電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)方案電路原理圖分析

隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片性能的日益完善，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車(chē)在符合規(guī)定要求的蹺蹺板上的規(guī)定運(yùn)動(dòng)：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的前進(jìn)、后退運(yùn)行；蹺蹺板處于平衡狀態(tài)時(shí)以及到達(dá)蹺蹺板末端的停車(chē)候時(shí)；分階段實(shí)時(shí)顯示其行駛所用時(shí)間。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用雙CPU設(shè)計(jì)思路：選用AT89S52作為主CPU，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，控制，電動(dòng)車(chē)的實(shí)時(shí)顯示，以及主從CPU的通信功能；選用AT89C2051作為從CPU，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確與靈活調(diào)速。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體方案分析論證

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，以系統(tǒng)核心控制功能的實(shí)現(xiàn)為根本，提出兩種系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析論證：

方案一：采用中大規(guī)模的可編程邏輯電路作為核心控制部分，其功能模塊包括標(biāo)識(shí)線檢測(cè)，行車(chē)路線矯正，實(shí)時(shí)顯示，電機(jī)控制等。各個(gè)功能模塊狀態(tài)的保持或轉(zhuǎn)移的條件取決于傳感器采集的信號(hào)。

方案二：采用51系列單片機(jī)作為控制核心，并且采用主、從結(jié)構(gòu)的雙CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：選用AT89S52作為主CPU，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理，電動(dòng)車(chē)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，以及主從CPU的通信功能；選用AT89C2051作為從CPU，利用該型號(hào)單片機(jī)具備的脈沖寬度調(diào)制輸出功能實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確與靈活的調(diào)速。此種設(shè)計(jì)思路可以有效的提高整機(jī)的實(shí)時(shí)控制性能，而且余留了大量的內(nèi)存和接口，為系統(tǒng)進(jìn)一步的功能擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

上述兩種方案理論上都是可行的，方案一原理簡(jiǎn)單，但在為了簡(jiǎn)化電路構(gòu)成，選用大規(guī)模集成邏輯電路的同時(shí)，也令設(shè)計(jì)系統(tǒng)的成本大幅提升，從而使整機(jī)的性價(jià)比大大降低；方案二，選用性價(jià)比高的單片機(jī)構(gòu)成雙CPU系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮單片機(jī)在小規(guī)模自動(dòng)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，而且因設(shè)計(jì)者對(duì)單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)掌握的相對(duì)更加熟練，在設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程中，可操作性更強(qiáng)，發(fā)揮的空間也更大，因此我們選用了實(shí)用性較強(qiáng)的方案二。

1.2主要功能模塊方案分析論證

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)包括：平衡檢測(cè)模塊、定位檢測(cè)模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等三大功能模塊。

1.2.1平衡檢測(cè)模塊方案論證

平衡檢測(cè)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、再檢測(cè)、再驅(qū)動(dòng)的一個(gè)循環(huán)修正電動(dòng)車(chē)行駛路線，確保實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)在蹺蹺板上準(zhǔn)確的按要求自動(dòng)往返運(yùn)行，平衡停滯待時(shí)，末端停滯待時(shí)，并能將采集到的相關(guān)測(cè)試信號(hào)送系統(tǒng)控制器進(jìn)行小車(chē)行駛時(shí)間和平衡靜止時(shí)的狀態(tài)指示。根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能要求，我們提出兩種設(shè)計(jì)方案：

方案一：使用角度傳感器完成平衡檢測(cè)部分。將角度傳感器安裝在支撐平板半圓柱塊的頂端，板與地面有夾角變化，傳感器的輸出電壓也相應(yīng)地改變，被檢測(cè)后送到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，再由單片機(jī)對(duì)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。

方案二：自制一個(gè)透明的，直徑約為1cm的塑料管，將一實(shí)心小鐵球置入其內(nèi)，兩端封閉，在管的兩端處分別安放一組對(duì)射式紅外對(duì)管，將此裝置平放在小車(chē)上，小車(chē)在板的中間處時(shí)，如果小球不是處于中間位置附近，就會(huì)滑到管的兩端，對(duì)管的接收部分將接收不同的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，從而發(fā)出對(duì)電機(jī)的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)板與地的夾角，直至其平衡。

