基于光电传感器的智能小车控制系统设计与实现 - 图文

第1章 绪论 ............................................................................................................................2

1.1 速度闭环控制系统 ...................................................................................................2 1.2直流电机闭环控制的目的和意义 ..............................................................................3 1.3 主要内容 ...................................................................................................................4 第2章 总体设计思路及方案论证 ........................................................................................5

2.1 硬件设计方案论证 ...................................................................................................5

2.1.1 单片机模块方案 ............................................................................................5 2.1.2 5V稳压电源模块方案 ..................................................................................8 2.1.3 直流电机驱动模块 ........................................................................................9 2.1.4 测速方案 ......................................................................................................10 2.2 控制方案论证 .........................................................................................................10 2.3 本章小结 ................................................................................................................. 11 第3章 系统硬件电路设计 ..................................................................................................12

3.1 Freescale单片机模块 .............................................................................................12

3.1.1 时钟电路 ......................................................................................................12 3.1.2 复位电路和BDM接口 ...............................................................................13 3.1.3 单片机最小系统电源电路 ..........................................................................14 3.2 5V稳压电源模块 ...................................................................................................14 3.3 测速传感器模块 .....................................................................................................16

3.3.1 光电码盘的工作原理及设计 ......................................................................16 3.3.2 光电编码器的安装结构 ..............................................................................18 3.4 直流电机及其驱动模块 .........................................................................................18

3.4.1 直流电机 ......................................................................................................18 3.4.2 直流电机驱动器 ..........................................................................................19 3.5 本章小结 .................................................................................................................20 第4章 系统软件设计 ..........................................................................................................21

4.1 软件功能及流程 .....................................................................................................21 4.2 单片机系统初始化 .................................................................................................22

4.2.1 单片机最小系统初始化 ..............................................................................22 4.2.2 定时器初始化 ..............................................................................................25 4.2.3 PWM初始化 ...............................................................................................26 4.3 速度闭环控制程序 .................................................................................................29

4.3.1 PID控制原理...............................................................................................29 4.3.2 数字PID控制算法 ......................................................................................30 4.3.3 速度闭环控制程序设计 ..............................................................................31 4.3.4 具体程序设计 ..............................................................................................32 4.4 本章小结 .................................................................................................................34 第5章 系统调试 ..................................................................................................................35

5.1 开发工具介绍 .........................................................................................................35 5.2 系统硬件调试 .........................................................................................................36 5.3 系统软件调试 .........................................................................................................37 5.4 本章小结 .................................................................................................................38 结 论 ......................................................................................................................................39 参考文献 ..................................................................................................................................40

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第1章 绪论

闭环控制是自动控制论的一个基本概念，也称反馈控制，在日常生活的各种控制实例中有具体的表现方式，比如常用交通工具中电车的速度控制，汽车的速度控制，冰箱的温度调节等，其中采用闭环控制方案对直流电机进行调速是生产生活中最常见的一种闭环控制实例。在工业自动化飞速发展的今天，利用高性能单片机来完成对仪器设备的自动化控制是其中最重要的一个环节。本文研究对象是基于Freescale单片机的移动小车控制系统设计，涉及到对直流电机的速度控制，舵机转向的控制，应用了所学的电路基础知识、自动控制理论知识，又充分利用了Freescale单片机的高性能与可靠性。 1.1 速度闭环控制系统

随着工业自动化以及电子信息技术和自动控制技术的不断发展，电机的种类不断增加，性能也更加出色。以电机为动力的车辆的自动化程度也越来越高，对车辆自动化程度的要求也越来越高，电车近几十年来发展十分迅速，直流电机电瓶车的速度控制水平也得到了极大的提高。转速控制作为电机控制中最关键的部分，具体反映到电车就是在车体速度控制上，而速度闭环控制作为重要的控制方式，得到了最广泛的应用。

