻率或開關(guān)周期，也就是只改變晶閘管關(guān)閉時間。 3.兩點(diǎn)式控制——當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時，使 VT 觸發(fā)導(dǎo)通 ； 當(dāng)電流或電壓達(dá)到某一最大值時，使 VT 關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時間都是不確定的。由普通晶閘管或逆導(dǎo)晶閘管構(gòu)成的斬波器開關(guān)頻率不高，因而輸出脈沖電流較大，調(diào)速范圍有限。此外，附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路也增加了裝置的體積和復(fù)雜性。為了適應(yīng)大功率開關(guān)電路的要求，自 70 年代以來研制了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶閘管、電力場效應(yīng)管等等。全控式器件的關(guān)斷時間短，因而由它們構(gòu)成的斬波器其工作頻率可以提高到 1~4HZ甚至打倒 20KHZ。采用全控器件實(shí)行開關(guān)控制時，多用脈沖寬度調(diào)制 的控制方式，形成近年來應(yīng)用日益廣泛的 PWM 裝置 -電動機(jī)系統(tǒng)，簡稱 PWM 調(diào)制系統(tǒng)或脈寬調(diào)素系統(tǒng)。 與 V-M 系統(tǒng)相比，PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：1.由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用可能就足以獲得脈沖很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬。又由于電流波形比 V-M 系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都很少。2.同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，十分不容易受到干擾。3.由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。受到器件容量的限制，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)目前只用于中、小功率的系統(tǒng)。 3.PWM 調(diào)速簡單介紹本設(shè)計(jì)參考脈寬調(diào)制式變換器（PWM）的相應(yīng)方法對直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)制變換器就是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器。直流斬波器最早是用在直流供電的電動車輛和機(jī)車中，取代變阻調(diào)速，從而獲得顯著的節(jié)能效果。由于器件容量的限制，目前直流 PWM 調(diào)速還只限于中、小功率的系統(tǒng)。PWM 變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。本設(shè)計(jì)采用單極式可逆 PWM 變換器。采用 PWM 調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡單，須用的功率元件少，開關(guān)頻率高，諧波少，電機(jī)損耗小，低速性能好，調(diào)速范圍寬，快速響應(yīng)好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)控制。工作原理簡介：雙極式可逆 PWM 變換器的主電路如下圖（圖 3.5）所示：圖 3.5 PWM 變換器電路圖它是由四個晶體管 T1、T2、T3、T4 及四個二極管 D1、D2 、D3、D4 組成橋式電路。V1 和 V4 為一組，V2 和 V3 為一組。同一組的兩個晶體管同時導(dǎo)通，同時關(guān)閉，兩組晶體管之間是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷的。這種電路可以工作在四種模態(tài)。實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的可逆運(yùn)行，由正、負(fù)驅(qū)動電壓的脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時，tm 〉T /2，電樞兩端的電壓為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時，t m〈T/2，電樞兩端平均電壓為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)正、負(fù)脈沖寬度相等時，t m=T/2，平均電壓為零，電動機(jī)停止。