直流电机的小车运动控制设计方案.docx

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直流电机的小车运动控制设计方案

基于直流电机的小车运动控制设计

摘要3

前言4

第1章系统概述5

第2章直流电机工作原理6

第2.1节直流电机的结构6

第2.2节直流电机的分类6

第2.3节直流电动机的工作原理7

第2.4节直流电机的可逆运行原理7

第3章脉冲宽度调制（PWM>控制技术9

第3.1节脉冲宽度调制基本原理9

第3.2节脉冲宽度调制具体过程10

第3.3节脉冲宽度调制的优点10

第3.4节脉冲宽度调制控制方法11

第3.5节脉冲宽度调制相关应用领域11

第4章硬件设计12

第4.1节供电电源模块12

第4.2节控制器模块12

第4.3节电机驱动模块15

第4.4节测速模块17

第4.5节显示模块17

第5章软件设计19

第5.1节主程序设计19

第5.2节直流电机驱动算法19

第5.3节测速算法21

第5.4节数码管显示算法21

总结23

参考文献24

致谢25

附录26

摘要

本文主要介绍了基于直流电机的小车运动控制设计。

该车以玩具小车为车体，直流电机及其控制电路为整个系统的驱动部分，AT89S51单片机为整个系统的控制核心，采用ST188反射式光电传感器来检测小车的运行速度，并通过一个4位一体的数码管显示出来，使用驱动芯片74HC245来驱动数码管的显示；整个系统使用5V的直流电源供电，直流电机驱动采用PWM控制技术，可以灵活方便地对车速进行控制。

关键词：

直流电机，单片机，小车

[Abstract]:

Inthispaper,thecarbasedDCmotormotioncontroldesign,thetoycarasthecarbody,DCmotorandcontrolcircuitforthedrivingpartofthewholesystem,AT89S51microcontrollercoreforthecontroloftheentiresystem,usingST188reflectivephotoelectricsensortodetectthecar'sspeed,andthrougha4-in-onedigitaldisplayup,usethedriverIC74HC245tocontrolthedigitaltubedisplay.thesystemusesthe5VDCvoltagepowersupply,DCmotor-drivenusePWMcontroltechnology,theflexibilitytoeasilycontrolthespeed.

Keywords:

DCmotor,MCU,car

前言

随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。

各种智能化小车在市场玩具中也占一个很大的比例。

根据美国玩具协会的调查统计，近年来全球玩具销量增幅与全球平均GDP增幅大致相当。

而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大改变：

传统玩具的市场比重正在逐步缩水，高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上，已经成为玩家行业发展的主流。

因此，遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高市场价值的。

智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。

智能电动车就是其中的一个体现。

智能电动车是由一个电动玩具车改造而成，更换了电动玩具车的电机和驱动电路，增加了电控系统。

电控系统的主要任务是使智能电动车按既定控制方法行驶。

智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。

它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用，随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制必将迎来它的发展新时代。

计算机控制与电子技术融合为电子设备智能化开辟了广阔前景。

第1章系统概述

整个系统基于玩具小车的机械结构，小车控制系统总体结构如图1．1所示。

以AT89S51单片机为控制核心，主要由电源模块、控制器模块、直流电机驱动模块、测速模块和显示模块组成。

首先，由电源模块产生5V的直流电压，供单片机、电机驱动芯片、数码管驱动芯片和测速模块使用，单片机输出相应的控制信号给驱动芯片驱动电机转动，从而控制整个小车的运动，直流电机的驱动电路采用PWM电路,精确调整电动机转速。

测速模块通过光电编码盘来检测小车的速度，将检测得到的脉冲信号送入单片机的T0口进行计数,同时完成脉冲数计算，通过定时计数器来计时间，算出实时速度，并通过一个四位一体数码管显示出来，从而验证PWM控制技术对小车速度的控制；使用驱动芯片74HC245来控制数码管的显示。

