电子设计竞赛培训-控制类

电子竞赛辅导（控制类）重庆科技学院李正中2013年7月17日微机控制系统结构典型微机控制系统结构框图人机接口控制器驱动电路反馈电路接口电路接口电路控制对象历届大赛控制类题目①水温控制系统（1997年C题）②自动往返电动小汽车（2001年C题）③简易智能电动车（2003年E题）④液体点滴速度监控装置（2003年F题）⑤悬挂运动控制系统（2005年E题）⑥电动车跷跷板（2007年F题本科组）⑦声音引导系统（2009年B题）⑧智能小车（2011年C题）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（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：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。KIRUn如何控制电压？——PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制控制专题（一）：直流电机控制PWM原理当晶体管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的动作重复前面的过程。电机电枢两端的电压平均值Uo为：UsUsTtttUstU12101oMUsUitUiUoUstTt1t2V控制专题（一）：直流电机控制PWM原理电机电枢两端的电压平均值Uo为：UsUsTtttUstU12101o∂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。MUsUitUiUoUstTt1t2V控制专题（一）：直流电机控制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STC12C60S2STC12C2052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#includereg51.hsbitpwm=P2^0;unsignedcharcount=0;voidmain(){TMOD=0x01;//定时器0方式1TH0=0xfc;TL0=0x18;//定时1msET0=1;EA=1;TR0=1;while(1);}voidtimer0()interrupt1using1{TH0=0xfc;TL0=0x18;count++;if(count5)pwm=1;elseif(count10)pwm=0;else{count=0;pwm=1;}}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MUsPWMV1Y1Y2方向1：正0：反V2V3V4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（2）小直流电机的方向控制——H桥电路方向=0：PWM=1时，Y2=1；V2和V3导通PWM=0时，Y2=0；V2和V3截至V1和V4一直截至MUsPWMV1Y1Y2方向1：正0：反V2V3V4控制专题（一）：直流电机控制可逆PWM控制设51单片机晶振12MHz，通过H桥电路生成可逆PWM波，P2.0发出周期为10ms，占空比为50%的PWM波，P2.1控制方向。#includereg51.hsbitpwm=P2^0;sbitdirect=P2^1;sbitkey=P1^0;//由该引脚电平判断正反转unsignedcharcount=0;voidmain(){TMOD=0x01;//定时器0方式1TH0=0xfc;TL0=0x18;//定时1msET0=1;EA=1;TR0=1;while(1){scan();}}voidtimer0()interrupt1using1{TH0=0xfc;TL0=0x18;count++;if(count5)pwm=1;elseif(count10)pwm=0;else{count=0;pwm=1;}}voidscanf(){if(key==1)direct=1;elsedirect=0;}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引脚编号名称功能1电流传感器A在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流2输出引脚1内置驱动器A的输出端1，接至电机A3输出引脚2内置驱动器A的输出端2，接至电机A5输入引脚1内置驱动器A的逻辑控制输入端16使能端A内置驱动器A的使能端7输入引脚2内置驱动器A的逻辑控制输入端24电机电源端电机供电输入端,电压可达46V8逻辑地逻辑地9逻辑电源端逻辑控制电路的电源输入端为5V10输入引脚3内置驱动器B的逻辑控制输入端111使能端B内置驱动器B的使能端12输入引脚4内置驱动器B的逻辑控制输入端213输出引脚3内置驱动器B的输出端1，接至电机B14输出引脚4内置驱动器B的输出端2，接至电机B15电流传感器B在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流控制专题（一）：直流电机控制ENAIN1IN2功能PWM10正传PWM01反转PWM11急停PWM00急停（3）多路小直流电机的可逆控制——L298NENBIN3IN4功能PWM10正传PWM01反转PWM11急停PWM00急停控制专题（一）：直流电机控制（3）多路小直流电机的可逆控制——L298N控制专题（一）：直流电机控制（3）多路小直流电机的可逆控制——L298NENA6ENB11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISENA1ISENB15VS4VSS9GND8U1L298N0.1uFC2104100uFC1+5V+12VD11N4007D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007D61N4007D71N4007D81N40070.1uFC4104100uFC3+5V+12V电机驱动L298NLED11KR112PWMA12Power5V1234IN1-IN41KR21KR31KR4LED2LED3LED41KR51KR61KR71KR812PWMB12Power12V12M112M21234TLP521-11234TLP521-21234TLP521-31234TLP521-4+5V+5V+5V+5V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设计实例：两路电机PWM调速设计内容：对两路电机分别实现启/停、正/反转和加/减速控制系统硬件：单片机P0口接8个按键，分别为电机A和电机B的启/停键、正/反转键、加速键和减速键单片机的P2.0~P2.5接L298N的两路电机控制端口控制专题（一）：直流电机控制（4）智能小车设计实例——循迹小车功能：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5V和9V两个挡。其中：主控模块和循迹模块需用5V电源供电；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：7805（2.5V,1A）LM2940（0.5V,1A）SPX1117（1.1V,800mA）……防止电机启动拉低单片机电流：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VccVout白色VccVout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：+5VVoutTCRC500033047KLM324+_10KV1原理：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。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：P0.0P0.1状态一：小车走直线P0.0P0.1当前状态标记000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：P0.0P0.1状态二：小车右转P0.0P0.1当前状态标记011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：P0.0P0.1状态三：小车左转P0.0P0.1当前状态标记102控制策略：左轮转速大于右轮控制专题（一）：直流电机控制P0.0P0.1循迹算法设计2传感器布局为例：状态四：特殊情况P0.0P0.1当前状态标记11不确定控制策略：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前一次是左转，当前接着左转P0.0P0.1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：voidscan_led(){if(P0^0==0&&P0^1==0){speedL=a;speedR=a;flag=0;}if(P0^0==0&&P0^1==1){speedL=0;speedR=a;flag=1;}if(P0^0==1&&P0^1==0){speedL=a;speedR=0;flag=2;}if(P0^0==1&&P0^1==1){if(flag==1){speedL=0;speedR=a;}else{speedL=a;speedR=0;}}}控制专题（一）：直流电机控制（4）智能小车设计实例——避障小车功能：小车从无障碍地区启动前进，感应前进路线上的障碍物后，根据障碍物的位置选择下一步行进方向。组成：电源模块、避障模块、主控模块、电机驱动模块器件：51单片机、9V直流电机、避障传感器控制专题（一）：直流电机控制避障模块设计常见避障传感器：超声波、激光、红外对管、视频和光电开关等控制专题（一）：直流电机控制避障模块设计超声波传感器使用：距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;控制专题（一）：直流电机控制避障模块设计测距开始触发引脚高电平延时10us触发引脚低电平接收引脚=0Y启动计数器接收引脚=1关闭计数器计算距离NYN控制专题（一）：直流电机控制避障模块设计光电开关使用：模块工作原理：（1）红色：接4.5-5V电源（2）黄色：接单片机，输出TTL电平给单片机（先接10k上拉电阻），无障碍该引脚为高电平，有障碍输出低电平（3）绿色：接