蛇行多级小车控制系统设计.docx
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蛇行多级小车控制系统设计
毕业设计(论文)
题目蛇行多级小车控制
系统设计
学院
专业
学生
学号
指导教师
前言
随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究,可见其研究意义很大。
同时,随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术、新材料以及控制理论和电机本体技术的不断发展进步,用户对电机控制的速度、精度和实时性提出了更高的要求,因此作为机电重要分支的控制电机也得到了空前的发展。
控制电机已经成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要组件。
它的应用范围非常广泛,例如火炮和雷达的自动定位,舰船方向舵的自动操纵,飞机的自动驾驶,遥远目标位置的显示,机床加工过程的自动控制和自动显示,阀门的遥控,以及机器人、电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音录象设备等中的自动控制系统。
本设计选用的是步进电机。
该蛇行小车的第一级车选用了两个步进电机来产生牵引动力,滚动丝杆转动控制也用步进电机来实现。
两种步进电机的控制都是用单片机来完成。
蛇行小车的功能实现的整个过程是:
首先遥控器发出第一级小车的运动指令,单片机接收到信号,控制产生牵引力的两个步进电机,使第一级小车达到运动要求。
并控制第一级车后面的步进电机,使滚动丝杆转动带动第二级小车模仿第一级小车运动,同时将第一级小车的运动信息传给下一级的单片机,使后面的小车也模仿第一级小车的运动,从而达到蛇行运动的目的。
本课题的步进电机的控制主要是通过单片机来完成的,现在步进电机已被广泛使用,但步进电机不能像直流电机,交流电机在常规下使用,它必须有双环型脉冲信号,功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此设计步进电机具有现实意义和实用价值。
本论文主要研究步进电机的启停,以及基于单片机的步进电机速度、方向、和加减速的控制、位置控制等方案。
智能小车可以应用于很多方面,主要应用领域如下:
(1)军事侦察与环境探测
现代战争对军事侦察提出了更高的要求,世界各国普遍重视对军事侦察的建设,采取各种有效措施预防敌方的突然袭击,并广泛应用先进科学技术,不断研制多用途的侦察器材和探测设备,在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备,通过光缆操纵,完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务,进一步扩大侦察的范围,提高侦察的时效性和准确性。
(2)探测危险与排除险情
在战场上或工程中,常常会遇到各种各样的意外。
这时,智能化探测小车就会发挥很好的作用。
战场上,可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。
民用方面,可以探测化学泄漏物质,可以进行地铁灭火,以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。
(3)安全检测受损评估
在工程建设领域,可对高速公路自动巡迹,进行道路质量检测和破坏分析检测;对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。
在制造领域,可用于工业管道中机械损伤,裂纹等缺陷的探寻,对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。
(4)智能家居
在家庭中,可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器,控制室温等等。
对这种小车的研究,将为未来环境探测术上的有力支持。
摘要
在生产生活中面对诸多恶劣的工作环境(如灭火、救援等),为了有效的避免人员伤亡,就需要采用智能小车去现场来完成相应的任务。
因此研究和开发智能小车引导控制系统具有十分重要的意义。
我们本次设计采用STC89C52单片机作为核心控制芯片,选用TB6560步进电机驱动器,在最小系统的基础上,通过四路无线遥控控制步进电机的正转、反转、加速和停止,使智能小车达到蛇行运动的目的。
小车共四节,第一节车具有牵引动力,后节车与前节车以滚动丝杆连接,且后节车要能追随第一节车的运动。
用C语言编程实现控制。
并制作出相应的实物。
关键词STC89C52单片机,步进电机,蛇行小车,TB6560步进电机驱动器
ABSTRACT
Facingalotofbadworkingenvironmentsintheproductionanddailylife(suchasoutfire,rescue,etc.),inordertoeffectivelyavoidlossoflifeandpersonalinjury,weneedtomakeuseoftheintelligentcartothescenetocompletethecorrespondingtask.Sotheresearchandthedevelopmentoftheguidecontrolsystemofintelligentcarhasaveryvitalsignificance.
Thisdesign,weadoptSTC89C52single-chipasthecorecontrolchip,andchooseTB6560steppingmotordriver,onthebasisoftheminimumsystem,wecontrolsteppingmotor’scorotation,reverse,speedupandstopbythefour-waywirelessremotecontrol,tomaketheintelligentcartoachievethepurposeofsinusoidalmovement.Theintelligentcarhavefourcars,thefirstcarhastraction,aftercarconnecttheformercarwithrollingscrew,andaftercarneedtobeabletofollowthefirstcar’smovement.WeuseCprogramminglanguagetoachieve controlling.Wewillmakethecorrespondingobject.