单片机外部资源分配：

P0.0～P0.2控制电机的使能和方向，P1.0～P1.7和P3.0、P3.1、P3.3、P3.5用于数码管的控制位，P3.2、P3.4用于测速模块的输入。

电路原理图见附录1。

图1.1小车控制系统总体结构图

第2章直流电机工作原理

输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电机在当今生活的各方面应用越来越广泛，直流电机的调速控制是电机应用的一个重要技术保障。

直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。

第2.1节直流电机的结构

直流电机的结构由定子和转子两大部分组成。

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

第2.2节直流电机的分类

按结果主要分为直流电动机和直流发电机；按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机。

直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。

（1）、他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，永磁直流电机也可看作他励直流电机。

（2）、并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

（3）、串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

（4）、复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。

一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

第2.3节直流电动机的工作原理

导体受力的方向用左手定则确定。

这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。

如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩<例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

图2.1直流电动机的原理模型图2.2直流电动机原理模型

如图2.1和2.2所示，当电枢转了180°后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd、ab后，从电刷B流出。

这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。

因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。

这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。

这就是直流电动机的工作原理。

第2.4节直流电机的可逆运行原理

一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这种原理在电机理论中称为可逆原理。

当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载<或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。

如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。

第3章脉冲宽度调制（PWM>控制技术

脉冲宽度调制（PWM>，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

第3.1节脉冲宽度调制基本原理

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：

相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。

9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。

与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。

模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。

在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。

拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。

与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。

其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。

能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备>和昂贵。

模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。

模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。

此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

第3.2节脉冲宽度调制具体过程

脉冲宽度调制

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON>，要么完全无（OFF>。

电压或电流源是以一种通（ON>或断（OFF>的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载>需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

许多微控制器内部都包含有PWM控制器。

例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。

占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。

执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：

（1）、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期

（2）、在PWM控制寄存器中设置接通时间

（3）、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚

（4）、启动定时器

（5）、使能PWM控制器

第3.3节脉冲宽度调制的优点

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。

从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。

在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

总之，PWM经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

第3.4节脉冲宽度调制控制方法

采样控制理论中有一个重要结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法：

（1）、相电压控制PWM

（2）、线电压控制PWM

（3）、电流控制PWM

（4）、空间电压矢量控制PWM

（5）、矢量控制PWM

（6）、直接转矩控制PWM

（7）、非线性控制PWM

（8）、谐振软开关PWM

第3.5节脉冲宽度调制相关应用领域

PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业,包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。

第4章硬件设计

第4.1节供电电源模块

由于系统CPU、小车电机、传感器及其他部分均采用+5V供电，考虑小车功率和摩擦阻力等问题，电源采用直流8V电池供电，经稳压芯片LM7805输出5V电压供单片机及其他电路使用，具体接法如图4.1。

图4.1电源电路连接图

电路为输出电压+5V稳压电源。

它由8V干电池、滤波电容C1、C2，一只固定式三端稳压器（7805>管构成的，由开关S控制电压的输出，为了防止电源掉电而影响电路工作，设计了电源指示电路，由一个1K的电阻和一个发光二极组成。

4.1.1.稳压芯片LM7805简介

稳压电路由固定式三端稳压器LM7805完成，LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化>。

此直流电压经过LM7805的稳压和C2的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。

LM7805输入端接6VDC，输出的是5VDC。

第4.2节控制器模块

控制器模块即单片机最小系统单元，如图4.2所示，其主要由51单片机、时钟、复位电路组成，本系统采用外部12M晶振，便于单片机内部定时器产生精确的定时。

图4.2单片机最小系统电路图

4.2.1.单片机简介

所谓单片微型计算机，是指将组成微型计算机的基本功能部件，如中央处理器CPU、存储器ROM和RAM、输入/输出

在过去的几十年中，电子工业飞速发展。

随着微处理器芯片的集成度越来越高，单片机的应用越来越广泛，并逐渐发展成为一门关键的技术学科。

单片机具有体积小、重量轻、耗电少、电源单一、功能强、价格低、运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高等一些突出的优点，所以单片机已经广泛的应用于智能仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信领域中的应用、医用设备领域中。

