电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现 精品.docx

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电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现精品

编号

2013180123

研究类型

应用研究

分类号

TP27

学士学位论文（设计）

Bachelor’sThesis

论文题目

电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现

学士学位论文（设计）诚信承诺书

中文题目：

电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现

外文题目：

TheDesignandImplementationofDetectionSensorandElectromagneticTrackPowerSupply

学生姓名

学生学号

院系专业

机电与控制工程学院

电气工程及其自动化

学生班级

0901班

学生承诺

我承诺在学士学位论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，本人学士学位论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的情况。

如有违规行为，我愿承担一切责任，接受学校的处理。

学生（签名）：

年月日

指导教师承诺

我承诺在指导学生学士学位论文（设计）活动中遵守学校有关规定，恪守学术道德规范，经过本人核查，该生学士学位论文（设计）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，不存在剽窃、抄袭他人学术成果，伪造、篡改实验数据的现象。

指导教师（签名）：

年月日

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现

童咏华（指导老师，胡长晖讲师）

（湖北师范学院机电与控制工程学院中国黄石435002）

摘要:

本文介绍了电磁赛道电源的制作基本原理，制作前用ISIS7Professional进行仿真测试，制作设计出稳定提供20KHz100mA的交变电流的电源，实物焊接完成以后进行电流以及频率测试。

检测传感器也同如上步骤设计制作。

编写信号处理软件来测试赛道电源以及电磁检测。

测试表明，本智能车行驶在复杂多变的赛道上，具有较好的稳定性和适应性。

关键词:

电磁赛道电源；电磁传感器；信号处理程序；测试

中图分类号:

TP27

TheDesignandImplementationofDetectionSensorand

ElectromagneticTrackPowerSupply

TongYonghua（Tutor：

HuChanghui）

（CollegeofMecharonicsandControlEngineering,HubeiNormalUniversity,Huangshi,China,435002）

Abstract:

Thispaperintroducesthebasicprincipleofelectromagneticcircuitpowersupplyproduction,beforetheproductionwithISIS7Professionalsimulationtest,andproductiondesignprovidesstable20KHZ100maofalternatingcurrentpowersource,physicaltestingafterthecompletionoftheweldingcurrentandfrequency.Detectionsensorissameasabovestepstodesignandproduction.Writethesignalprocessingsoftwaretotestthecircuitpowersupplyandelectromagneticdetection.Testshowsthattheintelligentcardrivingincomplexonthetrack,hasgoodstabilityandadaptability.

Keywords:

Electromagneticcircuitpowersupply；Electromagneticsensors；

Thesignalprocessingprogram；Thetest

电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现

童咏华（指导老师，胡长晖讲师）

（湖北师范学院机电与控制工程学院中国黄石435002）

1.引言

车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式，让车模以两个后轮驱动进行直立行走。

近年来，两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到了很大的发展。

国内外有很多这方面的研究，也有相应的产品。

在电磁组比赛中，利用了原来C型车模双后轮驱动的特点，实现两轮自平衡行走。

相对于传统的四轮行走的车模竞赛模式，车模直立行走在硬件设计、控制软件开发以及现场调试等方面提出了更高的要求。

为了能够帮助参赛学生尽快制作车模参加比赛，竞赛秘书处编写了C型车模直立行走的参考设计方案。

参赛队员可以在此基础上，进一步改进硬件和软件方案，提高竞赛水平。

本文主要是关于电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现，第七届电磁智能车改成直立行走，难度加大，为了使小车能够较准确的采集方向信息实现快速可靠的调整方向，赛道电源和检测传感器都应该做到识别误差最小，为此需要设计可靠的赛道电源使其产生幅值以及频率可调的电流信号由电磁传感器检测出来并通过放大电路进行放大再将放大的交流信号变为直流信号送给单片机检测，由此得出小车正确的转向以及转度的大小。

2.选题背景

2.1选题的必要性

为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，受教育部高等教育司委托，由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办全国大学生智能汽车竞赛。

该竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。

该竞赛以“立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越”为指导思想，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。

2.2国内外发展研究现状及分析

清华大学汽车研究所是国内最早成立的主要从事智能汽车及智能交通研究单位之一，在汽车导航，主动避撞，车载微机等方面进行了广泛而深入的研究1992年，国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。

由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统，被安装在一辆国产的中型面包车上，使该车既保持了原有的人工驾驶性能，又能够用计算机控制进行自动驾驶行车。