Keyword:
STC89C52single-chip,steppingmotor,sinusoidalcar,TB6560steppingmotordriver
第一章绪论
1.1引言
随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究,可见其研究意义很大。
同时,随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术、新材料以及控制理论和电机本体技术的不断发展进步,用户对电机控制的速度、精度和实时性提出了更高的要求,因此作为机电重要分支的控制电机也得到了空前的发展。
控制电机已经成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要组件。
它的应用范围非常广泛,例如火炮和雷达的自动定位,舰船方向舵的自动操纵,飞机的自动驾驶,遥远目标位置的显示,机床加工过程的自动控制和自动显示,阀门的遥控,以及机器人、电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音录象设备等中的自动控制系统。
本设计选用的是步进电机。
1.2本课题的研究意义
随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展,数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。
各种智能化小车在市场玩具中也占一个很大的比例。
根据美国玩具协会的调查统计,近年来全球玩具销量增幅与全球平均GDP增幅大致相当。
而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大改变:
传统玩具的市场比重正在逐步缩水,高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。
美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额2004年交2003年增长52%,而传统玩具的年销售额仅增长3%。
英国玩具零售商协会选出的2001圣诞节最受欢迎的十大玩具中,有7款玩具配有电子元件。
从这些数字可以看出,高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩家行业发展的主流。
如今知识工程、计算机科学、机电一体化和工业一体化等许多领域都在讨论智能系统,人们要求系统变得越来越智能化。
显然传统的控制观念是无法满足人们的需求,而智能控制与这些传统的控制有机的结合起来取长补短,提高整体的优势更好的满足人们的需求。
随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,智能控制必将迎来它的发展新时代。
计算机控制与电子技术融合为电子设备智能化开辟了广阔前景。
因此,遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高市场价值的。
智能小车,也称轮式机器人,是一种以汽车电子为背景,涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意性设计,一般主要路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。
1.3本课题的发展历史、现状及发展趋势
在80年代中期,设计和制造机器人的浪潮已席卷全球,世界上一些著名的公司开始研制移动机器人(此时的移动机器人的主要用作大学实验室及研究机构的实验平台),并促进了移动机器人学多种研究方向的出现。
90年代以来,以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术和真实环境下的规划技术为标志,开展了移动机器人的更高层次的研究。
现在机器人的应用越来越广,种类也越来越多,但大体上可分为轮式机器人和足式机器人。
智能小车就是轮式机器人中的一种,虽然是最基本的机器人雏形,但其中已包含了大部分功能,综合国内外专家解释,可普遍认为机器人一般是具有如下功能的机器:
(1)动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官(肢体、感官等)的功 能;
(2)有通用性,工作种类多样,动作程序灵活易变;
(3)有一定程度的智能,如记忆、感知、推测、决策和学习等;
(4)有独立性,完整的机器人系统在工作时不依赖于人的操纵。
随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,智能控制必将迎来它的发展新时代。
机器人领域近几年有如下几个发展趋势:
(1)性价比逐步提高,性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单价不断下降。
(2)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化。
同时,器件集成度提高。
从而,大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维护性。
(3)传感器的作用日益重要,除传统的位置、速度、加速度等传感器外,视觉、声觉、力觉、触觉等多种传感器的融合技术已用来进行环境建模及决策控制。
(4)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操作机器人。
(5)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的操作系统,使智能机器人走出实验室走入实用化阶段
1.4智能小车的主要应用领域
(1)军事侦察与环境探测
现代战争对军事侦察提出了更高的要求,世界各国普遍重视对军事侦察的建设,采取各种有效措施预防敌方的突然袭击,并广泛应用先进科学技术,不断研制多用途的侦察器材和探测设备,在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备,通过光缆操纵,完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务,进一步扩大侦察的范围,提高侦察的时效性和准确性。
(2)探测危险与排除险情
在战场上或工程中,常常会遇到各种各样的意外。
这时,智能化探测小车就会发挥很好的作用。
战场上,可以使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找和销毁地雷。