4.2.2.MCS-51单片机的结构

单片机SCM

主要包括了中央处理器、存储器、输入/输出口和定时器/计数器，中断系统等功能部件。

单片机自七十年代以来，已经有了很大的发展被广泛的应用于机械、测量控制、工业自动化、智能接口和智能仪表等许多领域。

目前国内应用最广泛的就是MCS-51单片机芯片。

MCS-51系列单片机的最典型的产品有内部无ROM的8031、内部具有4KB字节掩膜ROM的8051及内部具有4KB字节EPROM的8751，这三种型号的单片机除内部程序存贮器ROM不同外其它内部资源相同，MCS-51单片机内部结构图见附录二。

8051的内部资源为：

（1）、8位CPU

（2）、4KB字节掩膜ROM程序存贮器

（3）、128字节内部RAM数据存贮器

（4）、2个16位的定时器/计数器

（5）、1个全双工的异步串行口

（6）、5个中断源、2级中断优先级的中断控制器

（7）、时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz~12MHz的时钟频率

4.2.3.数据处理及控制芯片AT89S51

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机。

其引脚图见附录3。

（1）、主要性能参数：

与MCS-51产品指令系列完全兼容；（ISP>Flash闪速存储器；4K字节在系统编程；1000次擦写周期；4.0～5.5V工作电压范围；全静态工作模式：

0Hz～33MHz；三级程序加密锁；128字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位的定时/计数器；6个中断源；全双工串行UART通道；低工耗空闲和掉电模式；中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗（WDT>及双数据指针；掉电标识和快速编程特性。

（2）、AT89S51的引脚功能

电源及时钟引脚：

包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2；电源引脚接人单片机的工作电源，Vcc（40脚>接+5V电源，Vss（20脚>接地。

P0口（P0.0~P0.7>：

为双向8位三态I／O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。

它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。

一般作为扩展时地址/数据总线口使用。

P1口（P1.0~P1.7>：

为8位准双向I／O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1>，可驱动4个TTL负载。

P2口（P2.0~P2.7>：

为8位准双向I／O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。

它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。

一般作为扩展时地址总线的高8位使用。

P3口（P3.0~P3.7>：

为8位准双向I／O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。

P3口除了一般I/O线的功能外，还具有更为重要的第二功能，如表4-1所示。

P3口同时为FLASH编程和编程校验接收一些控制信号。

表4-1P3口的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD<串行输入口）

P3.1

TXD<串行输出口）

P3.2

/INTO<外部中断0）

P3.3

/INT1<外部中断1）

P3.4

T0<定时器0外部输入）

P3.5

T1<定时器1外部输入）

P3.6

/WR<外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD<外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

地址锁存使能信号输出端。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时。

/PSEN：

程序存储器输出使能端。

低电平有效，在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

片内程序存储器屏蔽控制端，低电平有效。

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器<0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

当/EA端保持高电平时，执行片内程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源

4.2.4.AT89S51的复位电路

AT89S51的复位电路如图4.3所示。

当单片机一上电，立即复位；另外，如果在运行中，外界干扰等因素使单片机的程序陷入死循环状态或“跑飞”，就可以通过按键使其复位。

复位也是使单片机退出低功耗工作方式而进入正常状态的一种操作。

图4.3复位电路图

4.2.5.时钟振荡电路

单片机的晶振选用12MHz,为保证单片机RESET引脚保持2个高电平周期复位。

第4.3节电机驱动模块

电机驱动模块由L298N芯片、小型直流电动机和三极管组成。

电路连接图如图4.4。

图4.4电机驱动模块电路图

从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其他外部负载时也不能带动电机，所以在实际电路中加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的频率，从而能根据需要控制电机转动，根据驱动管大小和连接电路的简化要求选择L298N，在电机线圈两端分别接入了二极管进行过流保护，以防在控制电机换向时电流过大而损毁电机。

4.3.1.L298N芯片简介

L298N是ST公司生产的电机专用驱动芯片。

该芯片的主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

L298N可驱动2个电机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电机，本设计中选用驱动一台电动机。

5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

EnA、EnB接