单片机原理及应用技术项目化项目10智能小车的设计与制作.ppt

　　【项目导入】　　目前玩具市场上有很多智能控制小车，这些智能小车价格高，智能度低。本项目设计制作的智能寻迹小车，不仅电路简单，成本低，而且可以扩展其他功能，除此之外还可以帮助读者掌握单片机的电机控制技术。 　　【项目目标】　　1. 知识目标　　(1) 掌握单片机系统开发的流程；　　(2) 掌握单片机硬件系统的设计制作；　　(3) 掌握单片机软件系统的编程。 　　2. 能力目标　　(1) 能根据系统的功能要求，设计系统的功能模块图； 　　(2) 能根据电路功能模块要求，通过查找资料设计电路图； 　　(3) 能结合硬件，进行软件编程；　　(4) 具有开发单片机控制系统的能力。 　　　　　10.1 项 目 描 述　　单片机的电机控制技术应用比较广泛，比如智能小车、机器人、遥控飞机等。本项目通过设计制作一个智能循迹小车让大家掌握单片机对直流电机的控制设计。 　　　　10.2 项目目的与要求　　本项目设计主要有三个模块：信号检测模块、主控模块、电机驱动模块。信号检测模块采用红外光对管，用以对黑线进行检测；主控模块采用宏晶公司的STC89C52单片机作为控制芯片；电机驱动模块采用意法半导体集团的L298N专用电机驱动芯片。 　　信号检测模块的功能是将采集到的路况信号传入STC89C52单片机，经单片机处理后对L298N发出指令，由单片机输出的PWM波控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹的功能。系统设计要求是：完成智能小车系统的整体功能方案设计；完成外围接口应用电路的设计和实现；完成系统的硬件设计和软件设计；进行系统组装和调试。 　　　10.3 项目支撑知识链接10.3.1 直流电机　　1．直流电机的类型　　直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类。其中，根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机(将机械能转化为直流电能)、直流电动机(将直流电能转化为机械能)、直流测速发电机(将机械信号转换为电信号)、直流伺服电动机(将控制信号转换为机械信号)。本项目以直流电动机(简称直流电机)作为研究对象来讲述直流电机的基本知识。 　　2．直流电机的结构　　直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极(电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供)，其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向片和电刷引出。直流电机结构如图10-1所示。 图10-1 直流电机结构 　　3．直流电机的工作原理和技术参数　　直流电机电路模型如图10-2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈的电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此可通过改变线圈电路的方向来改变电机的方向。 图10-2 直流电机电路模型 　　直流电机的主要额定值有：　　额定功率Pn：在额定电流和电压下电机的负载能力。　　额定电压Ue：长期运行的最高电压。 　　额定电流Ie：长期运行的最大电流。　　额定转速n：单位时间内的电机转动快慢，以r/min为单位。 　　励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。 　　4．直流电机的驱动　　单片机本身具有一定的驱动能力，其中I/O口的电流在10 mA左右，像发光二极管之类的小电流器件不需要特殊的驱动电路，而对于直流电机这样的大电流负载就必须有驱动电路，因此在实际应用中，电机驱动电路是单片机控制回路中的常用接口电路。在电机驱动模块的电路设计中，根据直流电机的工作原理，可以用常规电路设计直流电机的驱动电路，如图10-3所示。 图10-3 直流电机的驱动电路 　　另外，现在直流电机的专用驱动芯片很多，没有必要再去设计驱动电路，直接挑选一种符合要求的驱动芯片即可。此处选用L298芯片构成的电路结构基本上与图10-3所示电路的效果一样。由L298芯片组装的驱动电路模块如图10-4所示。 图10-4 L298芯片构成的直流电机驱动电路 　　5．直流电机PWM调速原理　　1) 直流电机转速　　直流电机的数学模型可用图10-5表示。由图10-5可见，电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T1的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。 图10-5 直流电机的数学模型 　　根据基尔霍夫第二定律，可得电枢电压电动势平衡方程式如下：　　　　　U=Ea－Ia(Ra+Rc) (1)式中，Ra为电枢回路电阻；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。　　由此可得到直流电机的转速公式为