智能小车速度测量控制系统设计

毕业教学环节成果（2012届）题目智能小车速度测量控制系统设计学院信息工程学院专业电气自动化技术班级学号姓名指导教师2012年5月17日目录摘要.....................................................................1英文摘要.................................................................1引言.................................................................-2-1方案设计与论证........................................................31.1主控系统........................................................31.2电机驱动模块....................................................31.3测速模块........................................................41.4显示模块........................................................42系统的硬件电路........................................................42.1总体设计........................................................42.2单片机控制系统设计..............................................52.3电机驱动电路设计................................................62.4LCD显示电路设计.................................................72.5键盘电路设计....................................................82.6测速电路设计....................................................82.7电源电路设计....................................................83系统软件设计..........................................................93.1测速程序.......................................................103.2显示程序.......................................................104调试.................................................................12结论与谢辞..........................................................-13-参考文献............................................................-14-附件1．程序清单.....................................................-15-附件2．整体原理图...................................................-23-1智能小车速度测量控制系统设计信息工程学院电气自动化专业摘要:智能小车以STC12C5410AD单片机为控制核心，L298芯片作为双电机驱动模块，由单片机输出PWM控制电机转速，通过光电编码器检测脉冲并将信号送入单片机来测量电机的转速与距离，通过1602液晶来显示小车的速度。本文介绍了该小车的的主控、电机驱动、电源、显示模块等硬件模块和小车的运动控制速度测量与显示的软件设计。关键词：STC12C5410AD1602LCDPWM光电编码器IntelligentVehicleSpeedMeasurementControlSystemDesignAbstract:CarSTC12C5410ADsinglechipmicrocomputerintelligenttoascontrolcore,L298chipasdoublemotordrivermodule,outputbysingle-chipmicrocomputercontrolPWMmotorspeed,throughthephotoelectricencoderandwillsignaldetectionpulsetosinglechipmicrocomputertomeasuremotorspeedanddistance,through1602LCDtodisplaythespeedofthecar.Thispaperintroducesthemaincontrolofthecar,motordrive,powersupply,displaymoduleandotherhardwaremoduleandacarmovementcontrolspeedmeasurementanddisplaysoftwaredesign.Keywords:STC12C5410AD1602LCDPWMPhotoelectricencoder-2-引言近年来，随着我国经济建设的高速发展，机动车辆拥有量也在急剧增长，交通事故也日益增多，车辆超速成为了越来越严重的问题。而我国生产的汽车、摩托车电机转速测量系统大多使用动圈式模拟测速。这种测量系统存在精度差、过载能力弱等缺点。本系统是以STC12C5410AD单片机为控制核心，通过L298芯片控制电机转速，用光电编码器来检测脉冲再将信号送入单片机来测量电机的转速并使用1602液晶来显示小车的速度。31方案设计与论证根据要求，确定如下方案：整个小车系统主要由三轮结构小车、供电电源电路、测速电路、电机驱动电路以及显示电路组成。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。1.1主控系统根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的运动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用STC12C5410AD单片机，充分利用单片机的资源。1.2电机驱动模块方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整，此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案二：采用由集成了双极性管组成的H桥电路芯片L298N。用单片机控制晶体管使之工4作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。综合两种方案的优缺点，决定选择方案二。1.3测速模块在电机测速中，考虑了两种方案：一种是使用光电码盘，即透射式光电传感器（凹槽型，类似老式鼠标），另一种是霍尔传感器（适合较高速度）。两种方案的主要区别如表1-1：表1-1速度检测系统方案对比霍尔传感器关电码盘抗干扰性较强强实时性较好好易用性需和磁钢配对使用，较麻烦较简单由上表可以看出光电码盘在各方面都具有一定的优势，因此本设计采用关电码盘测速。1.4显示模块系统采用1602液晶显示，它可以显示2*16个字符，同时只用11个I/O端口，它不仅节省了单片机的资源，相比较数码管液晶显示更加直观、节能，同时在硬件上面液晶的驱动电路比数码管简单的多，故采用LCD显示。图1-21602字符型液晶显示2系统的硬件电路2.1总体设计小车本体用有机玻璃制作，有两部分组成，长方体长20cm，宽17cm，半圆为直径为17cm，车架用于支撑控制板、供电电源等。车体总结构有3个轮子组成，前面两个带有电机驱动，电机的型号为PITTMAN直流测速电机0585，具体参数为电压：54-150V功率：4-200w，电机减速比为1：74，减速后电机的转速为100r/min；后面一个为万向轮，在底板的正中间安装各块电路板（有主板、电机驱动以及显示板）。搭建小车自行本体，采用左右两轮分别驱动，即左右两轮分别采用两个转速和力矩基本相同的减速进行驱动，车子的后面安装一个万向轮。图2-1主板设计框图2.2单片机控制系统设计采用STC12C5410AD单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。图2-2STC12C5410AD单片机STC12C5410AD是通过串口连接到PC机进行在线程序编译的。由于电脑串口RS232电平是+10v、-10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0、+5v，MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片，该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平MAX232，用来进行电平转换。本设计MAX232芯片及其功能电路，如图2-3所示：6图2-3单片机MAX232芯片及接口电路通过串口与计算机相连，使用STC-ISP软件实行在线程序烧写。电路连接部分如图所示。MAX232芯片通过两管脚与单片机RXD、TXD端相连，以实现向单片机内部传递程序。基本工作过程：发送时MCU的TXD（TTL电平）经过MAX232的11（T1IN）送到MAX232内部，在内部TTL电平被提升为232电平，通过14（T1OUT）发送出去，接收时外部232电平经过MAX232的13（R1IN）进入到MAX232的内部，在内部232电平被降低为TTL电平，经过12（R1OUT）送到MCU的RXD，进入MCU内部。2.3电机驱动电路设计系统采用两个直流电机，实现正反转、加减速功能，所以需要使用四个功率元器件的H桥电路，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，即内含二个H桥的高电压大电流双向桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，所以根据实际需要选择了L298N芯片。驱动电路的设计如图2-4所示：图2-4L298N驱动电路L298N的IN1、IN2、1IN3、IN4四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。电机转动状态编码如表2-57所示：表2-5电机转动状态编码左电机右电机左电机右电机电