电子竞赛题目电驴拉磨.docx

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电子竞赛题目电驴拉磨

目录

1方案设计与论证4

1.1电机的选择4

1.2减速直流电机控制方式确定4

1.3单片机的选择4

1.4基本方案的确定5

2理论分析与计算5

2.1减速直流电机运行原理5

2.2减速直流电机的选择6

2.3减速直流电机驱动方式的确定6

2.4驱动电路的选择7

2.5反馈电路的选择..................................................................................................8

2.6角度检测与定标..................................................................................................9

2.7减速直流电机测速原理..............................................................................................9

3算法的设计...................................................................................................................10

3.1减速直流电机控制算法.............................................................................................10

3.2减速直流电机转速测量算法.....................................................................................10

3.3PID控制算法.....................................................................................................10

3.3.1闭环PID控制原理.......................................................................................10

3.3.2位置式PID的控制算法......................................................11

3.3.3增量式PID的控制算法................................................................................12

4机械结构的设计13

4.1物品的使用和连接13

5实验结果分析和总结.................................................................................................14

摘要：

因本次设计的要求，选用减速直流电机，单片机选用89C52RC作为控制器芯片，选用L289N作为减速直流电机的驱动芯片来驱动减速直流电机，通过改变单片机产生的PWM信号的频率，控制电机速度，然后由与减速直流电机同轴的光电码盘作为反馈元件，并把反馈回的信号经CPU处理后再由数码管显示出来，再通过PID算法精确调节电机的速度。

同时用角度传感器对减速直流电机转过的角度进行检测，角度传感器把数据返回给单片机，单片机做出反应，从而控制电机转一定角度。

关键字：

减速直流电机、89C52、L289N、光电编码盘、PID、角度传感器

1.方案论证与设计

1.1电机的选择

方案一：

选用直流电机作为驱动力，直流电机转速快，能很快达到速度要求，并且对驱动电路的要求低。

方案二：

选用减速直流电机，减速直流电机转动速度较慢，功耗低。

方案三：

选用步进电机，其具有转动角度精确等优点，扭力矩大，能带动较大负载。

综合上叙三种方法,直流电机转速快，但是旋转精度不高，而题目要求的转速为15r/min，且因减速步进电机最高速度不超过10r/min，达不到速度要求，故采用减速直流电机。