可逆 PWM 變換器電樞平均端電壓用公式表示為：Ud=ton U S /T – （ T –ton U S ）/ T=（2 t on/T–1）U S 若以 ρ=Ud/Us來定義 PWM 電壓的占空比，則：ρ=2 ton /T –1可見改變 ρ（-1〈ρ〈1）即可調(diào)速。ρ 為正值，電動機(jī)正轉(zhuǎn)， ρ為負(fù)值，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。ρ 為零時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，但電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電樞電流都不為零，而是交變的，它增加了電動機(jī)的損耗，同時也使電動機(jī)產(chǎn)生高頻的微振，后者可以消除正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起到“動力潤滑”的作用。單極式變換器與雙極式變換器有所不同，它是電力晶體管 T3，T4 二者之中總有一個導(dǎo)通，一個截止，運(yùn)行中無須頻繁交替導(dǎo)通，因此和雙極式變換器相比開關(guān)損耗可以減少，裝置的可靠性有所提高。具體差異如下表（表 3.1）所示：因此，小功率直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法是：先將電動機(jī)啟動一段時間，然后切斷電源，由于電動機(jī)具有慣性所以將繼續(xù)轉(zhuǎn)動一段時間；在電動機(jī)尚未停止轉(zhuǎn)動單極式 反轉(zhuǎn)T3 導(dǎo)通，D1 續(xù)流，T2，T4 截止0 T2，T3 導(dǎo)通T1，T4 截止 －US-1≤ρ≤0控制方式雙極式單極式電機(jī)轉(zhuǎn)向正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)0≤t〈t on開關(guān)狀況UABD1，D4 續(xù)流T2，T3 截止T1，T4 導(dǎo)通T2，T4 截止T1，T4 導(dǎo)通T2，T3 截止+US+US+USton ≤t 〈TT1，T4 截止D2，D3 導(dǎo)通T1，T4 截止T2，T3 導(dǎo)通T4 導(dǎo)通，D2續(xù)流T1，T3 截止T2 不通UAB－US－US0開關(guān)狀況占空比調(diào)節(jié)范圍-1≤ρ≤1-1≤ρ≤00≤ρ≤1之前再次接通電源，于是電動機(jī)再次加速。因此，系統(tǒng)要求電動機(jī)可以反轉(zhuǎn)，而且系統(tǒng)的頻率響應(yīng)較好，這樣只要控制他的導(dǎo)通和截止的時間比，就可以控制電動機(jī)正向和反向速度。考慮到本次設(shè)計(jì)題目的要求并 PWM 變換器的調(diào)速方法，本次設(shè)計(jì)采用類似的調(diào)速方法。為了編程簡單并且考慮到實(shí)際的汽車操作者的控制狀態(tài)，本次設(shè)計(jì)取消了通過占空比調(diào)速的復(fù)雜方法，取而代之的是通過設(shè)定幾個調(diào)速檔的方法改變小車的速度，并且參考 PWM 的正反轉(zhuǎn)功能設(shè)計(jì)了小車的正反轉(zhuǎn)功能控制器，不但有實(shí)際汽車的類似的控制感覺，而且有硬件搭建簡單，軟件容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，更重要的是它能夠完全的符合題目設(shè)計(jì)的要求。本次設(shè)計(jì)為了達(dá)到快速變速以及快速停車的功能，速度控制中加入了快速反轉(zhuǎn)制動環(huán)節(jié)，可以把變速時間控制在 0.15 秒以內(nèi)。 直流電動機(jī)的制動方法有：能耗制動，回饋制動，反接制動等。能耗制動主要通過串聯(lián)電樞電路內(nèi)的電阻消耗由電機(jī)轉(zhuǎn)動的動能轉(zhuǎn)化的電能來實(shí)現(xiàn)的，所以稱之為能耗制動。回饋制動可能出現(xiàn)位能負(fù)載拖動電動機(jī)和他勵電動機(jī)改變電樞電壓調(diào)速兩種情況，為了獲得位能負(fù)載下較低的穩(wěn)定下放速度，一般在回饋制動時，將電樞內(nèi)串聯(lián)的 R 切除。在回饋制動過程中，有 UI 回饋電網(wǎng)。因此與能耗制動及反接制動相比，從電能消耗來看，回饋制動是比較經(jīng)濟(jì)的。反接制動可以用轉(zhuǎn)速反向（用于位能負(fù)載）和電樞反接（用于反作用負(fù)載）兩種方法實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)采用的就是反接制動中的轉(zhuǎn)速反向方法。（三） 、測速模塊設(shè)計(jì)1.有關(guān)霍爾開關(guān)傳感器的說明集成化霍爾元件傳感器是一種新型的磁敏感器件，它集磁敏霍爾效應(yīng)片和集成電路為一體，具有靈敏可靠，體積小巧，無觸電，無磨損，使用壽命長，功效低以及不怕塵土，油污，濕熱等優(yōu)點(diǎn)。在自控裝置，家用電器和儀器儀表等電路中應(yīng)用這種傳感器，可簡化電路和提高可靠性。2.基本工作原理在這次設(shè)計(jì)中我采用的是 CS 系列 CS6839 開關(guān)型霍爾集成電路，如圖 3.8 所示。