电子设计竞赛培训-控制类

名称
电流传感器A 输出引脚1 输出引脚2 输入引脚1 使能端A 输入引脚2 电机电源端 逻辑地 逻辑电源端 输入引脚3 使能端B 输入引脚4 输出引脚3 输出引脚4 电流传感器B
功能
在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流 内置驱动器A的输出端1，接至电机A 内置驱动器A的输出端2，接至电机A 内置驱动器A的逻辑控制输入端1 内置驱动器A的使能端 内置驱动器A的逻辑控制输入端2 电机供电输入端,电压可达46V 逻辑地 逻辑控制电路的电源输入端为5V 内置驱动器B的逻辑控制输入端1 内置驱动器B的使能端 内置驱动器B的逻辑控制输入端2 内置驱动器B的输出端1，接至电机B 内置驱动器B的输出端2，接至电机B 在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流
生成PWM波的方法 延时程序 专用PWM波生成器
带PWM模块的单片机
单片机的定时器
STC12C60S2 STC12C2052
控制专题（一）：直流电机控制
定时中断法生成PWM波
设51单片机晶振12MHz，利用P2.0口发出周期为10ms，占空比 为50%的PWM波信号
#include "reg51.h" sbit pwm=P2^0; unsigned char count=0; void main() { TMOD=0x01; //定时器0方式1 TH0=0xfc; TL0=0x18; //定时1ms ET0=1; EA=1; TR0=1; while(1); } void timer0() interrupt 1 using 1 { TH0=0xfc; TL0=0x18; count++; if(count<5)pwm=1; else if (count<10)pwm=0; else {count=0;pwm=1;} }
Uo
t1Us 0 t1 t 2

t1 T
Us Us
控制专题（一）：直流电机控制
PWM原理
Us Ui
∂称为占空比，表示在一个周期 T里，晶体管导通的时间与周期的比 值。 ∂的变化范围为[0,1]。当电源电 压Us不变时，电枢端的平均电压Uo 取决于∂的大小，改变∂的值就可以
t Uo Us
M
改变端电压的平均值，从而进行调 速，这就是PWM调速原理。 如何改变∂的值？常用的一种方
Ui
V
t1 T
t2
t
法是定频调宽法。即使周期T保持不 变，同时改变t1和t2的大小。
电机电枢两端的电压平均值Uo为：
Uo
t1Us 0 t1 t 2

