实验一基于MATLAB的计算机控制系统时间响应分析.docx

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实验一基于MATLAB的计算机控制系统时间响应分析

课程研究项目实施方案

本课程研究项目主要完成《智能车系统的设计与制作》。

一、研究目的

1、掌握智能自动车的结构、控制电子元器件组成及其工作原理；

2、掌握传感检测系统的设计方法，掌握常用传感器的原理和使用方法；

3、掌握基本电路的原理图和电路连线图；

4、掌握编程软件的使用、仿真调试以及单片机程序的烧写；

5、掌握常用电机的选型、驱动及控制方法；

6、掌握单片机的选型及系统搭接方法；

7、掌握机电一体化系统的设计、制作和调试方法。

二、主要内容

1、智能车本体组装；

2、电路板焊接、测试；

3、编程仿真软件学习和程序烧写软件学习；

4、练习数码管显示编程；

5、练习驱动模块驱动电机正反转；

6、练习脉宽速度调制；

7、练习红外避障模块；

8、练习红外循迹模块；

9、练习测速模块；

10、多功能综合练习和扩展练习。

三、项目小组分工安排

1、每4个同学一组，相互协作完成所规定的研究内容，内容可以包括上述内容但并不限于这些内容。

2、每个小组要在项目报告中标明每个人在总体工作中的贡献和工作比例或者每个人负责的内容。

3、研究内容的多少会影响到每组的最终成绩，鼓励学生自己选取感兴趣的研究内容进行创新设计和深入研究。

四、项目进程安排

时间安排：

自第二周开始：

《机电一体化系统》每周周五的课程安排为课程项目实训；《单片机》双周周五的课程安排为课程项目实训。

实训地点：

机械馆4楼创新实验室。

时间安排

主要内容

第1-2学时

小车本体组装及焊电路板并测试

第3-4学时

学习编程仿真软件及程序烧写软件

第5-6学时

编程练习数码管显示

第7-8学时

练习驱动模块驱动电机正反转

第9-10时

练习脉宽速度调制

第11-12学时

练习红外避障模块

第13-14学时

练习红外循迹模块

第15-16学时

练习测速模块

第17-18学时

多功能综合练习和扩展练习

第19-20学时

项目报告

五、设计说明

（一）方案论述

1、电动机的选择

方案一：

采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。

另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。

方案二：

采用普通直流电机。

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。

2、电动机驱动方案的选择

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。

更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：

采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。

这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：

采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电动机的运行。

该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。

3、供电电源方案的选择

方案一：

采用两个电源供电。

将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。

这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。

方案二：

采用单一电源供电。

电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电。

其供电电路比较简单。

4、路面情况检测方案的选择

探测路面黑线的基本原理：

光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断黑线，可实现的方案有以下几种：

方案一：

采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，电路如图1-1所示。

该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。

主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。

虽然可采取超高亮度发光二极管降低一定的干扰，但这有增加额外的功率损耗。

方案二：

脉冲调制的反射式红外发射接收器。

由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接受管的最大工作电流取决与平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。

并且其反映灵敏，外围电路也很简单。

电路如图1-2所示。

比较以上两种方案，方案二占有很大的优势，市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。

这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。

图1-1普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案

图1-2脉冲调制的反射式红外发射接收器

5、.路程检测方案的选择

方案一：

采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。

方案二：

采用光电码盘进行检测。

旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接受元件接受。

用计数器对接受到的信号进行计数。

用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。

6、障碍物探测方案的选择

方案一：

脉冲调制的反射式红外发射接收器。

由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接受管的最大工作电流取决与平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。

并且其反映灵敏，外围电路也很简单。

方案二：

采用超声波传感器，如果传感器接受到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。

（二）具体设计

单片机为小车的控制核心，系统由黑线检测模块、电机驱动模块、LED指示模块、数码管显示模块、红外检测避障模块等几部分构成（系统框图如图1-3所示）。

图1-3智能车控制系统框图

1、系统硬件设计

（1）路面黑线检测设计与实现

路面黑线检测主要通过黑白线检测传感器实现，黑白线检测传感器（如图1-4）有效探测距离达5cm，通过调节电位器，最远可以达到10cm（该距离下，探测黑白线的精度降低）。

这款黑白线传感器受可见光干扰小，输出信号为开关量，信号处理简单，使用非常方便外，还增加了探测距离调节器、改进了探测距离、加强了探测精度（在有效量程内，可对报纸大标题进行感应）。