其中的敏感元件是霍爾電勢發(fā)生器，它是一片用 P 型硅材料作襯底，N 型硅材料為外延層的霍爾效應(yīng)片。當(dāng)霍爾效應(yīng)片垂直于磁通密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）為 B 的磁場中，并對其施加控制電流 I，使在垂直于電流 I 和磁場的方向上產(chǎn)生電動勢 E，即霍爾電勢。 霍爾電勢 E 與外加磁場 B 和控制電流 I 成正比，而與霍爾效應(yīng)片的厚度 d 成反比，即 E=KIB/d，式中 K 為霍爾系數(shù)，是一個與霍爾效應(yīng)片材料有關(guān)的常數(shù)。對工作電壓穩(wěn)定的霍爾傳感器來講，其產(chǎn)生的霍爾電勢基本上與材料有關(guān)，且兩者為線性正比關(guān)系?；魻栃?yīng)片產(chǎn)生的電勢由差分放大器進(jìn)行放大，隨后送往施密特觸發(fā)器。當(dāng)外加磁場的 B 小于霍爾器件的磁場工作點(diǎn) Bop（0.075T ）時，差動放大器的電壓不足以開啟施密特觸發(fā)器，故而驅(qū)動管 BG 截止，霍爾器件處于關(guān)態(tài)。外加磁場的 B 等于或大于 Bop 時，差分放大器的輸出電壓也達(dá)到或大于施密特觸發(fā)器的開啟電壓值，于是 BG 導(dǎo)通，霍爾器件處于開態(tài)。此時若外加電場逐漸減弱，霍爾器件并不立即進(jìn)入關(guān)態(tài)，而是逐漸至磁場釋放點(diǎn) Brp，使差分放大器的輸出電壓降到施密特觸發(fā)器的關(guān)閉值，至此，GB 才由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止。霍爾器件的磁場工作 Bop 和 Brp 之差 B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度的回差（磁滯）寬度。Bop 和 △B 是霍爾器件的兩個重要參數(shù)。Bop 越小，器件的靈敏度越高；△B 愈大，則器件的抗干擾性能愈好。霍爾器件所具備的回差特性使它的抗干擾性能明顯提高外來雜散干擾磁場不易使其產(chǎn)生誤動作；同時器件的輸出信號已經(jīng)有施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，因此可直接去驅(qū)動對波形前后沿要求較高的電路，這樣便能大大簡化整個裝置中有關(guān)部分的電路結(jié)構(gòu)。注：上圖 1、2、3 引腳分別接+9v 電源、單片機(jī)中斷 1 和地線。3.應(yīng)用電路霍爾器件主要作為無觸電開關(guān)檢測元件使用，例如用作行程開關(guān)，接近開關(guān)，限位開關(guān)，汽車點(diǎn)火器，溫度開關(guān)，壓力開關(guān)，無刷電動機(jī)觸電抖動現(xiàn)象，其開關(guān)可靠性比單簧管和電磁繼電器等普通元件要高，還適合在特殊或惡劣條件下工作?；魻柶骷c后級電路很容易接口，只要保證電壓級負(fù)載電流不超過器件的允許范圍，它就能安全地直接與各種器件接口。下圖（圖 3.9）示出了 CS6839 在本系統(tǒng)中的應(yīng)用原理圖。H放大施密特觸發(fā)器 輸出圖 3.9 CS6839 原理圖使用時，在小汽車的電機(jī)軸上貼幾個磁鋼，將開關(guān)型霍爾傳感器檢測電路固定在相應(yīng)的位置上，能夠使磁鋼在后輪旋轉(zhuǎn)的過程中與傳感器做切割運(yùn)動。這樣，后輪旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器輸出一個脈沖觸發(fā)中斷，單片機(jī)計(jì)算后輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來計(jì)算行駛的距離。（四） 、檢測模塊設(shè)計(jì)1.光敏二極管的簡單介紹光敏二極管與普通半導(dǎo)體二極管的主要區(qū)別在與 PN 結(jié)面積較大，距表面較淺，上電極較小，利于接受關(guān)照射以提高光電轉(zhuǎn)換效率。它的工作機(jī)理是光生電勢效應(yīng)，即當(dāng)受光照射時半導(dǎo)體本征載流子濃度增加，本征載流子在 P 和 N 區(qū)均為少數(shù)載流子，在 PN 結(jié)勢壘作用下，分別向?qū)Ψ絽^(qū)域漂移，此時若將兩端短路，便構(gòu)成短路光電流；若兩端開路或接負(fù)載，則輸出光生電動勢；若外加電場則反向飽和電流增加。2.本次設(shè)計(jì)的檢測電路（圖 3.10）為了檢測跑道上黑線標(biāo)志的限制速度區(qū)域以及停車標(biāo)志線，以控制自動小汽車HSN完成規(guī)定動作。本次設(shè)計(jì)采用由發(fā)光二極管、光敏二極管組成的光電耦合器加驅(qū)動電路組成的跑道標(biāo)志檢測電路。如下圖 3.10 所示，電路輸出端與單片機(jī)中中斷引腳相連，當(dāng)小車在白紙上運(yùn)行時，輸出高電平，遇黑條，輸出低電平脈沖作為中斷記數(shù)判斷用。