2000年6月，国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km，创下国内最高纪录。

2003年7月，国防科技大学和中国一汽联合研发的红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速13Okm，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。

上海市“智能汽车车内自主导航系统的一种样车，2000年7月19日通过市科委鉴定，它标志着上海智能交通系统进入实质性实施阶段。

国防科大成功试验了第四代无人驾驶汽车，它的最高时速达到75.6公里，创国内最高纪录。

西北工业大学空管所，吉林交通大学，重庆大学等都在展开相关研究。

这一新兴学科吸引着越来越多的研究机构，学者加入到智能车相关技术开发中。

国内也有很多大学生智能车竞赛，将智能车的研究更加普及，带动了国内高校自动化，电子等相关专业的教学改革和发展。

如“飞思卡尔”全国大学生智能汽车竞赛和“瑞萨杯”全国大学生智能汽车竞赛。

“飞思卡尔”已经举办了五届，“瑞萨杯”已经举办三届。

这两项比赛参加的学校和人数都是一年比一年多，大大的促进了智能车的理念的普及，也加强大学生实践、创新能力和团队精神培养。

3.系统基础理论

3.1电磁流产生磁场原理

根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场

。

智能汽车竞赛使用路径导航的交流电流频率为20kHz，产生的电磁波属于甚低频（VLF）电磁波。

甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为3kHz～30kHz，波长为100km～10km。

如图3.1所示：

图3.1电流周围的电磁场示意图

导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。

通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这正是我们进行电磁导航的目的。

由于赛道导航电线和小车尺寸L远远小于电磁波的波长λ，电磁场辐射能量很小（如果天线的长度L远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小。

为此，我们将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行位置检测。

由毕奥-萨伐尔定律知：

通有稳恒电流I长度为L的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r处P点的磁感应强度

如图3.2所示：

图3.2直线电流的磁场

由此得：

。

对于无限长直导线电流

如图3.3，上式中

，

，则有

。

图3.3无限长导线周围的磁场强度

比赛选择20kHz的交变磁场作为路径导航信号，在频谱上可以有效地避开周围其它磁场的干扰，因此信号放大需要进行选频放大，使得20kHz的信号能够有效的放大，并且去除其它干扰信号的影响。

可以使用LC串并联电路

来实现选频电路（带通电路），如图3.4所示

图3.4RLC并联谐振电路

上述电路中，E是感应线圈中的感应电动势，L是感应线圈的电感量，R0是电感的内阻，C是并联谐振电容。

上述电路谐振频率为：

。

已知感应电动势的频率

，感应线圈电感为L=10mH，可以计算出谐振电容的容量为：

通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为6.8nF，所以在实际电路中，我们选用6.8nF的电容作为谐振电容。

3.2恒流原理简单介绍

恒流部分也可以利用晶体管的在放大区集电极的恒流特性进行控制。

如图3.5所示为NPN晶体管和N沟道的MOS管的输出特性的恒流特点：

图3.5NPN晶体管和N沟道的MOS管输出特性曲线

利用PNP晶体管的恒流输出电流晶体管可使用大功率双极性晶体管，也可以使用功率MOS管。

从电流设定稳定性和恒流特性来看，使用功率双极性晶体管更好。

3.3MC9S12XS128的特点

MC9S12XS128微控制单元作为MC9S12系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成，包括16位中央处理器、128KB的Flash存储器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8通道10路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口、5个增强型CAN总线接口。

同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。

MC9S12XS128片内资源表如图3.6所示：

图3.6MC9S12XS128片内资源

在整个系统设计中，用到了6个单片机基本功能模块：

时钟模块、PWM输出模块、ECT模块、中断模块、串口通信模块以及普通IO模块。

根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。

3.4Codewarrior开发软件

软件开发工具采用Metrowerks公司开发的软件集成开发环境CodewarriorforHCS12

，其包括集成环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器，可以完成从源代码编辑、编译到调试的全部工作。

开发语言采用HCS12C语言，语法与标准C语言基本相同，支持多种数据类型，中断服务程序用中断函数形式来实现，并提供了内嵌汇编的功能。

另外，CodeWarrior编译器提供了几种从C源代码产生实际汇编代码的优化方法，这些代码被编程到微控制器中。

Codewarrior的功能非常强大，可用于绝大部分单片机、嵌入式系统的开发。

用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代码。

图3.7是Codewarrior的开发界面：

图3.7Codewarrior开发界面

利用BDM和CodewarriorIDE的调试界面，可以进行一系列的调试工作，如测量左右传感器电压值，陀螺仪电压值，以及加速度传感器电压值给静态调试工作提供了极大的方便。

