自动往返电动小汽车

自动往返电动小汽车 自动往返电动小汽车 余密 刘勇 尹佳喜 华中科技大学电工电子创新中心（武汉 430074） 摘要：本设计以凌阳16位单片机SPCE061A为核心，通过高灵敏度红外光电传感器检测路面上的黑线，并进行计数，从而控制不同路段的速度，以红外对管检测车轮转动周数，根据车轮周长计算出速度及小车行驶路程。单片机对高灵敏度红外光电传感器检测得到的路面信息进行处理后产生PWM输出，从而控制小车前轮与后轮电机转速，也就控制了小车的速度。到达终点后，电机端电压反向，则小车行驶方向反向，小车由原路倒退返回。红外对管检测到的小车车速及行驶路程信息经单片机计算处理后由液晶显示。 关键字：PWM 光电传感器 检测 调速 一 方案论证与选择 1 电机调速模块 电机调速主要是控制小车的速度与行驶方向。通过对前轮电机转速的控制可控制小车的行驶方向，对小车的行驶速度的控制通过对其后轮转速的控制实现。此模块为本设计的核心部分。 （1）​ 电机调速方案 方案一：电枢回路串电阻调速。如II-1-1所示，通过单片机控制继电器，这样可以控制接入电枢回路电阻的大小，从而实现串电阻调速。此方案只能分级调速，而且，串入电阻造成能量损耗，而本设计采用电池供电，显然，需要节能的调速系统，故此方案不能达到要求。 图III-1-1 电机电枢回路串电阻调速电路图 方案二：电枢回路串电感调速。原理图与方案一相同，将电阻换为电感，这样可以减小能耗，但由于电感消耗无功功率，造成电源污染，故不能采用此方案。 方案三：采用弱磁调速，即改变电机气隙磁通。此方案可以连续调速，而且，能耗小，可由额定转速向高速方向调节，也可由额定转速向低速方向调节。但由于小车电机不为他励直流电机，故很难改变磁通大小，方案难以实现。 方案四：采用改变端电压调速。根据直流电机机械特性方程 n=Ua/keФ+(Ra+Rj)T/kekTФ2=n0-βTT n——电机转速； n0——电机空载转速； ke、kT——电机结构参数所确定的电机电势常数、转矩常数； Ф——气隙磁通； Ua——电动机电枢电压； Ra、Rj——电机电枢电阻及串入电阻； T——负载转矩； βT——机械特性曲线斜率； 由上述直流电动机机械特性知，改变电枢端电压，可以连续改变电动机转速。此方案简单易行，易于实现，故采用此方案。 （2）​ 改变电压方式选择 方案一：G-M调速系统。即电机带动电动机转动调速。通过改变直流发电机的励磁电流，从而改变输出端电压，这样就改变了电动机电枢端电压。此方案可在四象限运行，但设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便。而且，本设计采用电源供电，此方案很难实现。 方案二：V-M调速系统。可以为半波、全波、半控、全控等形式，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变输出直流电压，从而实现平滑调速。相比方案一，此方案可以大大提高系统动态性能，采用两组还能实现有源逆变。但当系统处在深调速状态时，开关管导通角很小，使得系统功率因数很低，并产生较大的谐波电流，危害电源。 方案三：PWM调速系统，即为直流脉宽调制调速。直流斩波器（直流调压器）可用来直接控制直流电压，实现DC-DC变换。相比V-M调速系统，PWM调速系统有下列优点：a、仅靠电枢电感的滤波就可以得到脉动很小的直流电流，电机电枢容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，电机损耗和发热小。b、快速响应性能好，动态抗干扰能力强。 比较上述三种方案，显然方案三性能好，对电源危害小，故采用方案三。 （3）​ 电机制动 方案一：能耗制动。采用图III-1-1的电路，在小车到达终点时，通过单片机控制继电器，从而将电阻接入，电机转速下降至零，实现停车。此方案实现电路复杂。 方案二：反转制动。在小车将到达终点时，在电机两端加一负电压，从而电机可快速停转。但此方案很难把握何时加这一负电压，比较难控制，而且，控制电路须再加一组，比较复杂。 方案三：直接将电压降为零来制动。在小车到达终点时，单片机输出控制信号，将电机驱动电路隔断，这样电机端电压为零，小车减速至零。通过车速及路程检测模块检测到的路程超调量，控制电机反转时间与速度，如此调节，最终将小车停靠在终点线。 相比之下，方案三简单易行，易于控制，故采用此方案。 2 地面黑线检测模块 利用光线照到地面发生反射，由于不同颜色反射系数不同来检测。由于白纸反射能力强，而黑线反射很弱，通过传感器接受到不同的光信号，从而输出不同的电平，这样就可以检测出地面上的黑线。 方案一：由可见光发光二极管（如红色、绿色或黄色等）发射可见光，光敏二极管或光敏三极管作为接收器件。