圖 3.10 跑道標(biāo)志檢測電路（五） 、顯示模塊設(shè)計(jì)1.LED 動態(tài)顯示方式簡介在多位 LED 顯示時，為了簡化電路，減低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個 8 位 I/O 控制，而共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由相應(yīng)的 I/O 口線控制，這就構(gòu)成了一個動態(tài)顯示器。8 位 LED 動態(tài)顯示電路中只需要兩個 8 位 I/O 口。其中一個控制段選碼另一個控制位選。由于所有位的段選碼皆有一個 I/O 口控制，因此，在每個瞬間，8 位LED 只可能顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方法。即在每一個瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。在此瞬間段選控制 I/O 口輸出相應(yīng)字符段選碼，位選控制 I/O 口在該顯示位送入選通電平（共陰極送低電平，共陽極送高電平）以保證該位顯示相應(yīng)字符。并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果。不斷循環(huán)送出相應(yīng)的段選碼、位選碼，就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。LED 顯示塊是由發(fā)光二極管字段的顯示器件。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的七段 LED。這種顯示塊有共陰極與共陽極兩種，共陰極 LED 顯示塊的發(fā)光二極管陰極接地，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共 LED 顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接。本設(shè)計(jì)采用的是共陽極的接法。圖 3.11 七段 LED 顯示塊通常的七段 LED 顯示塊中有八個發(fā)光二極管，所以也有人叫八段顯示器。其中七個發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字型“8” ，一個發(fā)光二極管構(gòu)成“.”七段顯示塊與單片機(jī)接口非常容易。只要將一個 8 位并行口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8 位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符，通常控制發(fā)光二極管的 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。在單片機(jī)中應(yīng)用系統(tǒng)中使用 LED 顯示塊構(gòu)成 N 位 LED 顯示器。N 位顯示器的構(gòu)成原理為并連方式，N 位 LED 顯示器有 N 根選線和 8*N 根段選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線與段選線的連接方式不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮，暗。LED 顯示器有靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種方式，本設(shè)計(jì)采用的是靜態(tài)顯示方式LED 顯示器工作在靜態(tài)顯示方式下，共陽極或共陰極連接在一起接地或+5V；每位的段選線（a—dp）與一個 8 位并行口相連。并且每一位可獨(dú)立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。由于每一位由一個 8位輸出口控制段選碼，所以在同一時間里每一位顯示的字符可以各不相同。2.本次設(shè)計(jì)采用的顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，由于單片機(jī)本身有較強(qiáng)的邏輯控制能力，采用軟件譯碼并不復(fù)雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯可隨意編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯限制。采用軟件譯碼還能簡化硬件電路結(jié)構(gòu)。因此，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，使用的最廣的還是軟件譯碼的顯示器接口。本次設(shè)計(jì)采用的就是軟件譯碼的動態(tài)顯示接口電路。由 AT89C52 通過 8155 擴(kuò)展 I/O 控制 8 位 LED 顯示。這里只需要 8155 提供兩個 8 位輸出口即可。由 PB 口輸出段選碼，PA 口輸出位選碼。位選碼占用的輸出口線數(shù)決定于顯示器位數(shù)。BIC-8718 為 8 為集成驅(qū)動芯片。