通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)方案一測(cè)量起來(lái)非常復(fù)雜，信號(hào)處理電路也比較繁瑣，方案二新穎別致，只要在調(diào)平衡的過(guò)程中掌握好電機(jī)的步距，特別注意微調(diào)，是能夠達(dá)到功能控制要求的，因此我們選用了方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡檢測(cè)功能。

1.2.2定位檢測(cè)模塊

根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求，電動(dòng)車(chē)從A點(diǎn)出發(fā)，B點(diǎn)停止5s，然后原路返回停到A點(diǎn)，為了使電動(dòng)車(chē)能夠穩(wěn)定地?？吭谝?guī)定的區(qū)域內(nèi)，單片機(jī)只有實(shí)時(shí)獲取其行駛狀態(tài)，不斷作出相應(yīng)調(diào)整。因此我們分別從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：一方面，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算每一段的行駛距離來(lái)控制電動(dòng)車(chē)的起動(dòng)和停止位置；另一方面，在題目允許的范圍內(nèi)，我們可以在A、B、C三點(diǎn)分別作一橫向的黑帶，運(yùn)用檢測(cè)裝置完成信號(hào)的采集，從而便于單片機(jī)對(duì)電動(dòng)車(chē)的控制?；诖?，我們提出以下兩種設(shè)計(jì)方案。

方案一：選用霍爾傳感器檢測(cè)電動(dòng)車(chē)行駛的速度。在車(chē)輪上均勻安裝若干個(gè)磁片，將霍爾集成片安裝在固定軸上，隨著輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，將得到脈沖，即對(duì)應(yīng)電動(dòng)車(chē)的車(chē)輪轉(zhuǎn)速。

方案二：使用反射式光電傳感器對(duì)已設(shè)定的標(biāo)志進(jìn)行檢測(cè)完成對(duì)應(yīng)功能。在A、B、C三點(diǎn)均作出標(biāo)志后，在小車(chē)的頭部和尾部分別安裝一個(gè)反射式傳感器，保證電動(dòng)車(chē)在往返時(shí)啟動(dòng)和停止功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)原理圖參電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片1.2.1所示。

綜合考慮上述方案，發(fā)現(xiàn)方案一中霍爾傳感器安裝較困難，測(cè)量精度無(wú)法滿足題目要求，而方案二檢測(cè)可靠性與精度都較高，并且易于實(shí)現(xiàn)，因此采用方案二。



圖2 反射傳感器和H橋式驅(qū)動(dòng)單路

1.2.3直流驅(qū)動(dòng)模塊

電動(dòng)車(chē)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了電動(dòng)車(chē)的整體運(yùn)行性能，在電動(dòng)車(chē)電動(dòng)機(jī)的選擇上，我們選用性價(jià)比高、控制簡(jiǎn)單的直流電機(jī)。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法很多，下面提出兩種方案進(jìn)行分析論證。

方案一：H型橋式驅(qū)動(dòng)電路。這種電路應(yīng)用十分廣泛，在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中要不斷地使電機(jī)在在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是由S1、S2導(dǎo)通且S3、S4關(guān)斷，到S1、S2關(guān)斷且S3、S4導(dǎo)通，這將令電路的功能調(diào)試工作較煩瑣，且系統(tǒng)的硬件電路略顯復(fù)雜。其工作原理示意圖參見(jiàn)附錄圖1.2.2所示。

方案二：采用集成橋式電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片。比如使用L298、LMD18200等集成芯片，這一設(shè)計(jì)方案可令系統(tǒng)的控制電路簡(jiǎn)潔，且可靠性高。

綜合考慮，我們選用方案二實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

1.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.3.1檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

