电子设计竞赛培训-控制类.ppt

电子竞赛（控制类）,重庆科技学院 李正中 2013年7月17日,微机控制系统结构,典型微机控制系统结构框图,历届大赛控制类题目,① 水温控制系统（1997年C题） ② 自动往返电动小汽车（2001年C题） ③ 简易智能电动车（2003年E题） ④ 液体点滴速度监控装置（2003年F题） ⑤ 悬挂运动控制系统（2005年E题） ⑥ 电动车跷跷板（2007年F题本科组） ⑦ 声音引导系统（2009年B题） ⑧ 智能小车（2011年C题）,控制系统设计的能力需要,（1）系统控制方案和算法设计 （2）微控制器及其外围电路模块制作和编程 （3）传感器电路模块制作和编程 （4）电机控制电路模块制作和编程 （5）电源电路模块制作 （6）机械传动机构制作,控制专题（一）：直流电机控制,,小直流电机具有体积小、调速简单等优点，故常用于小车的动力装置小直流电机的控制内容： （1）速度控制 （2）方向控制,控制专题（一）：直流电机控制,,（1）小直流电机的速度控制 直流电机转速n的表达式为： 其中：U~电枢端电压；I~电枢电流；R~电枢电路总电阻；Φ~每极磁通量；K~电动机结构参数 则电机转速控制方法可采取电枢电压控制法，即励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。

如何控制电压？ ——PWM（Pulse Width Modulation ）脉宽调制,控制专题（一）：直流电机控制,,PWM原理,,当晶体管V的基极输入高电平时，V导通，直流电机电枢绕组两端有电压Us，t1秒后，基极输入变为低电平，V截止，电机电枢两端电压为0；t2秒后，基极输入重新变为高电平，V的动作重复前面的过程电机电枢两端的电压平均值Uo为：,,控制专题（一）：直流电机控制,,PWM原理,,电机电枢两端的电压平均值Uo为：,,∂称为占空比，表示在一个周期T里，晶体管导通的时间与周期的比值 ∂的变化范围为[0,1]当电源电压Us不变时，电枢端的平均电压Uo取决于∂的大小，改变∂的值就可以改变端电压的平均值，从而进行调速，这就是PWM调速原理如何改变∂的值？常用的一种方法是定频调宽法即使周期T保持不变，同时改变t1和t2的大小控制专题（一）：直流电机控制,,生成PWM波的方法,,,延时程序 专用PWM波生成器 带PWM模块的单片机 单片机的定时器,STC12C60S2 STC12C2052,控制专题（一）：直流电机控制,,定时中断法生成PWM波,,,设51单片机晶振12MHz，利用P2.0口发出周期为10ms，占空比为50%的PWM波信号,#include “reg51.h“ sbit pwm=P2^0; unsigned char count=0; void main() {TMOD=0x01; //定时器0方式1TH0=0xfc;TL0=0x18; //定时1msET0=1;EA=1;TR0=1;while(1); },void timer0() interrupt 1 using 1 { TH0=0xfc;TL0=0x18;count++;if(count<5)pwm=1;else if (count<10)pwm=0;else {count=0;pwm=1;} },思考题：若需要占空比可调，程序应如何修改？,控制专题（一）：直流电机控制,,（2）小直流电机的方向控制——H桥电路,,方向=1： PWM=1时，Y1=1；V1和V4导通PWM=0时，Y1=0； V1和V4截至,V2和V3一直截至,控制专题（一）：直流电机控制,,（2）小直流电机的方向控制——H桥电路,,方向=0： PWM=1时，Y2=1；V2和V3导通PWM=0时，Y2=0； V2和V3截至,V1和V4一直截至,控制专题（一）：直流电机控制,,可逆PWM控制,,,设51单片机晶振12MHz，通过H桥电路生成可逆PWM波，P2.0发出周期为10ms，占空比为50%的PWM波，P2.1控制方向。

include “reg51.h“ sbit pwm=P2^0; sbit direct=P2^1; sbit key=P1^0; //由该引脚电平判断正反转 unsigned char count=0; void main() { TMOD=0x01; //定时器0方式1TH0=0xfc;TL0=0x18; //定时1msET0=1;EA=1;TR0=1;while(1){scan();} },void timer0() interrupt 1 using 1 { TH0=0xfc;TL0=0x18;count++;if(count<5)pwm=1;else if (count<10)pwm=0;else {count=0;pwm=1;} },void scanf() { if(key==1)direct=1;else direct=0; },控制专题（一）：直流电机控制,,（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N,,恒压恒流桥式2A驱动芯片 驱动两个二相直流电机 驱动一个四相直流电机 驱动一个两相步进电机,控制专题（一）：直流电机控制,,（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N,,控制专题（一）：直流电机控制,,（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N,,控制专题（一）：直流电机控制,,（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N,,控制专题（一）：直流电机控制,,（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N,,控制专题（一）：直流电机控制,,（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N,,设计实例：两路电机PWM调速 设计内容：对两路电机分别实现启/停、正/反转和加/减速控制,系统硬件： 单片机P0口接8个按键，分别为电机A和电机B的启/停键、正/反转键、加速键和减速键 单片机的P2.0~P2.5接L298N的两路电机控制端口,控制专题（一）：直流电机控制,,（4）智能小车设计实例——循迹小车,,功能：小车按图所示的黑色轨迹运行,组成：电源模块、循迹模块、主控模块、电机驱动模块,器件：51单片机、9V直流电机、循迹传感器,控制专题（一）：直流电机控制,,电源模块设计,,电源模块是智能车硬件设计中的一个重要组成部分，按照系统各部分正常工作的需要，电压值分为5 V和9V两个挡。