本設(shè)計(jì)中的八位數(shù)碼管，前四位數(shù)碼管顯示的數(shù)值表示小車運(yùn)行時間，顯示的范圍為 0s~59min59s；后四位數(shù)碼管的數(shù)值表示小車經(jīng)過的里程數(shù)，顯示范圍是1~9999m。（六） 、鍵盤設(shè)計(jì)本系統(tǒng)只設(shè)有一個按鍵，即開始鍵：主程序上電復(fù)位后，按開始鍵，小車按指定程序運(yùn)行。（七） 、電源設(shè)計(jì)在小汽車運(yùn)動時，單片機(jī)也要隨之運(yùn)行，所以要有一個供單片機(jī)工作的+5V 電源，本設(shè)計(jì)采用了+9V 電源進(jìn)行供電，其中一部分 9V 電源供小汽車行駛使用，+5V電源由+9V 經(jīng)過 7805 穩(wěn)壓管得到供單片機(jī)使用。四、 軟件設(shè)計(jì)（一） 、系統(tǒng)內(nèi)存資源的分配：20H~25H 內(nèi)存單元作為里程計(jì)數(shù)用（23H 為跑道條數(shù)存放單元） ，采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)值為 9999m。70H~73H 為時間計(jì)數(shù)單元，采用十進(jìn)制 BCD 碼計(jì)數(shù)，最大記錄時間為 59min59s。顯示數(shù)據(jù)在 70H~77H 單元中，七種 4H~77H 單元內(nèi)為里程顯示數(shù)據(jù)。為了標(biāo)志是終點(diǎn)停車還是起點(diǎn)停車，用位地址 30H（即 35H.0 位）的位值作為判斷標(biāo)志。（二） 、初始化子程序設(shè)計(jì)：主要完成 70H~77H、20H~25H 等單元的清零工作，設(shè)置 T1 為 16 位定時模式開放 T1、外中斷 0、外中斷 1 的中斷等。（三） 、主程序的設(shè)計(jì)：主程序主要完成初始化調(diào)用：檢測開始鍵開始運(yùn)行程序；設(shè)定小汽車的初始運(yùn)行狀態(tài)，最后循環(huán)調(diào)用顯示程序，其程序流程圖如下圖 4.1 所示：開始初始化置快車狀態(tài)打開電機(jī)電源置前進(jìn)狀態(tài)調(diào)用顯示程序圖 4.1 主程序流程圖（四） 、延時子程序設(shè)計(jì)：延時程序均采用調(diào)用顯示子程序的方法，以改善 LED 顯示的效果。（五） 、車子慢速行駛子程序設(shè)計(jì)慢車子程序執(zhí)行時，先對電機(jī)進(jìn)行反向驅(qū)動約 150ms，使其剎車，然后改供低電壓，使電機(jī)慢速轉(zhuǎn)動。（六） 、停車子程序設(shè)計(jì)當(dāng)執(zhí)行停車時，先對黑線道計(jì)數(shù)器單元 3H 清零，在反向驅(qū)動剎車后關(guān)電機(jī)電源，然后延時 10s，對 30 H 位取反，以判斷是中途停車還是起點(diǎn)停車。若是起點(diǎn)停車，計(jì)時單元清零。最后，設(shè)小車為初始運(yùn)行狀態(tài)。（七） 、里程計(jì)數(shù)處理子程序設(shè)計(jì)（外中斷 1 服務(wù)程序）里程計(jì)數(shù)器采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)值為 9999m。當(dāng)退出時，將計(jì)數(shù)器移入 74H~77H 顯示數(shù)據(jù)存儲單元。（八） 、外終端服務(wù)子程序設(shè)計(jì)它的任務(wù)是根據(jù)小車到達(dá)黑線的位置控制小車的運(yùn)行狀態(tài)，其程序流程圖如下圖 4.2 所示：中斷 0 開始關(guān)中斷跑道數(shù)加 1延時 7ms開中斷，中斷返回第 3 條？第 6 條？第 4 條？第 5 條？停止慢車快車慢車圖 4.2 ZNTO 小車狀態(tài)控制流程圖（九） 、計(jì)時子程序設(shè)計(jì)：T1 用于時間計(jì)時，定時溢出中斷周期設(shè)為 50ms，中斷累計(jì) 20 次（即1s）時對秒計(jì)數(shù)單元進(jìn)行加 1 操作。時間計(jì)數(shù)單元地址分別微 70H~71H（s） 、72H~73H（min ） 。在計(jì)數(shù)單元中采用十進(jìn)制 BCD 碼計(jì)數(shù)，滿 60 進(jìn)位。T1 中斷服務(wù)程序流程圖如下圖 4.3 所示：T1 中斷保護(hù)現(xiàn)場1s 到？秒單元加 160s？秒單元清零，分加 160min？分單元清零恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回圖 4.3 T1 中斷服務(wù)子程序框圖（十） 、動態(tài)顯示程序設(shè)計(jì)程序?qū)⒁@示的 8 位數(shù)據(jù)以分離 BCD 碼的形式放在 780H~77H 內(nèi)存單元中（70H~73H 為時間數(shù)據(jù)，74H~77H 為里程數(shù)據(jù)） ，用動態(tài)掃描的方式依次顯示每個數(shù)據(jù)。