光電傳感器廣泛應(yīng)用于檢測(cè)電路中，按結(jié)構(gòu)形式可以分為反射式和對(duì)射式。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中電動(dòng)車(chē)的行車(chē)路線檢測(cè)，起停檢測(cè)電路都要有反射式光電傳感器完成，我們直接選用TCRT5000傳感器，它是將一對(duì)紅外發(fā)射、接收對(duì)管按合理的發(fā)射、反射接收角度安裝在一個(gè)封裝內(nèi)，從而安裝使用非常方便，測(cè)試準(zhǔn)確度高；而平衡性檢測(cè)電路由對(duì)射式光電傳感器完成，此發(fā)射接受電路是有分立器件自行安裝、調(diào)試的，測(cè)試結(jié)果理想。

對(duì)射式光電傳感器也是由紅外線發(fā)射管、接收管構(gòu)成，并且二者位于同一直線上，相距約10～20mm，兩管間沒(méi)有障礙物時(shí)接收管接收到的紅外線明顯不同于有障礙物時(shí)，這樣在接收端就會(huì)產(chǎn)生高低電平信號(hào)。為了讓電動(dòng)車(chē)行駛到C點(diǎn)，蹺蹺板達(dá)到平衡，我們制作了一個(gè)圓筒，并將其水平放在小車(chē)上，通過(guò)檢測(cè)其內(nèi)的小球所處的位置來(lái)調(diào)整電動(dòng)車(chē)的位置，從而達(dá)到板的平衡。其檢測(cè)原理圖參見(jiàn)附錄圖3所示，在設(shè)計(jì)中，我們?cè)趫A筒的兩端分別安裝一個(gè)對(duì)射式光電傳感器。


圖3 對(duì)射式光電傳感器原理和電壓比較器電路

直接對(duì)光電傳感器電路進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有障礙物時(shí)，輸出電壓可達(dá)到4.4V，有障礙物時(shí)電壓只有0.2V，由于接收端易受到干擾，應(yīng)將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整形，比較電路，使其輸出能夠滿足TTL邏輯電平，并且可以改善輸出端的抗干擾特性。施密特觸發(fā)器的整形功能比較強(qiáng)，但是電壓不易調(diào)節(jié)，若利用電壓比較器，只要提供合適的參考電壓，就可以精確地輸出脈沖波形，綜合考慮我們選用性能較好的電壓比較器電路。其原理圖如圖1.3.2所示。

在上圖中，我們使用了專(zhuān)用集成電壓比較器LM311，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理。端口2是參考電壓輸入端，當(dāng)輸入信號(hào)幅值大于參考電壓時(shí)，輸出端7就會(huì)輸出低電平，反之亦反?？紤]檢測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的信號(hào)大小，我們?cè)O(shè)定參考電壓為3V.LM311的參考電壓與電源電壓的關(guān)系為：

在用Multisim軟件進(jìn)行仿真時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)的高電平上出現(xiàn)了毛刺現(xiàn)象，為此我們?cè)陔娫春洼敵龆酥g接入了一個(gè)30pF的電容，效果很好。

1.3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，選用的是ST公司的L298N電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。

由L298N構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路參見(jiàn)附錄圖4所示。


圖4 驅(qū)動(dòng)電路


1.3.3顯示電路設(shè)計(jì)

采用LED顯示，其特點(diǎn)是亮度大，視覺(jué)效果好。LED顯示按不同分類(lèi)方法可分為串行顯示和并行顯示也可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示?？刹捎玫姆椒ㄓ校篗AX7219串行動(dòng)態(tài)顯示、74HC164串行靜態(tài)顯示、8279并行動(dòng)態(tài)顯示等多種方法。由于本設(shè)計(jì)采用干電池供電，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量降低功耗。

采用LCD顯示。液晶顯示器集成度高，減少器件數(shù)目降低了功耗，同時(shí)也降低了電路的復(fù)雜性。而且液晶顯示器本身功耗很小，非常適合于這種電源容量有限的系統(tǒng)。但是液晶顯示也有其缺點(diǎn)，就是顯示亮度不夠，視覺(jué)效果不是很好。