其中：主控模块和循迹模块需用5V电源供电；电机和驱动模块需用9V电源供电电源选择：干电池、充电电池；尽量选取容量较大的控制专题（一）：直流电机控制,,电源模块设计,,以6节5号碱性电池为例： 9V直接给L298驱动端VS供电，以驱动电机 经过稳压芯片降压到5V后，给单片机和循迹模块供电,稳压芯片的选择： 7805（2.5V,1A） LM2940（0.5V,1A） SPX1117（1.1V,800mA） ……,防止电机启动拉低单片机电流： 电解电容,控制专题（一）：直流电机控制,,电源模块设计,控制专题（一）：直流电机控制,,循迹模块设计,常见循迹传感器： 反射式光电传感器、红外对管、黑白线传感器控制专题（一）：直流电机控制,,循迹模块设计,反射式光电传感器原理：白色反光，黑色吸光,控制专题（一）：直流电机控制,,循迹模块设计,反射式光电传感器电路：,原理： 当光电传感器检测到黑线时，V1为高电位，若此时LM324同向端低于V1，则Vout输出低电平 当光电传感器检测到白线时，V1为低电位，若此时LM324同向端高于V1，则Vout输出高电平调节电位器，使LM324同向端输入电压在V1的高低电平之间,控制专题（一）：直流电机控制,,循迹模块设计,传感器布局：,数量：最少2个，越多探测信息越丰富，但也要考虑电路复杂 度和功耗等排列：单排，双排，八字形排列、W型排列等,控制专题（一）：直流电机控制,,循迹算法设计,2传感器布局为例：,,状态一：小车走直线,控制策略：左右轮电机转速相同,,控制专题（一）：直流电机控制,,循迹算法设计,2传感器布局为例：,状态二：小车右转,控制策略：右轮转速大于左轮,,控制专题（一）：直流电机控制,,循迹算法设计,2传感器布局为例：,状态三：小车左转,控制策略：左轮转速大于右轮,,控制专题（一）：直流电机控制,,循迹算法设计,2传感器布局为例：,状态四：特殊情况,控制策略：根据前一次状态标记决定当前状态。

前一次是右转，当前接着右转 前一次是左转，当前接着左转,,控制专题（一）：直流电机控制,,循迹算法设计,2传感器布局为例：,void scan_led( ) {if ( P0^0==0 }} },控制专题（一）：直流电机控制,,（4）智能小车设计实例——避障小车,,功能：小车从无障碍地区启动前进，感应前进路线上的障碍物后，根据障碍物的位置选择下一步行进方向组成：电源模块、避障模块、主控模块、电机驱动模块,器件：51单片机、9V直流电机、避障传感器,控制专题（一）：直流电机控制,,避障模块设计,常见避障传感器： 超声波、激光、红外对管、视频和光电开关等,控制专题（一）：直流电机控制,,避障模块设计,超声波传感器使用：,距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;,控制专题（一）：直流电机控制,,避障模块设计,控制专题（一）：直流电机控制,,避障模块设计,光电开关使用：,模块工作原理： （1）红色：接4.5-5V电源 （2）黄色：接单片机，输出TTL电平给单片机（先接10k上拉电阻），无障碍该引脚为高电平，有障碍输出低电平 （3）绿色：接GND,黄色输出端的电平信号可用查询方式或中断方式读取。

控制专题（一）：直流电机控制,,避障算法设计,,控制专题（一）：直流电机控制,,（4）智能小车设计实例——寻光小车,,功能：小车自动寻找光源，并向光源行驶,组成：电源模块、寻光模块、主控模块、电机驱动模块,器件：51单片机、9V直流电机、寻光传感器,控制专题（一）：直流电机控制,,寻光模块设计,常见寻光传感器： 硅光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等,控制专题（一）：直流电机控制,,寻光模块设计,光敏电阻特性：,光敏电阻器又称光导管，特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光光敏电阻器的主要参数 1）亮电阻（kΩ）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值 2）暗电阻(MΩ)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值 3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压 控制专题（一）：直流电机控制,,寻光模块设计,光敏电阻电路：,AD端电压=Vcc×R2/(R1+R2),调节R2，使AD端电压在无光照和有光照时的电压范围尽量宽AD端电压可送入AD转换器转换为数字量以备后续处理控制专题（一）：直流电机控制,,寻光算法设计,,车头安放两路光敏电阻采样电路，并用遮光板隔开。

两路电压采样值送AD转换器进行转换 根据转换结果控制小车运行方向情况一： A>B 光源在左侧，小车左转,控制专题（一）：直流电机控制,,寻光算法设计,情况二： AB，则在左侧；反之，则在右侧控制专题（一）：直流电机控制,,（4）智能小车设计实例——其它功能,功能：测速、金属探测、声光报警等,速度/行程：,方法一：反射式光电传感器,高（低）电平个数/4=车轮转过的圈数 圈数*车轮周长=行程 行程/时间=速度,控制专题（一）：直流电机控制,,（4）智能小车设计实例——其它功能,功能：测速、金属探测、声光报警等,。