玩具小车驱动控制.docx

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玩具小车驱动控制

智能玩具车控制系统的研制

电气工程及自动化学院：

包云泉指导教师：

何瑾

摘要：

本文的内容是设计一部智能玩具车，能够按照人的意图进行简单的活动，是一种玩具机器人。

玩具机器人在儿童早期智力开发方面效果显著，而我国在玩具机器人方面的研究远落后于国际先进水平，因此本文的研究有重要的意义。

本智能玩具车是采用凌阳十六位单片机SPCE061A作为控制核心，对多通道多样化传感器综合控制：

通过反射式红外线传感器检测路面黑线、光电三极管检测障碍物及光源、霍尔元件检测转速。

并以此为基本框架，结合自动控制原理对玩具车转速进行闭环反馈，使小车运行稳定；通过优化软件算法处理传感器信息，实现了具有一定自适应能力的电动车；采用PWM电路控制电机的转速、H型驱动电路控制电机的转向，实现电动小汽车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；利用凌阳单片机强大的语音辨识与播报功能，实现声控。

关键词：

玩具机器人；凌阳单片机SPCE061A；直流电机的PWM调速

Abstract：

Thisdesignisatoyautomobile,whichisenabledwithcertainartificialintelligence.Soitcanbeconsideredasanentertainmentrobothasanimpressivefunctiononthedevelopmentofchildren’sintelligence.Howeverournationdragsalotontheresearchofentertainmentrobot.SotheworkpaidforthisdesignmeansaintelligenttoyautomobileisdesignedbasedontheSPCE061Aasamicro-controller,gaugingitspositionandposturethroughvarioussensors.Amongthem:

makinguseofreflectingtypeinfraredraysensor,photo-electricitydynatronandHallsensortofindtheblackline,thebarriers,findthelightandchecktherotatespeed.ThesystemmanagestoadapttheenvironmentbyusingallthesensorscomprehensivelyaccordingtotheTheoryofautomaticControlandacertainoptimizingarithmetic.UsingPWMdirectcurrentmachineandtheH-shapebridgecircuittoadjustthespeedandorientationoftheautomobile.UsingtheSPCE061A’scapacityofvoicedistinguishinganddisplayingtocontroltheautomobilebyvoice.

Keywords：

entertainmentrobot;SPCE061A;PWMdirectcurrentdrivingtechnology

1引言

现代玩具工业在经历了塑料玩具、电子玩具之后，正在向智能机器人玩具时代迈进，并不断地用高科技武装玩具，研发出各种集知识性、趣味性于一体的智能机器人玩具。

玩具机器人的各项技术的研发是高端技术的试验田和基础源泉，玩具机器人的开发研制将在社会中新技术发展，提高人们生活质量中发挥越来越重要的作用。

具体表现在：

（1）为机器人应用高端科技提供技术基础支持，学习锻炼的平台；

（2）玩具机器人可开发智力，锻炼技术，提高创新水平。

本文的内容是设计一部智能玩具车，此设计将寻迹、避障、寻光、声控等功能集为一体，尝试了多通道、多传感器的综合应用，采用了精确的方向控制策略和优化的行进过程的速度控制策略，添加了智能容错功能，使整个系统的稳定性达到了比较高的水平。

2硬件系统的设计

凌阳单片机简介

SPCE061A里内嵌32K字的闪存（FLASH）2K字SRAM，CPU时钟0132MHz～491152MHz，工作电压（CPU）VDD为～（IPO），VDDH为～，拥有2个16位可编程定时器/计数器，2个10位DAC，7通道10位ADC和单通道声音ADC，32位通用可编程输入/输出端口。