民用方面,可以探测化学泄漏物质,可以进行地铁灭火,以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。
(3)安全检测受损评估
在工程建设领域,可对高速公路自动巡迹,进行道路质量检测和破坏分析检测;对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测。
在制造领域,可用于工业管道中机械损伤,裂纹等缺陷的探寻,对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。
(4)智能家居
在家庭中,可以用智能小车进行家具、远程控制家中的家用电器,控制室温等等。
对这种小车的研究,将为未来环境探测术上的有力支持。
1.5研究方法与实施方案
该蛇行小车的第一级车选用了两个步进电机来产生牵引动力,丝杆转动控制也用步进电机来实现。
两种步进电机的控制都是用单片机来完成。
蛇行小车的功能实现的整个过程是:
首先遥控器发出第一级小车的运动指令,单片机接收到信号,控制产生牵引力的两个步进电机,使第一级小车达到运动要求。
并控制第一级车后面的步进电机,使滚动丝杆转动带动第二级小车模仿第一级小车运动,同时将第一级小车的运动信息传给下一级的单片机,使后面的小车也模仿第一级小车的运动,从而达到蛇行运动的目的。
本课题的步进电机的控制主要是通过单片机来完成的,现在步进电机已被广泛使用,但步进电机不能像直流电机,交流电机在常规下使用,它必须有双环型脉冲信号,功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此设计步进电机具有现实意义和实用价值。
本论文主要研究步进电机的启停,以及基于单片机的步进电机速度、方向、和加减速的控制、位置控制等方案。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,他就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角“),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制电机转动的速度和加速度,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来调节步进电机的速度,并且通过数码管显示其转速的级别。
另外通过但偶安吉实现他的正反转,步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度100%)的特点,广泛应用与各种控制步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度及步进角。
步进电机不能直接接到交直流电源上工作,而必须使用专用设备——步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能,除与电机本身的性能有关外,也在很大程度上取决于驱动器的优劣。
典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。
步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号后每发一个脉冲后步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角,即步进一步。
步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。
控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。
通常步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。
步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲,控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。
控制电路输出的信号功率很低不能提供步进电机所需的输出功率,必须进行功率放大,这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。
功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流,使其励磁形成空间旋转磁场,驱动转子运动。
保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。
该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。
当定子的矢量磁场旋转一个角度。
转子也随着该磁场转一个角度。
每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
改变绕组通电的顺序,电机就会反转。
所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
第二章方案设计与分析
本课题主要讨论蛇行小车,蛇行小车的研究具有非常重要的意义。
它可以代替人类从事繁重劳动、危险作业、延伸人类大脑与四肢、医疗康复等,服务于社会。
通过对蛇行小车的研究可以开展多学科交叉领域的技术研究,通过综合实验平台,推动机械设计、伺服控制、人工智能、计算机科学等技术发展。
蛇行小车的原理还可以应用于多级拖车,使拖车更加方便快捷。
2.1总体设计方案
设计并制作一个以单片机为控制核心的智能小车。
采用步进电机作动力,小车具有仿照蛇一样运动的能力,操作者通过遥控器控制小车的左转,右转。
本系统采用AT89C52单片机为核心控制芯片,包括单片机最小系统电路、无线遥控模块电路、电源电路、电机驱动电路。
总体设计框图如图1-1-1(a)(b)所示:
图1-1-1(a)
图1-1-1(b)
2.2电机的选择
方案一:
采用直流电机。
直流电机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调整范围广;过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速启动、制动和反转;能满足生产自动化系统各种不同的特殊运行要求。
直流电机的工作状态可分为两种:
开环状态和闭环状态。
直流电机工作在开环状态时,电路相对简单,但其定位性能比较差。
直流电机工作的闭环状态时,其定位性能精确,但是相对开环状态又要增加很多检测器件,使用的元器件多,电路非常复杂。
方案二:
采用步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、启停的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机一个脉冲信号, 电机则转过一个步距角。
