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          基于STC8A微控制器的節(jié)能車模系統(tǒng)*

          作者:楊豐碩,錢靖宇,王浩(哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱 150006) 時(shí)間:2022-04-11 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:本設(shè)計(jì)以“第十五屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽”為背景,結(jié)合3D打印與激光切割技術(shù),制作一輛以STC8A微控制器作為核心控制單元的節(jié)能直立車模。以Keil為開發(fā)環(huán)境,利用電感獲取賽道信息,解決彎道、坡道、環(huán)島等特殊賽道元素,并沿著賽道以適合的速度運(yùn)行。該智能車系統(tǒng)顯示了高度的智能化、人性化,并且具備良好的安全性、穩(wěn)定性,可以為無人駕駛汽車及環(huán)保個(gè)人交通工具的后續(xù)研究提供經(jīng)驗(yàn)。

          *節(jié)選自《第十五屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車邀請(qǐng)賽技術(shù)報(bào)告》的“紫丁香四隊(duì)”《無線組技術(shù)報(bào)告》。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202204/432929.htm

          指導(dǎo)教師:齊超,王盼寶;帶隊(duì)教師:張依。

          1   車模主要技術(shù)參數(shù)

          主要技術(shù)參數(shù)包括物理尺寸、電路指標(biāo)等,具體參數(shù)見表 1,實(shí)物圖見圖1。

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          2   接收電路設(shè)計(jì)

          為了實(shí)現(xiàn)對(duì)充電的控制,利用半橋電路通過調(diào)節(jié)PWM 信號(hào),來實(shí)現(xiàn)對(duì)充電部分的控制。電路圖如圖2所示,采用BTN7971 集成半橋,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。

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          圖1 實(shí)物

          系統(tǒng)電源的來源由線圈接收的電壓經(jīng)過全橋整流濾波后,得到約24 V 的直流電壓,利用LM2596 得到5 V,給微控制器提供工作電壓[1-3],從而產(chǎn)生控制信號(hào)。

          2.1 控制設(shè)計(jì)

          通過反饋控制,達(dá)到充電功率恒定。方法是首先能夠?qū)τ诔潆姽β蔬M(jìn)行測(cè)量,然后根據(jù)實(shí)際的充電功率與功率設(shè)定值進(jìn)行比較,利用誤差信號(hào),通過PID 控制算法,改變PWM 占空比,進(jìn)而改變充電功率,使其達(dá)到與功率設(shè)定值相同并保持穩(wěn)定。其中功率測(cè)量部分,利用AD8217 對(duì)通過采樣電阻的電壓進(jìn)行放大,從而將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào),利用分壓電阻將電壓降到微控制器的采樣范圍內(nèi),再利用微控制器的A/D 轉(zhuǎn)換完成對(duì)電壓的采樣,在程序里經(jīng)過還原,即可得到相應(yīng)的電流值與電壓值。

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          圖2 控制部分原理圖

          3   硬件電路的設(shè)計(jì)

          智能車電路部分主要的模塊包括:充電模塊、電源模塊、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及其他周邊調(diào)試模塊。各模塊的總體設(shè)計(jì)原則是:,緊湊,易于拆換,穩(wěn)定可靠。但根據(jù)各模塊的不同,又有不同的設(shè)計(jì)要求。

          3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

          由于是由超級(jí)電容供電,所以電源模塊的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要,電源的首要指標(biāo)是可靠性,整個(gè)硬件系統(tǒng)的工作完全由電源供電的可靠性決定,電源供電的不穩(wěn)定性會(huì)引起損耗、微控制器復(fù)位、舵機(jī)及傳感器損毀等嚴(yán)重問題;另外,與傳統(tǒng)的電池供電不同,超級(jí)電容在供電過程中存在電壓降低的問題,所以,在接入電路時(shí),還要有穩(wěn)壓的模塊。

          電源設(shè)計(jì)中主要考慮到需要的電壓和電流,另外還用LED 燈顯示電池電壓,便于直觀發(fā)現(xiàn)電池電量是否正常。我們需要的電源包括3.3 V,5 V,-5 V,10 V 等。根據(jù)規(guī)劃,5 V 供電我們選擇了TPS63070 開關(guān)電源芯片,對(duì)于這款芯片,其輸入范圍為2~16 V,而輸出可調(diào),并且輸出電流可以達(dá)到2 A,足以滿足微控制器、傳感器、外圍電路,以及我們選的銀燕舵機(jī)正常工作所需要的電流。設(shè)計(jì)原理圖如圖3 所示。

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          圖3 電源電路

          3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

          驅(qū)動(dòng)電路為智能車驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供控制和驅(qū)動(dòng)[4-6],這部分電路的設(shè)計(jì)要求以能夠通過大電流為主要指標(biāo)。驅(qū)動(dòng)電路的基本原理是 H 橋驅(qū)動(dòng)原理,目前流行的H橋驅(qū)動(dòng)電路有:H 橋集成電路,如MC33886;集成半橋電路,如BTN7971 等;MOS 管搭建的H 橋電路。

          對(duì)于組,為了選出一個(gè)低功耗的驅(qū)動(dòng)方案,我們對(duì)比三種電路都進(jìn)行了搭建并測(cè)試,MC33886 的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,外圍元件少,但缺點(diǎn)是內(nèi)阻較大,通過電流有限,可以通過兩片MC33886 并聯(lián)方式進(jìn)行改善;IR2104 + MOS 管搭建的H 橋電路可以通過較大電流,但由于每個(gè)MOS 管體積較大,因此電路板面積較大;BTN7971 是集成半橋電路,電路簡(jiǎn)單,只需要簡(jiǎn)單的幾個(gè)外圍電阻,缺點(diǎn)是輸入電壓要高于7 V 才能正常工作,但是對(duì)于超級(jí)電容的寬輸入范圍的電壓,我們可以采用TPS63070 進(jìn)行升壓,給予其足夠工作的電壓。對(duì)比三種方案,我們選擇了BTN7971 作為驅(qū)動(dòng)電路,圖4 是電路原理圖。

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          圖4 驅(qū)動(dòng)電路

          4   方向控制的理論分析

          PID 控制器是一種線性控制器,它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。將偏差的比例(P)、積分(I) 和微分(D) 通過線性組合構(gòu)成控制量,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,故稱PID 控制器,原理框圖如圖5 所示。

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          運(yùn)用PID 控制的關(guān)鍵是調(diào)整KP、KI、KD 三個(gè)參數(shù),即參數(shù)整定。PID 參數(shù)的整定方法有兩大類:①理論計(jì)算整定法。主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù);②工程整定方法。主要依賴工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,且方法簡(jiǎn)單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。由于智能車系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布式系統(tǒng),并且要考慮賽道的具體環(huán)境,要建立精確的智能車運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型有一定難度,而且我們對(duì)車身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行修正,模型參數(shù)變化較為頻繁,理論計(jì)算整定法可操作性不強(qiáng),最終我們采用了工程整定的方法。

          參考文獻(xiàn):

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          [3] 劉慧銀,龔光華,王云飛,等.Motorola(Freescale)微控制器MC68HC08原理及其嵌入式應(yīng)用.新版.北京:清華大學(xué)出版社,1993.

          [4] 卓晴,黃開勝,邵貝貝,等.學(xué)做智能車[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

          [5] 潘新民,王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2001.

          [6] 何立民.微控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1997.

          (本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期)



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