其程序框圖如下圖 4.4 所示：開始8155 初始化動態(tài)顯示初始化送掃描字到 PA 口查段選表段選碼送 PB 口顯示延時 1ms指向下一個顯示數(shù)據(jù)8 位顯示完？顯示下一位結(jié)束圖 4.4 動態(tài)顯示程序框圖五、 結(jié)果分析按題目要求小車的理想速度曲線，如下圖 5.1 所示：圖 5.1 小車?yán)硐胨俣惹€（一） 、低速區(qū)行駛時間計(jì)算設(shè)計(jì)一項(xiàng)參數(shù)要求在低速區(qū)（2m）內(nèi)小車行駛超過 8s，下面計(jì)算本次設(shè)計(jì)的小車的完成程度： 根據(jù)轉(zhuǎn)速特性方程： n=n0-βIn；In=Ua/Ra；可知轉(zhuǎn)速 n 和電動機(jī)兩端電壓成線形比例關(guān)系，則：n= n 0*Ua/Un以本次設(shè)計(jì)小車電機(jī)為例，Un=9V，n 0=100r/min，低速行駛時電機(jī)電壓Ua=4.3V，所以計(jì)算如下：N= n0*Ua/Un=100*4.3/9=47.7778≈48（r/min）又小車的驅(qū)動輪大約周長 20cm=0.2m，則小車低速行駛速度為：VLOW=0.2*48/60=0.16（m/s）所以小車在低速區(qū)行駛時間為：t1=2/0.16=12.5s 〉8s（要求參數(shù)）考慮到小車當(dāng)探測到低速區(qū)標(biāo)志線并已經(jīng)行駛進(jìn)低速區(qū)才開始減速， （有小車探測到 D 線開始反轉(zhuǎn)減速，減速時間約為 0.15s）所以誤差如下：Sa≈0.15*0.28（小車高速行使速度）=0.042m〈0.05m所以這個誤差并不影響參數(shù)達(dá)標(biāo)。（二） 、小車停車距停車線誤差計(jì)算：小車停車時間約為 0.15s，并且以低速行駛，所以停車誤差距離為：Sa≈0.15*0.16=0.024m〈0.05m（三） 、終點(diǎn)停車 10s 的軟件延時誤差：由于終點(diǎn)停車采用軟件延時，而由本次設(shè)計(jì)的 10s 延時程序的相應(yīng)指令周期疊加可知：t≈9.956s，所以絕對誤差為 0.044s,相對誤差 :0.44%。綜上，本次設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的誤差均在誤差要求范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)內(nèi)容基本符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求，設(shè)計(jì)方案可以達(dá)到預(yù)期效果。六、 總結(jié)這次《工業(yè)自動小車的位置檢測及其控制》的畢業(yè)設(shè)計(jì)我在指導(dǎo)老師的認(rèn)真指導(dǎo)下，運(yùn)用大四所學(xué)的自動化，測控技術(shù)的相關(guān)知識，配合查找的大量相關(guān)資料，順利的完成了設(shè)計(jì)題目的基本要求，并且從中穴道了很多有益的知識。但是，由于本人還處在學(xué)習(xí)階段，設(shè)計(jì)也是剛剛起步，所以本次設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)一些錯誤。希望各位老師同學(xué)能給我指出，我一定虛心接受并認(rèn)真改正。本次設(shè)計(jì)題目要求也比較簡單，主要用來培養(yǎng)我們學(xué)生的設(shè)計(jì)思想，和相關(guān)技能，如果要將它改進(jìn)為一門技術(shù)并在實(shí)際中應(yīng)用的話，我認(rèn)為至少還需要改進(jìn)以下幾點(diǎn)：（一）本次設(shè)計(jì)應(yīng)用的定位傳感器精度不高，并且容易受到外界尤其是強(qiáng)光影響；建議在實(shí)際應(yīng)用中采用更合適的傳感器；（二）本次設(shè)計(jì)的速度控制只是為了完成設(shè)計(jì)要求簡單設(shè)定了高、低兩個檔；實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該改進(jìn)為根據(jù)不同區(qū)域需要能夠自動調(diào)節(jié)并且穩(wěn)定在所有需要的速度上的速度控制系統(tǒng)；（三）本次設(shè)計(jì)的小車沒有在加減速時的自動聲光報警信號，改進(jìn)中應(yīng)適當(dāng)加上；（四）本次設(shè)計(jì)小車只能直線運(yùn)動，應(yīng)該在改進(jìn)中增加轉(zhuǎn)彎功能，以適應(yīng)多變的環(huán)境的需要?？傊€有許多的方面的改進(jìn)，以至可以把之中的某項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過改進(jìn)處理，應(yīng)用到實(shí)際的汽車自動控制工業(yè)中去，以達(dá)到理論指導(dǎo)時間，實(shí)踐應(yīng)用到生產(chǎn)的最終目標(biāo)！主要參考文獻(xiàn)1. 張逸剛，彭喜元 《新編 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