发光二极管反射可见光经地面反射到光敏二极管或三极管，光敏二（三）极管因反射的光强不同而呈现不同的电阻值，这样，在经过黑线时即可检测出。此方案简单，但易受外界光源的干扰，容易出错，检测不出黑线。 方案二：脉冲调制式发射接收装置。采用脉冲发射与接收装置可以提高瞬时输出光强，提高抗干扰能力，还能节损能量。此方案最大的一个缺点是不易控制脉冲发射时间间隔，而黑线只有2cm宽，容易跳过黑线而传感器检测不出来。这样就容易出错。 方案三：采用不调制的红外反射接收装置。这样可以提高抗干扰能力，还能灵敏的检测到地面上的黑线，还能区别地面上的脏迹。 经权衡，我们采用方案三。 3 车速及小车行驶路程检测模块 对于速度的测量，有离心式测速，测速发电机，但在本设计中不能采用这些仪器仪表。本设计中采用传感器检测到车轮转过的圈数，根据测出的车轮周长以及行驶时间即可计算得到小车行驶速度。 方案一：采用磁性传感器件，如霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管等。在车轮上固定一磁片，磁性传感器根据磁片不同的位置，感受的磁感应强度变化时，输出相应的电脉冲信号，从而完成转速的测量。 方案二：电涡流式转速测量。在小车轮上开一或数条小槽，也可以打一或数的小圆孔，旁边放置一电涡流传感器，由于所开槽（或孔）与电涡流探头的距离不同于电涡流探头与未开槽（或孔）处的距离，致使电涡流传感器将周期的改变输出讯号。此信号经整形可作为计数脉冲，记出车轮转过的圈数。 方案三：光电式传感器测速。在车轮上装一白纸，并将其分为8等份，其中4分份涂为黑色，通过光电对管检测车轮转过的圈数，即可得到小车的行驶速度。 以上三种方案均为非接触式转速测量，具有精度高、动态响应好、稳定性及可靠性好等优点，都在实际中得到了广泛应用。但在此设计中，光点式传感器更易安装，故采用方案三。 4 显示模块 方案一：采用数码管显示。编程驱动简单，但由于数码管只有8段（实际只有7段有效），显示内容有限，而且，耗能很大。 方案二：液晶显示。可以灵活显示各种数字文字，故采用液晶显示器。液晶可以显示行驶速度路程及其单位。耗能小，这对采用电池供电的本设计是一大优势。 5 小结 经上面的论证比较，采用高灵敏度的光电对管检测路面上的黑线，单片机根据检测到的信号输出PWM控制电机转速。同时，采用光电式传感器检测车轮转过的圈数，根据车轮的周长计算出路程，另外，由单片机内部时钟计时，这样就可计算出小车速度。路程及速度结果由液晶显示。系统框图如下图III-1-2。 图III-1-2 系统框图 二 理论分析与计算 1 黑线检测模块 采用高灵敏度的红外对管，能快速检测到路面上的黑线，并输出一个高电平，单片机根据此高电平对小车经过的黑线计数。根据计数判断出限速区，单片机输出最小占空比的PWM，从而将速度减为最小。其他路段则用全速跑完全程，并在将到达终点时关断电动机电源，使小车停车。采用的高灵敏度光电传感器可以区分地面上的脏污（如脚映）与黑线。 如图III-1-3所示，检测到的脉冲信号经一非门40106整形。I1为前轮，I2为后轮检测到的脉冲。通过IOB10，IOB11控制脉冲的输入。小车前进时，IOB10置高电平，IOB11置低电平，B1A导通，B2A截止但输出高电平，则输入单片机的为前轮检测到的信号，单片机只对前轮遇到的黑线计数。反之，小车倒退时，IOB11置高电平，IOB10置低电平，B2A导通，B1A截止但输出高电平，则输入单片机的为后轮检测到的信号，单片机只对后轮遇到的黑线计数。检测到黑线后，单片机产生中断，计数一次。 图III-1-3 黑线检测电路 2 电机调速 如图III-1-4所示，IOB9控制PWM由it1或it2输出，从而控制电动机的正反转，这样在小车到达终点后可沿原路倒退到起始点。IOB9为高点平时，与非门A1A导通，PWM反相后由it1输出。反之，IOB9为低电平时，与非门A1A截止，而与非门A3A导通，输出高电平，这样，非门A2A导通，PWM反相后由it2输出。 图III-1-4 电机转向控制电路 输出的PWM波驱动三极管，这样可采用电机正9V电源驱动达林顿管组成的H型直流斩波器，可以提供足够大的电流。 图III-1-5 电机驱动电路 在实际设计时，发现此电路性能很差，小车速度特别低，而且不很稳定，故没有采用此电路，而是采用图III-1-7的电机转向控制电路以及图III-1-8的电机驱动电路。 利用凌阳单片机两16位内部计数器/定时器TimerA和TimerB来产生不同脉宽的PWM输出。分别对P_TimeA_Ctrl与P_TimeB_Ctrl置数，可以控制输出PWM的脉宽与频率，分别在TimerA或TimerB溢出时输出PWM。根据设置，可得到15种不同的PWM信号。本设计采用TimerA计数器/定时器产生PWM。设置TimerA计数器/定时器的时钟频率，在其溢出时输出PWM，在此，设定频率为2KHz，PWM由IOB8输出。 