3.5串口调试软件

串口调试助手，支持常用的300-115200bps波特率，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。

目前较为常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），通信距离较近时（<12m），可以用电缆线直接连接标准RS232端口（RS422,RS485较远），若距离较远，需附加调制解调（MODEM）。

最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连。

为了更好形象地反的数据，在串口发送中每发送完一行就添加一个回车符，这样得到的数据是每行的数据而不是连成一块的，如图3.8是串口界面图。

图3.8串口调试助手界面

3.6无线传输测试软件

由于小车是动态运行的，为了实现动态测试，采用了以NRF24L01

为核心的无线通信模块，来实现单片机和PC之间的无线通信，将智能车形式的动态信息传输到PC中进行处理，从而可以分析调整智能车的形式状态，是智能车能以最优的速度在复杂多变的赛道上稳定快速的形式。

如图3.9所示为智能车NRF24L01模块：

图3.9NRF24L01无线通信模块

MC9S12XS128将智能车运行数据通过SPI接口传输给NRF24L01无线发送模块，NRF24L01无线接收模块接收到数据后，将数据通过SPI接口传输给以8为单片机为主控制器数据接收端，8位单片机将数据通过串口将数据传输给PC机，整个过程如图3.10所示：

图3.10无线通信模块框图

3.7labview上位机软件

labview

软件可以实时的显示左右传感器的峰值，通过无线传输给labview显示，可以方便的了解小车在运行过程中左右传感器的变化情况。

从而来进行相应的调整。

我们编写的上位机界面如图3.11所示：

图3.11labview上位机界面

4.电磁信号处理与赛道电源设计

4.1电磁检测与放大电路

4.1.1电磁检测

采用10mh电感以及6.8nf电容构成选频电路如图4.1所示：

图4.1电磁检测电路

仿真时输入运放的电压峰峰值为300mv图形如图4.2所示：

图4.2输入信号（vpp=300mv）

使用10mh工字型电感并联6.8nf电容组成选频电路可以从许多频率中选出赛道电源产生的频率这样可以为小车沿着赛道正确行使提供保证。

4.1.2信号放大

增加有谐振电容之后，感应线圈两端输出感应20KHz电压信号不仅幅度增加了，而且其它干扰信号也非常小。

这样无论导线中的电流波形是否为正弦波，由于本身增加了谐振电容，所以除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉，只有基波20kHz信号能够发生谐振，输出总是20KHz正弦波。

为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1-5V左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）。

最简单的反向比例

运算电路如图4.3所示：

图4.3简单的反向比例运算电路

为了克服运放单电源供电的问题，我们在运放的同向输入端加入2.5v的电压这样运放的输出交流信号是以2.5v为基准，具体电路如图4.4所示：

图4.4采用的信号放大电路

LM358的内部频率补偿低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围直流电压增益高（约100dB）单位增益频带宽（约1MHz）电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）低功耗电流，适合于电池供电输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）

使用轨到轨运放lmv358，反向放大电路，通过调节滑动变阻器可以实现0~50倍的放大。

在此图中我们在同向输入端加入了2.5v的参考电压，此方法是交流信号放大，运放单电源供电的经典方法。

单位增益频带宽=输入频率*放大倍数。

此电路最大放大倍数等于1M/20K=50。

也就是最大可以实现50倍的放大。

运放放大后的波形输出如图4.5所示：

图4.5放大后输出（vpp=2.40v）

4.1.3检波输出电路

采用肖基特二极管IN5819以及电容电阻组成二倍压检波电路使得输出直流电压为输入交流电压成正比，这样做的目的是有利于单片机进行信号采集节省单片机的宝贵资源检波输出电路如图4.6所示：

图4.6二倍压检波输出

仿真时测量直流输出电压如图4.7所示：

图4.7直流输出电压（1.2v）

用示波器交流档测量纹波如图4.8所示：

图4.8测流检波输出纹波（22.5mv）

电磁传感器设计框图如图4.9所示：

图4.9电磁模块总图

4.2赛道电源硬件电路设计

电源技术指标要求

根据《竞赛比赛细则》

附件三关于电磁组赛道说明，20KHz电源技术要求如下：

（1）驱动赛道中心线下铺设的0.1-0.3mm直径的漆包线；

（2）频率范围：

20K±2K；

（3）电流范围：

50-150mA；

如下图4.10是赛道起跑区示意图，在中心线铺设有漆包线。

图4.1