搜索
哈尔滨工程大学本科生毕业论文1第1章绪论1.1论文研究的背景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，倒车防撞报警器设计，LCD（LiquidCrystalDisplay）显示等功能，既应用了本科阶段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。1.1.1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。哈尔滨工程大学本科生毕业论文2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（电压输出型光电码盘）（3）动力装置（直流电机）（4）直流电机驱动器1.1.2超声波倒车防撞系统改革开放以后，我国经济快速发展，汽车的拥有量大大增加，一些大中型城市交通拥挤，导致交通事故频发。安全驾驶逐渐成为大家关注的焦点，倒车防撞系统的需求非常迫切，因此对其进行设计生产显得非常重要。此倒车防撞系统利用了超声波的特点和优点，将超声波测距和飞思卡尔单片机结合为一体，设计出一种基于MC9S12DG128B单片机的超声波倒车防撞报警系统。1、超声波测距模块在本系统中，超声波模块的主要任务是：通过单片机产生40KHz的脉冲，来激发发射探头发出超声波，接收探头接收到超声波后反馈给单片机一段脉冲。单片机定时器记录发射跟接收的40KHz脉冲的时间，算出时间间隔，然后通过编程算法计算出距离。2、防撞报警系统本系统采用LED发光二极管作为报警器。在车体逐渐逼近障碍物的过程中，通过编程使单片机引脚产生一定频率的脉冲，驱动发光二极管。当倒车时候，如果逼近障碍物，则发光二极管闪烁频率会加快，进而判定有障碍物，达到防撞报警的作用。1.1.3LCD液晶显示系统在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的最大辅助功能，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交哈尔滨工程大学本科生毕业论文3流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器等。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1、显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2、数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。3、体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。4、功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。由于以上诸多优点，本系统中采用LCD1602A字符液晶来完成LCD显示模块的设计，做到小车行驶时候对小车速度的实时显示，完善移动小车的功能。1.2论文研究的目的和意义本设计以FreescaleCodeWarrior为开发环境，采用MC9S12DG128B（16位）MCU（MicroControlUnit）作为主控芯片，利用MC9S12DG128B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，超声波倒车防撞报警器，LCD显示系统等功能。整个系统的设计不仅是对小车控制系统的开发，而且充分的利用了清华大学的MC9S12DG128B教学实验系统，达到了理论与实践的结合，加深了对自动控制理论的了解。哈尔滨工程大学本科生毕业论文41.2.1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PulseWidthModulation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。1.2.2倒车防撞报警与LCD显示的目的和意义车辆在行驶过程中最重要的是安全问题，而倒车时候由于驾驶员的视野有限，可能导致撞车，安全问题变得尤为突出。超声波倒车防撞方案是目前汽车市场主流的安全倒车方案，其性能可靠，准确度高，满足车辆在低速倒车中的报警防撞要求，从而能提高机车行驶过程中的安全性。车辆在行驶过程中，单纯靠驾驶员经验是不可能准确判定车辆行驶的速哈尔滨工程大学本科生毕业论文5度。采用液晶来显示当前行驶速度，首先也最总要的是让驾驶员看到精准车速，避免速度过大，保证了车辆行驶的安全性；其次在一些限速街道，比如慢行街、高架桥等，驾驶员能够保证不超速，避免了不必要的违章行驶导致的行政处罚。1.3论文研究的主要内容本文以FreescaleCodeWarrior为开发环境，采用飞思卡尔MC9S12DG128B（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RS380-ST型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FreescaleCodeWarrior4.7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。哈尔滨工程大学本科生毕业论文6第2章总体设计思路及方案论证基于FreescaleS12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FreescaleCodeWarrior4.7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FreescaleMCU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MC9S12DG128B属于FreescaleMC9S12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。MC9S12DG128B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、FreescaleMC9S12系列微控制器FreescaleMC9S12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哈尔滨工程大学本科生毕业论文7产品中，例如空调、冰箱、PC外围设备和通信机电产品等。S12系列微控制器主要有A、B、C、D、E、F、G、H、L等系列，分为以下几大类：（1）MC9S12A系列和B系列16位微控制器；（2）带CAN总线的MC9S12D系列16位微控制器；（3）带液晶驱动的MC9S12H系列和MC9S12L系列16位微控制器；（4）低供电电压的MC9S12E128和MC9S12E64系列16位微控制器；（5）带USB接口的MC9S12UF32系列16位微控制器；（6）带以太网接口的MC9S12NE系列16位微控制器。S12系列微控制器有以下优点：（1）S12系列具有FLASH存储器；（2）S12系列采用的C语言已进行了最优化设计，编码方式效率高；（3）S12系列具有低成本调试功能。2、MC9S12DG128B微控制器的组成MC9S12DG128B有16路AD转换，精度最高可设置为10位；有8路8位PWM并可两两级联为16位精度PWM，特别适合用于控制多电机系统。它的串行通信端口也非常丰富，有2路SCI，2路SPI此外还有IIC，CAN总线，增强型捕捉定时器等端口，并且采用了引角复用功能，使得这些功能引角也可设置为普通的I/O端口使用。此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化我们的程序设计。MC9S12DG128的封装有两种，一种为80引角的QFP-8封装形式，它没有引出扩展总线，且AD转换只引出了8路；一种为112引角的LQFP-112封装形式，两种都采用了表面贴片式封装。从下面的引角图我们可以看到MC9S12DG128的引角复用情况，一个引角往往有双重或多重功能，而这些功能的设置大部分是通过编程来实现的，非常方便。对于MC9S12DG128的学习，先从各引角的功能学起，然后试着下载程序，再逐渐编程实现各引角的功能。哈尔滨工程大学本科生毕业论文8在单片模式下，A口、B口和部分E口都可以用作通用I/O接口，如果所有接口工作在通用I/O方式下，那么I/O口将达到63个。这些双重功能的I/O口本身及控制逻辑完全集成在MCU内部，其体积、功耗、可靠性、应用简单方便程度都与用户自行扩充的I/O口有着重要区别。LQFP-112封装的MC9S12DG128B[