綜合考慮題目要求，我們選用功能強(qiáng)大的CH451，它整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)掃描控制以及uP監(jiān)控的多功能外圍芯片。由CH451構(gòu)成的顯示電路參見(jiàn)附錄圖5所示。


圖5 顯示電路

1.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)行，主要包括：主機(jī)主程序模塊、從機(jī)的PWM調(diào)速程序模塊

主機(jī)程序流程圖如圖6所示：


圖6 主機(jī)程序流程圖

從機(jī)程序流程圖如圖7所示：


圖7 從機(jī)程序流程圖

2.系統(tǒng)測(cè)試

2.1系統(tǒng)測(cè)試的儀器設(shè)備及其材料組成

數(shù)字萬(wàn)用表，數(shù)字示波器，可調(diào)電源箱，偉福6000軟件模擬器，偉福VW軟件仿真器，1600mmX300mm蹺蹺板，卷尺，秒表。

2.2調(diào)試方法和步驟

調(diào)試時(shí)也是先模塊后整體，可明顯分為光電傳感器模塊，紅外對(duì)管模塊，PWM調(diào)速模塊，顯示、報(bào)警模塊，每個(gè)小模塊調(diào)通后，將它們組合一整體進(jìn)行調(diào)試。

A、光電傳感器模塊：首先用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試模塊的輸出，待符合要求后再安裝到電動(dòng)車(chē)上進(jìn)行調(diào)試，最終發(fā)現(xiàn)光電傳感器離地面約6cm時(shí)效果最好。

B、紅外對(duì)管模塊：首先調(diào)試成功一組對(duì)管，然后將兩組對(duì)管組合起來(lái)進(jìn)行測(cè)試，這一模塊應(yīng)和PWM模塊配合調(diào)試。

C、PWM模塊調(diào)試：不斷改變PWM波的周期和占空比使電動(dòng)車(chē)能夠迅速爬坡，穩(wěn)定平衡，下坡，停止。

D、顯示、報(bào)警模塊：編寫(xiě)顯示、報(bào)警程序，燒至單片機(jī)驗(yàn)證這一模塊均可正常工作。

最終將四個(gè)模塊整合成一個(gè)整體進(jìn)行調(diào)試，完成了電動(dòng)車(chē)上坡，中點(diǎn)平衡，終點(diǎn)停止功能，并且均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

測(cè)試數(shù)據(jù)：




2.3測(cè)試結(jié)論

2.3.1功能實(shí)現(xiàn)

以上測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)完成了基本要求的基礎(chǔ)之上，精化了各項(xiàng)指標(biāo)，上、下坡迅速平穩(wěn)，平衡時(shí)間和板的平衡度基本達(dá)到了要求，往返時(shí)的停止位置也在要求的范圍內(nèi)。

在不加配重的情況下，電動(dòng)車(chē)完成以下運(yùn)動(dòng)：

（1）電動(dòng)車(chē)從起始端A出發(fā)，在15秒鐘內(nèi)行駛到中心點(diǎn)C附近；

（2）20秒鐘之內(nèi)，電動(dòng)車(chē)在中心點(diǎn)C附近使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5秒鐘，并給出燈光的平衡指示；

（3）電動(dòng)車(chē)從（2）中的平衡點(diǎn)出發(fā)，6秒鐘內(nèi)行駛到蹺蹺板末端B處（車(chē)頭距蹺蹺板末端B不大于50mm）；

（4）電動(dòng)車(chē)在B點(diǎn)停止5秒后，15秒內(nèi)倒退回起始端A，完成整個(gè)行程；

（5）在整個(gè)行駛過(guò)程中，電動(dòng)車(chē)始終在蹺蹺板上，并分階段實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)車(chē)行駛所用的時(shí)間。

2.3.2誤差分析

本設(shè)計(jì)在完成基本要求方面，精度基本上達(dá)到了要求，由于受電動(dòng)車(chē)本身的性能所限，我們很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其方向的精確控制，因此只完成了題目的基本要求。

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