直流电机速度闭环控制系统包括以下内容： （1）直流电机在接到起动电压后起动；

（2）转速达到预设速度后，利用PWM脉宽调制电路产生方波，并通过单片机设定占空比，达到无级调速；

（3）采用直流电机反接制动原理来调速，在增量PID控制算法下达到稳定转速的效果。

速度闭环控制系统硬件组成： （1）PWM脉宽调制电路 （2）测速装置（光电编码器）

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（3）动力装置（直流电机） （4）直流电机驱动器

本设计以Freescale CodeWarrior为开发环境，采用MC9S12XS128（16位）MCU （Micro Control Unit）作为主控芯片，利用MC9S12XS128教学实验系统并增加必要的外围辅助电路，设计完成直流电机的速度闭环控制，直流电机驱动器，整个系统的设计不仅是对小车控制系统的开发，达到了理论与实践的结合，加深了对自动控制理论的了解。

1.2直流电机闭环控制的目的和意义

电机在工业生产中的主要控制方式为闭环控制，电机闭环控制技术的不断改进带来生产和生活了众多的好处：能够提高电机运行过程中的平稳，进而使以电机为动力的机械可靠性增加；增加各类机械中的自动化技术含量；增加电力机车在交通运输工具中所占的比例，减少环境污染等。

而为了提高直流电机调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈、电流反馈、电压反馈等。在单闭环控制系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电机作动力,但直流电机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度。

反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该被控量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高动静态指标，希望电机转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变，最直接和最有效的方式就是采用转速负反馈构成速度闭环控制系统。

PWM简称脉宽调制，即英文Pulse Width Modulation的缩写，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

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在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。采用单片机产生PWM脉冲进行直流电机的无级调速是目前直流电机调速的最常用方法之一。

1.3 主要内容

本文以Freescale CodeWarrior为开发环境，采用飞思卡尔MC9S12XS128（16位）MCU作为主控芯片，进行课题的设计与研究。具体研究内容如下：

1、选用恒压恒流H桥式驱动芯片L298N，完成基于PWM（脉宽调制）电路的直流电机驱动器设计，实现对7.2V直流电机的无级调速。

2、采用增量式PID控制算法进行直流电机闭环控制程序设计，编写相应C语言程序，完成对直流电机的速度单闭环控制，从而实现小车速度的实时控制。

3、基于超声波测距原理设计倒车防撞报警器，并用C语言编写功能程序，使小车在倒车过程具有防撞报警功能。

4、设计制作LCD显示系统，用于显示小车的实时速度值，使速度量可视化，完善小车功能。

5、利用Freescale单片机开发板和Freescale CodeWarrior 4.7开发软件包，完成对速度闭环控制程序、超声波倒车防撞报警程序、LCD显示功能程序的调试。

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第2章 总体设计思路及方案论证

基于Freescale S12单片机对移动小车控制系统进行设计，实现对小车的速度闭环控制。因为需要设计直流电机驱动器、倒车防撞报警器、LCD液晶显示系统等硬件实物，并通过Freescale CodeWarrior4.7软件包开发设计相应的驱动和功能程序，所以对设计总体思路进行把握主要工作分为两部分：硬件和软件。首先对硬件和软件的设计方案分别进行可行性论证，在此基础上才能进行具体的方案设计与软硬件调试。

2.1 硬件设计方案论证

采用Freescale MCU作为控制芯片，对个功能模块进行控制。由于涉及到的功能相对较多，首先需要在原理上对每一部分功能模块进行分析，再把软硬件集成到一起进行可行性论证。 2.1.1 单片机模块方案

MC9S12XS128属于Freescale MC9S12系列微控制器[19]，是飞思卡尔半导体公司的汽车电子类产品，早在飞思卡尔还没有从摩托罗拉分离出来前就已经诞生了。其内核为CPU12高速处理器。MC9S12XS128拥有丰富的片内资源，flash达128kb，加入裁减过的μC/OS都没有问题，所以对于中等复杂程度的控制系统它不用扩充片外存储器。

1、Freescale MC9S12系列微控制器

Freescale MC9S12系列MCU是以高速CPU12内核为基础的微控列，简称S12系列[2]。典型的HC12总线频率为8MHz，而典型的S12总线频率为25MHz。HC12与S12指令完全兼容，故统称为HCS12系列微控制器。

智能产品的设计人员可利用S12系列微控制器低成本的FLASH存储器，轻松实现以微控制器为基础的远程升级、换代和现场进行快速再编程系统设计，可缩短嵌入式产品的设计周期，改善性能，同时亦降低售后服务系统的整体成本。S12微控制器已广泛应用于通信、工业以及无数消费类电子

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