图1-4黑白线检测传感器

注意事项：

1.该传感器为开关量传感器，输出为TTL电平，可以直接和单片机连接，但需要在输出端加上拉电阻，使用方法如红外避障传感器。

（如不加上拉电阻会出现不规则电平输出）

2.一定不要把线接错，否则容易烧掉传感器。

当检测到黑线时，红外光管接收到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经逻辑比较后送单片机分析处理。

为保证小车延黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。

在小车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机。

单片机控制车头向右转。

（2）电动机驱动电路设计与实现

考虑到电压、电流的等级及尺寸、外观等因素,可选用集成电机驱动芯片L298。

L298是双H桥高电压大电流集成电路,其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻。

Vss接逻辑控制部分的电源,常用+5V。

Vs为电机驱动电源。

IN1-IN4输入引脚采用标准TTL逻辑电平信号,用来控制H桥的开与关,EnA、EnB引脚则为使能控制端,功率集成电路采用了SGB公司特有的Multiwatt塑料封装,15个引脚，如图1-5所示。

其控制表如图1-6所示。

图1-5Multiwatt15

输入

功能

Ven=H

C=H;D=L

正转

C=L;D=H

反转

C=D

制动

Ven=L

C=×;D=×

停止

图1-6L298控制表

（3）车轮检速与路程计算

车轮检速与路程计算主要通过霍尔传感器实现，霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图1-7所示。

磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

霍尔传感器检测转速示意图如1-8所示。

在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。

圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。

通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。

提醒：

当没有信号产生时，可以改变一下磁钢的方向，霍尔对磁钢方向有要求。

没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输出低电平。

接线图如图1-9所示。

图1-7霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系

图1-8霍尔传感器检测转速示意图

图1-9霍尔传感器接线示意图

在车体和车轮上分别固定霍尔元件和磁钢，测量小车轮周长，在单片机控制时，每检测到一个脉冲，认为小车前进了一周。

对脉冲信号整形后送入单片机进行检测计数，输出显示行驶里程数。

（4）避障检测和处理

避障检测和处理采用一种集发射与接收于一体的光电传感器，如图1-10。

检测距离可以根据要求进行调节。

该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。

其电气特性为：

U:

5VDC    I:

100mA    Sn:

3-80CM

图1-10避障检测传感器

2．软件设计

智能小车的控制器使用ATMEL公司的AT89s51单片机。

程序设计上可以用查询引脚高低电平来控制小车行驶的轨迹检测，或者用外部中断来控制小车行驶的轨迹，另外可以软件上设置了一个状态寄存器，来记录小车运行的状态，小车的运行为沿黑线行驶状态，避障碍物状态，左右转弯等。

六、思考题

1、比较、分析各种传感检测方案？

2、比较、分析直流和步进电动机的区别和功能？

3、说明H桥电路电动机驱动方案的特点？

七、撰写研究报告

项目报告主要包括以下主要内容：

1.封面：

●项目名称：

智能车系统的设计与制作

●姓名：

你们的名字

●课题组的分工或贡献：

●课程名称：

机电一体化系统设计、单片机原理及应用

●指导教师：

赵永生、王洪波、姚建涛、史小华

●日期：

2009年10月

2.摘要：

简明、确切地记述报告的重要内容，150字左右。

3.前言：

前言简要说明项目研究报告的目的和范围，介绍相关领域所做的工作和研究的概况，研究报告的意图、预期的结果。

4.研究报告正文：

包括介绍相关项目开展的研究内容的基本原理、所采用的研究方法及相关工具；详细说明项目的方案设计；给出研究结果并讨论等。

主要提纲如下：

（1）方案论证（包括各功能单元方案的详细论证）

（2）硬件设计（包括硬件系统框图、各单元电路设计与硬件电路原理图）

（3）软件设计（包括程序框图与源代码两部分）

（4）具体测试情况（包括项目测试与要求、测试结果）

5.结论：

研究报告的总结简要总结你的主要工作、主要结果、心得感受主要发现以及下一步应当开展的主要工作等。

6.主要参考文献

注意：

（1）报告字数要求3000字以上，字迹工整，图文规范。

（2）各组报告所选取内容要独立完成，若严重雷同，将会严重影响成绩；同时各个小组成员也要有明确的分工和合作。

（3）要在10月16日前提交研究报告电子版和纸质文档。

八、附录—电路原理图

L2988驱动电路

LED显示管电路

AD转换0809

黑白线检测

ISP下载

红外避障传感器

红外避障传感器

两路霍尔传感器

拨码盘

电源部分

电源接口开关