1.2减速直流电机控制方式确定

方案一：

直接采用电机两端分别连接地和P1^1输出端，调节P1^1引脚的高低频率，以实现控制电机转动，并能通过按键实现电机加速和减速功能。

其优点在于简单直观的观测速度变化，接线简单。

缺点是单片机输出的高电平并不是很高，难以实现电机在带载的情况下能达到要求速度，并且速度不精确。

方案二：

减速直流电机通过外部桥式电路回应单片机的控制反馈。

在L289N桥式驱动电路中，输入端口五个：

+5V，GND，ena，ip1，ip2，其中ena为使能端，只有输入为高电平时，桥式电路工作。

ip1和ip2电平保持相反时才能工作。

输出端也需另加+9V电压，op1和op2接直流电机两端。

该电路通过调节ena端高电平占空比来实现加速减速，以及暂停功能。

其优点在于能很好的驱动直流电机，达到较高速度，并使速度更加精确，但缺点在于接线麻烦，而且外接的电源的大小，对电机转动速度有直接影响。

综合上叙两种方案，由于本课题对减速直流电机的转速精度要求较高，在通过使用计时脉冲使电机达到一定的转速外，还需采用反馈装置来测量电机转速，从而调整电机速度。

故减速直流电机需采用闭环控制的方式，即选择方案二来完成设计。

1.3单片机的选择

方案一：

以89C52作为减速直流电机的控制芯片。

89C52的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上。

具有使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。

方案二：

以stm32单片机作为主控芯片。

stm32单片机处理数据能力强，外接IO口多,功能强大，能更方便的完成外接光电编码器、摄像头等外接设备，并且处理数据能力强，能更准确控制减速直流电机。

综合上述两方案，认为89c52单片机结构简单，又能很好地完成课题要求，且软件学习任务比stm32少了很多，故本课题选用89c52单片机。

1.4基本方案的确定

因本次设计的要求，选用减速直流电机，单片机选用89C52RC作为控制器芯片。

选取74HC573来驱动数码管，选用L289N来驱动减速直流电机。

然后由与减速直流电机同轴的光电码盘作为反馈元件，并把反馈回的信号经CPU处理后再由显示器显示出来，再通过PID算法调节电机的速度。

但由键盘输入的速度数值得通过显示器来显示，固本次设计要两个四位数码管显示，一个来显示给定的转速一个来显示实际的转速。

题目要求显示实时时间，可通过使用DS1302实时芯片获得时间，在1602LCD上显示。

同时用角度传感器对减速直流电机转过的角度进行检测，角度传感器把数据返回给单片机，单片机做出反应，从而控制电机转一定角度。

系统框图如图一所示：

图一系统框图

2.理论分析与计算

2.1减速直流电机运行原理

直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。

齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。

同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。

同时亦可调节驱动电压占空比来达到加速、减速的效果。

这大大提高了直流电机在自动化行业中的使用率。

减速电机是指减速机和电机（马达）的集成体。

2.2减速直流电机的选择

本课题对转速的范围要求不高，而对精度要求较高，故优先考虑采用28BYJ48型减速直流电机，其一些参数如下：

额定电压：

12VDC

相数：

4

减速比：

1/64（另有减速比：

1/16,1/32）

步距角:

5.625度

驱动方式：

四相八拍

电机线圈由四相组成，即A、B、C、D四相，电机示意图如图二。

图二电机示意图

四相八拍的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A（本设计用的是四相八拍）。

通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但减速直流电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动。

课题中要求减速直流电机稳定在15r/min，即每秒钟转过90度，可调节使脉冲频率为16*64=1024，即可使电机稳定在15r/min。

但是通过实际测试与网上参数比对，发现该型号步进电机额定转速不超过10r/min，未能达到速度要求，故弃而不用。

普通直流减速电机，虽然在精度上不能与步进电机相比，但是在加入减速齿轮之后，依然能够通过调节程序的计时时间长短来达到题目要求的速度，弥补28BYJ48步进电机速度上的不足。

2.3减速直流电机驱动方式的确定

减速直流电机的驱动一般有两种方法，一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让减速直流电机的转动；另一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动减速直流电机，这种方法比较安全可靠。

固本次设计应采用CPU间接驱动减速直流电机。

用编码器还的测速发电机作为转速测量工具,因为选择了闭环控制，就必须有反馈元件，反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把减速直流电机的转速反馈回来，然后通过显示器显示出来并对减速直流电机进行调节；别一种是通过光同轴的光电码盘把减速直流电机的转速反馈回来对减速直流电机进行调节；两者相比，后者的设计比较简单，价格便宜，安全可靠，污染少。

固一般采用后者，用光电码盘作为反馈元件。

2.4驱动电路的选择

减速直流电机的驱动电机有多种，但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。

单电压驱动是减速直流电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。

它的最大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别是在高频下更显的突出。

它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性，所以此种驱动方式一般只用在小功率的减速直流电机的驱动电路中。

双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动，因这两个电源分别是一个为高压一个为低压，因此也称为高低压驱动电路。

双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降。

不宜于电机的正常运行。

对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高减速直流电机的效率。

所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。

但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。

细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会根据电压脉冲的分配方式，减速直流电机各相绕阻会轮流切换，固可以使减速直流电机的转子旋转。

但因本次设计对减速直流电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片L289N来驱动，并通过软件来实现减速直流电机的调速。

L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。

输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。

图三L289N连接图

2.5反馈电路的选择

选用光电编码器作为反馈元件，光电编码器与减速直流电机是同轴的输出经过放大送到计算机。

并通过显示器显示出减速直流电机的实际转速。

关于光电编码器的说明如下：

光电编码器，是一种通过光电转换将位移量转换成脉冲或数字量的传感器.这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图四所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

图四光电编码器的原理图

本实验通过光电码盘返回脉冲个数计算电机的实际转速，我们采用的是每6秒扫描一次。

假设电机的实际转速为n分/转，则光电码盘上面返回的是10n/60每秒。

因此我们采用6秒扫描一次，否则会出现小数。

2.6角度检测与定标

本次设计对角度的检测欲采用角度传感器，角度传感器，是用来检测角度的。

它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。

当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。

往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。

收到的数据传给电脑，从而使减速直流电机转过恒定的角度，故本次设计采用角度传感器来检测角度。

2.7减速直流电机测速原理

我们通过用设定一个外部中断0，接受光电开关采集的信号，通过设定计数器T1计数，记下中断次数（即反馈的脉冲信号），然后通过设计算法计算出实际转速，与设定的转速值相比较，采用闭环的PID控制来达到减速直流电机稳定调速的目的。