t1 T
Us Us
控制专题（一）：直流电机控制
状态一：小车走直线
P0.0
P0.1
P0.0 0
P0.1 0
当前状态标记 0
控制策略：左右轮电机转速相同
控制专题（一）：直流电机控制
循迹算法设计 2传感器布局为例：
状态二：小车右转
P0.0
P0.1
P0.0 0
P0.1 1
当前状态标记 1
控制策略：右轮转速大于左轮
控制专题（一）：直流电机控制
循迹算法设计 2传感器布局为例：
思考题：若需要占空比可调， 程序应如何修改？
控制专题（一）：直流电机控制
（2）小直流电机的方向控制——H桥电路
Us
PWM V1 Y1 方向 1：正 0：反 M Y2 V2 V4 V3
方向=1： PWM=1时，Y1=1；V1和V4导通 PWM=0时，Y1=0； V1和V4截至 V2和V3一直截至
控制专题（一）：直流电机控制
LM2940（0.5V,1A） SPX1117（1.1V,800mA） ……
电解电容
控制专题（一）：直流电机控制
电源模块设计
控制专题（一）：直流电机控制
循迹模块设计
常见循迹传感器： 反射式光电传感器、红外对管、黑白线传感器。
控制专题（一）：直流电机控制
循迹模块设计
反射式光电传感器原理：白色反光，黑色吸光
TCRC5000
调节电位器，使LM324同向端输入电压在V1的高低电平之间
控制专题（一）：直流电机控制
循迹模块设计
传感器布局： 数量：最少2个，越多探测信息越丰富，但也要考虑电路复杂 度和功耗等 排列：单排，双排，八字形排列、W型排列等
控制专题（一）：直流电机控制
循迹算法设计 2传感器布局为例：
控制系统设计的能力需要
（1）系统控制方案和算法设计 （2）微控制器及其外围电路模块制作和编程 （3）传感器电路模块制作和编程
（4）电机控制电路模块制作和编程
（5）电源电路模块制作 （6）机械传动机构制作
控制专题（一）：直流电机控制
•小直流电机具有体积小、调速简单等优点，故常用 于小车的动力装置。 •小直流电机的控制内容： （1）速度控制
功能：小车按图所示的黑色轨迹运行 组成：电源模块、循迹模块、主控模块、电机驱动模块 器件：51单片机、9V直流电机、循迹传感器
控制专题（一）：直流电机控制
电源模块设计
电源模块是智能车硬件设计中的一个重要组成部分，按照
系统各部分正常工作的需要，电压值分为5 V和9V两个挡。
其中：主控模块和循迹模块需用5V电源供电；
（2）方向控制
控制专题（一）：直流电机控制
（1）小直流电机的速度控制
直流电机转速n的表达式为：
n U IR K
其中：U~电枢端电压；I~电枢电流；R~电枢电路总电阻；
Φ~每极磁通量；K~电动机结构参数。
则电机转速控制方法可采取电枢电压控制法，即励磁恒定不 变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。 如何控制电压？ ——PWM（Pulse Width Modulation ）脉宽调制
控制专题（一）：直流电机控制
（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N
ENA
PWM PWM PWM PWM ENB PWM PWM PWM PWM
IN1
1 0 1 0 IN3 1 0 1 0
IN2
0 1 1 0 IN4 0 1 1 0
功能
正传 反转 急停 急停 功能 正传 反转 急停 急停
控制专题（一）：直流电机控制
电机和驱动模块需用9V电源供电。
电源选择：干电池、充电电池；尽量选取容量较大的。
控制专题（一）：直流电机控制
电源模块设计
以6节5号碱性电池为例： 9V直接给L298驱动端VS供电，以驱动电机 经过稳压芯片降压到5V后，给单片机和循迹模块供电 稳压芯片的选择： 防止电机启动拉低单片机电流：
7805（2.5V,1A）
#include "reg51.h" sbit pwm=P2^0; sbit direct=P2^1; sbit key=P1^0; //由该引脚电平判断正反转 unsigned char count=0; void main() { TMOD=0x01; //定时器0方式1 TH0=0xfc; TL0=0x18; //定时1ms ET0=1; EA=1; TR0=1; while(1) {scan();} } void scanf() { if(key==1)direct=1; else direct=0; } void timer0() interrupt 1 using 1 { TH0=0xfc; TL0=0x18; count++; if(count<5)pwm=1; else if (count<10)pwm=0; else {count=0;pwm=1;} }
Vcc Vcc
Vout
Vout
白色
黑色
控制专题（一）：直流电机控制
循迹模块设计
反射式光电传感器电路：
+5V
原理：
330 47K V1 10K + _ LM324 Vout
当光电传感器检测到黑线时，V1 为高电位，若此时LM324同向端 低于V1，则Vout输出低电平。 当光电传感器检测到白线时，V1 为低电位，若此时LM324同向端 高于V1，则Vout输出高电平。
状态三：小车左转
P0.0
P0.1
P0.0 1
P0.1 0
当前状态标记 2
控制策略：左轮转速大于右轮
控制专题（一）：直流电机控制
循迹算法设计 2传感器布局为例：
状态四：特殊情况
P0.0 1
P0 .0 P0 .1
P0.1 1
P0 .1
当前状态标记 不确定
.0 P0
控制策略：根据前一次状 态标记决定当前状态。 前一次是右转，当前接 着右转
控制专题（一）：直流电机控制
（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N
恒压恒流桥式2A驱动芯片 驱动两个二相直流电机 驱动一个四相直流电机 驱动一个两相步进电机
控制专题（一）：直流电机控制
（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N
引脚 编号
1 2 3 5 6 7 4 8 9 10 11 12 13 14 15
控制专题（一）：直流电机控制
PWM原理
Us Ui
当晶体管V的基极输入高电
平时，V导通，直流电机电枢绕 组两端有电压Us，t1秒后，基极
M t Uo Us V
输入变为低电平，V截止，电机
电枢两端电压为0；t2秒后，基 极输入重新变为高电平，V的动
Ui
t1 T
t2
t
作重复前面的过程。
电机电枢两端的电压平均值Uo为：
1
2
PWMB
1
2
PWMA
+5V
2
1
+5V
+5V
1
1
1
8
1 6