因此,步进电机具有快速启停能力,如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就能立即使步进电机启动或反转,而且步进电机的转换精度高,驱动电路简单,非常适合定位控制系统。
基于以上分析,选择方案二。
2.3驱动模块的选择
方案一:
采用继电器对电动机的开和关进行控制,通过开关的切换对电机的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单,实现容易;缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短
方案二:
采用DSP芯片,配以电机控制所需要的外围功能电路,通过数控电压源调节电机运行速度,实现控制物体的运动轨迹。
该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。
但系统软硬件复杂、成本高。
方案三;采用TB6560步进电机驱动器。
该驱动器高稳定性、可靠性和抗干扰性。
电流级逐可调,满足你的多种应用需求;采用6N137高速光藕,保证高速不失步;采用厚密齿散热器,散热良好。
不需要外接电路,编程简单,控制方便。
基于以上分析,选择方案三。
2.4单片机控制模块的选定
考虑到整个系统的简单、方便性,控制模块采用STC89C52作为主控制芯片,该芯片有足够的存储空间,可以方便的在线ISP下载程序,能够满足该系统软件的需要,该芯片提供了两个计数器中断,对于本作品系统已经足够,采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片,能够准确的计算出时间,有很好的实时性。
而且STC89C52有很强的扩展性,使用简单,灵活性高且价廉。
所有我们直接采用STC89C52作为主控芯片。
2.5电源模块的选择
由于整个电路需要24V和5V两种电压,我用蓄电池得到24V直流电,再用LM2576降压模块得到5V电源。
LM2576的特点:
1)3.3V、5V、12V、15V的固定电压输出和可调节电压输出;2)可调节电压输出的范围为1.23V到30V,其线性调整率和负载调整率最大可以有±4%的误差;3)负载电流达到3A;4)输入电压达到36V;5)只需四个外围元件 ;6)内置固定频率为52kHz的振荡器;7)高效率;8)内置过热保护电路和过流保护电。
2.6无线模块的选择
该控制系统主要控制小车的左转、右转、前进、停止。
我们选择了四路无线控制模块。
该模块分为发射板和接收板,发射板按下按键,接受板会在对应端口输出高电平,这样控制起来非常方便。
第三章 硬件设计
3.1系统工作原理
小车主要由四节构成,只有车头带有牵引动力,车头选用了两个步进电机来产生牵引动力,滚动丝杆转动控制也用步进电机来实现。
两种步进电机的控制都是用单片机来完成。
蛇行小车的功能实现的整个过程是:
首先遥控器发出车头的运动指令,单片机接收到信号,控制产生牵引力的两个步进电机,使车头达到运动要求。
并控制第一级车后面的步进电机,使滚动丝杆转动带动第二级小车模仿车头运动,同时将车头的运动信息传给下一级的单片机,使后面的小车也模仿车头的运动,从而达到蛇行运动的目的。
3.2电源
由于小车需要24V和5V两种直流电压,24V电压由蓄电池提供,5V通过LM2576将直流24V降压到5V得到。
3.2.1LM2576开关型降压稳压器简介
LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路,它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1.23V),并具有完善的保护电路,包括电流限制及热关断电路等,利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
3.2.2LM2576典型应用电路
直流24V电压转直流5V电压电路图如图3-2-2。
图3-2-2
3.3.单片机最小系统
本系统采用STC89C52单片机作为核心处理器。
单片机控制系统基本由最小系统和外围信号I/O口组成,其中最小系统包括电源(地),CPU时钟电路(一般使用11.0592M或者12M的晶振和30P电容组成),复位电路。
有了以上三块,单片机就能够正常工作。
如图3-3为单片机最小系统电路图。
图3-3
3.3.1时钟电路
单片机的时钟产生有两种方法:
内部时钟方式和外部时钟方式。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。
AT89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此,此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值通常取30PF。
在焊接刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
3.3.2复位电路
复位是由外部的复位电路来实现的。
片内复位电路是复位引脚RST通过一个触发器与复位电路相连,触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
所谓上电复位,是指计算机加电瞬间,要在RST引脚出现大于10MS的正脉冲,使单片机进入复位状态。
按钮复位是指用户按下“复位”按钮,使单片机进入复位状态。
如图3-3-2是上电复位及按钮复位的一种实用电路。
图3-3-2
上电时,+5V电源立即对单片机芯片供电,同时经电阻R对电容C3充电。
C3上电压建立的规程就产生一定宽度的负脉冲,经反向后,RST上出现正脉冲使单片机实现了上电复位。
按钮按下时,RST上同样出现高电平,实现了按钮复位。
在应用系统中,有些外围芯片也需要复位。
电容C1,C2起虑波作用,防止干扰窜入复位端产生误动作。
3.4步进电机驱动模块
3.4.1TB6560驱动器简介
本系统的步进电机的驱动选用的是TB6560驱动器,如图3-4-1。
该驱动器是一款具有高稳定性、可靠性和抗干扰性的经济型步进电机驱动器,适用于各种工业控制环境。
该驱动器主要用于驱动35、39、42、57型4、6、8线两相混合式步进电机。
其细分数有4种,最大16细分;其驱动电流范围为0.3A-3A,输出电流共有14档,电流的分辨率约为0.2A;具有自动半流,低压关断、过流保护和过热停车功能。
实物如图3-4-1。
图3-4-1
3.4.2
- 配套讲稿:
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