我们在程序中设定转速为n转/分，通过与P3.2采集回来的数据相比较，当采集回来的数据小于n转/分时，我们通过改变PID的相应的参数来调节电机的转速，让减速直流电机的转速加起来，使之与n转/分相吻合。

同样，当采集回来的数据大于n转/分时，也改变PID的相应的参数来调节电机的转速，让减速直流电机的转速减下来，使之与n转/分相吻合。

3.算法的设计

3.1减速直流电机控制算法

方案一：

用定时器T0产生单位脉冲，通过定时，在设定的时间给减速直流电机一个脉冲让它走一步，然后再延时一段时间，延时时间的长短是通过速度减去定时器初值得到的。

达到控制速度的目的。

方案二：

通过试凑法测转速，在开始的时候设置一个定时器，幅一个初值，通过光敏传感器能够观察出电机的转速是多少，然后在通过调整定时器初值的大小来达到与反馈电路的速度一样的效果，然后再将每个速度对应的初值变为一个数组，然后直接可以调用数组里面的值就可以得到不同的转速。

从而达到调速的目的。

方案三：

通过设定定时器，在给定的时间内给他一个脉冲。

改变定时器循环的次数，达到调速的目的。

综上所述，我们采用的是第三种方法来对电机的速度进行控制的。

因为第一种方法在定时器延时的时候有误差，不能对速度进行精确的控制。

第二种方法虽然能够对电机的速度进行精确的控制，但是由于使用了定时器的延时，使数码管道的动态显示的扫描速度受到影响，从而导致了数码管无法正常的显示。

3.2减速直流电机转速测量算法

本实验采用光电对管作测量传感器，减速直流电机的转动带动码盘转动，当码盘转动，挡住光电对管时，光电对管指示灯亮，输出一个低电平，光线通过码盘间隙穿过时光电对管指示灯灭，输出一个高电平，循环往复，输出一连串脉冲，当减速直流电机转速变化时，光电对管检测输出脉冲频率也发生相应的变化，通过外部中断0记下脉冲数n，定时器T0计时，计时6s显示一次转速（原因见问题分析）本实验采用十个齿的码盘，减速直流电机转动的圈数为n/10。

3.3PID控制算法

3.3.1闭环PID控制原理

图5PID控制系统框图

比例积分微分调节器（PID）。

其调节规律可用

（1）式表示。

（1）

式中：

为微分常数，它的物理意义是当调节器微分调节作用与比例调节作用的输出相等时所需的调节时间称为微分常数．

3.3.2位置式PID的控制算法

如前所述PID调节的微分方程为：

将此微分方程写成对应的差分方程形式．

（2）

式中：

-第n次采样周期内所获得的偏差信号；

-第n-1次采样周期内所获得的偏差信号；T-采样周期；

-调节器第rt次控制变量的输出；

为了编写计算机程序的方便，现将算式

（2）写成下列形式

（3）

式中：

，

因为采样周期T，积分常数

和微分常数

选定后皆为常数，因此

及

必为常。

当调整参数改善控制性能时，也只须调整

、

和

的大小即可。

3.3.3增量式PID的控制算法

在位置式PID控制算法中，每次的输出与控制偏差e过去整个变化过程相关，这样由于偏差的累加作用很容易产生较大的累积偏差，使控制系统出现不良的超调现象。

由算式

（2）可得：

（4）

用

（2）式减去（4）式，可得增量式PID的算式：

（5）

其中，

为了编写程序方便，将（5）式改写成下列形式：

（6）

式中：

，

，

从增量式PID的算式中可知，只要知道了现时以前的三次采样周期内的偏差信号

，

，

即可计算出本次采样周期内的控制变量y的增

。

综合以上分析，我们采用增量式PID算法。

其流程图如图六所示。

图六增量式PID控制算法流程图

4.机械结构的设计

4.1物品的使用和连接

本次设计所需要的配件有：

底板、电机、连杆、轮毂。

底板选用摩擦力小的物品，连杆选用硬胶材质，轮毂也选择质量轻的，以保证负载不要太大，便于电机的控制。

连杆和轮毂采用软连接方式，连杆和吊篮也采用软连接方式。

5.实验结果分析和总结