IOB8输出PWM波,IOB9控制输出端，从而控制电机驱动电路的MOS管的导通，控制电机转向。电路如图III-1-7所示，在IOB9输出高电平时，a_2A导通，从而三极管Q1在PWM高电平时导通，可知输出端口3输出反相的PWM波，同时，三极管Q1导通，1端输出低电平。反之，在IOB9输出低电平时，a_3A导通，则a_1A导通，从而三极管Q2导通，端口2输出反相的PWM，同时，Q3导通，4端输出低电平。这样1与3，4与2组合，即可驱动电机。利用对IOB9置数，可以控制PWM的输出端，从而控制电机的转向。 采用如图III-1-8所示的电机驱动电路。由于MOS管开关性能良好，而且，管压降很低，这对电池供电的本设计特别有利。由MOS管组成的H型直流斩波器（直流调压器），实现DC/DC变换，从而改变电枢端电压。如图III-1-6所示 图III-1-6 直流斩波器工作波形图 如图III-1-6所示，直流斩波器工作波形图。电动机电枢端电压为： U0=Ton/T *Ud=αl* Ud Ud为供电电压，在这里为6节电池的9V电压； αl =Ton/T为占空比，Ton为一个周期导通时间； U0为输出的平均电枢端电压。由于电枢电感有滤波作用，此电压也为电枢的直流电压。 改用此方案后，发现小车行驶速度显著提高，而且，性能稳定，耗点量明显下降。 图III-1-7 电机转向控制电路 图III-1-8 电机驱动电路 3 速度路程检测模块 采用红外对管ST168，相比黑线检测用到的红外对管，灵敏度稍差了一些，但价格比较便宜，而且，在此检测模块中不须很高灵敏度的传感器。 如图III-1-9所示电路，红外对管ST168正对车轮涂黑部分时，输出一高电平，正对白色部分时输出低电平。此电平经一高精度比较器LM311后输出更好的波形，再经非门电路40106整形作为单片机计数时钟。 单片机计数得到车轮转过的圈数，再根据车轮周长即可计算出小车行驶的路程。同时，单片机通过时间中断得到行驶时间，将路程除以时间即可得到速度。 图III-1-9 路程速度检测电路 三 软件流程 （1）​ 主程序流程 分为三个子程序：计时，路程以及速度检测计算，黑线检测计数。均采用单片机内部中断完成。 同时，运用单片机中的外部中断来检测路面上的黑线以及计数车轮转过的圈数。流程图如图III-1-10所示。 图III-1-10 主程序流程 （2）​ 计时子程序流程 利用单片机内IRQ5_4Hz中断计时。此中断在一秒中发生4次中断，根据小车在行驶过程中发生的中断次数即可计算出时间。如发生中断次数为N，则行驶时间为T=N/4秒。 否 是 图III-1-10 计时子程序流程 （3）​ 路程速度检测子程序 否 是 图III-1-11 路程速度检测子程序流程 如上图III-1-11，采用单片机外部中断IRQ3_EXT2，在车轮上的涂黑部分正对红外对管时，红外对管输出一高电平，这时，单片机发生一次外部中断，计数一次。单片机根据小车行驶过程中计数次数以及测得的车轮周长即可算出行驶路程。由于车轮平均分为8份，其中四份涂为黑色，这样可减小误差，计算时需将中断次数除以4。如测得车轮周长为C，中断次数为N，则行驶的路程为 L=CN/4 （4）线检测程序流程 采用单片机外部中断IRQ3_EXT1，小车行驶过程中，检测到路面上的黑线时，红外对管输出一高电平，这时，单片机发生一次外部中断，并计数一次。单片机根据小车行驶过程中计数次数来判断限速区，在限速区内，单片机输出1/16占空比的PWM脉冲，将速度降为最低。而在其他路段，小车以全速行驶。而且，根据计数次数，单片机判断小车是否到达终点。若到达终点，单片机输出低电平，从而H型电机驱动电路截止，电机停转，小车停车。 黑线检测程序流程如图III-1-12.。 四 测试与结果分析 1 测试仪器仪表 CA1640P-20型函数发生器/计数器 Tektronix TDS1002 20MHz双通道数字示波器 凌阳单片机极其开发系统 DF1731SL1ATA直流稳压电源 PC机 秒表 卷尺 模拟跑道：总长22m， 电池10节。 2 测量方法 4 测试结果 5 结果分析 图III-1-12 黑线检测程序流程 五 结束语 六 参考文献 ［1］全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编. 北京：北京理工大学出版社，2003. ［2］谢自美.电子线路设计·实验·测试（第二版）.武汉：华中理工出版社，2000. ［3］张彦斌等.凌阳十六位单片机原理及应用. 北京：北京航天航空大学出版社，2003. [4]陈坚.电力电子学.北京：高等教育出版社，2002. [5]马志源.电力拖动系统.华中科技大学电力拖动讲义，2003. [6]周予为等.检测技术. 华中科技大学检测技术讲义，2003