具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能。

14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒。

内置在线仿真电路ICE（InCircuitEmulator）接口，具有保密功能，调试与书写程序只需一根并口线与计算机25针并口连接。

图2-1SPCE061A的结构

整机系统构成

从设计要求上分析，小车需要完成寻迹、避障、寻光、声控等功能。

在综合比较各种常用传感器基础上，分析得出采用凌阳十六位单片机SPCE061A作为控制核心，对多通道多样化传感器综合控制：

通过反射式红外线传感器检测路面黑线、光电三极管检测障碍物及光源、霍尔元件检测转速。

图2-2系统整体框图

系统各模块的设计

2.3.1电机驱动模块

直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。

它的基本原理图如图2-3所示。

全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。

当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

图2-3H型全桥式电路原理示意图

开关管的选择宜遵循以下原则：

由于驱动电路是功率输出，要求开关管输出功率较大；开关管的开通和关断时间应尽可能小；小车使用的电源电压不高，因此开关管的饱和压降应该尽量低。

PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。

如图2-3所示，若S3、S4关断，S1、S2受PWM控制，假设高电平导通，忽略开关管损耗，则在一个周期内的导通时间为t，周期为T，波形如图2-5，则电机两端的平均电压为：

U=Vcct/T=αVcc，其中，α=t/T称为占空比，Vcc为电源电压（电源电压减去两个开关管的饱和压降）。

电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。

图2-4直流电机H桥驱动电路图2-5PWM调速原理示意图

凌阳公司的SPCE061A单片机频率最高达到49MHz，可提供2路PWM直接输出，频率可调，占空比16级可调，控制电机的调速范围大，使用方便。

SPCE061单片机有32个I/O口，内部设有2个独立的计数器，完全可以模拟任意频率、占空比随意调节的PWM信号输出，用以控制电机调速。

2.3.2路面黑线检测模块

图2-6路面黑线检测传感器安装图

循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。

在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。

单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。

红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过15cm。

图2-7路面黑线检测传感器电路原理图图2-8光源检测传感器电路原理图

2.3.3光源检测模块及障碍检测模块

如图2-8所示，利用光电三极管的光电特性，通过比较器LM324的门限电压作用，不断调节其识别灵敏度，从而得到寻光信号，最终由单片机识别后发出相应的命令，进而完成寻光前进的功能。

2.3.4车速检测模块

转速测量装置的硬件包括脉冲发生部分以及脉冲信号与微机的接口电路两部分。

脉冲的形成是基于霍尔效应原理。

在电机的连动轴上粘贴数个小磁片，在连动轴附近固定霍尔传感器，则电机转动时，每个小磁片经过霍尔传感器时，霍尔传感器便产生一个脉冲，检测脉冲数和确定历经时间，即可计算出电机的转速。

测量装置的软件由单片机执行M/T算法实现。

图2-9速度检测传感器电路原理图

3软件系统设计

软件的主要特色：

（1）速度自动调节程序，由于供电电池在不同时刻的电力不同，弯道和直道时的阻力也不同，当给PWM电路相同占空比的方波时，小车的行驶速度可能不同，我们采用软件调节程序，利用车速传感器的返回值自动调节小车的行驶速度。

（2）不同路段设定不同的行驶速度，在直线行驶和弯道的行驶过程中速度比较快，而在躲避障碍物时我们采用较低的速度行驶，确保行驶的可靠性。

（3）软件在设计时，采用C语言和汇编语言的调用与嵌套。

底层采用汇编语言编写，而在高层则采用C语言进行调用。

这样不仅使程序更加简洁，同时也提高了程序的可靠性。

主程序流程

图3-1主程序流程图

电机驱动子程序流程

图3-2电机及驱动子程序流程图

车速检测子程序流程

机轮的转速通过测量一定时间内测速传感器输出的脉冲信号的个数来求取。

因为SPCE061A的IOB2和IOB3除作为普通I/O口外，还可通过设置定时器A或B的控制单元使IOB2（EX2Tl）和IOB3（EXT2）作为外部频率量（外部中断源）输入，故在本系统中将IOB2设置为外部频率量输入引脚，接转速传感器输出的脉冲信号。

为了满足控制性能和实时性的要求，每隔2s更新一次转速值,并据此转速进行控制。

车速反馈控制子程序流程

图3-6车速反馈控制系统原理图

图3-7车速反馈控制子程序流程图