基于单片机的智能小车控制系统设计

摘 要：本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对智能小车控制的方法。本项目中采用了利用单片机对PWM信号的软件实现方法，并且通过对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片L298N作为功率放大电路的驱动模块，把单片机输出的微弱的电流型号放大从而使电机满足转速的要求。另外，本系统中使用四位共阳极数码管对电机的转速、方向进行监控，能够直观的观察电机的变化，通过独立键盘手动控制电机的转速。
关键词：智能小车；单片机；PWM；
§1.1 引言
　　　随着科学技术的不断进步，电气工程与自动化技术正以令人瞩目的发展速度，改变着我国的工业的整体面貌。同时，对社会的生产方式、人们的生活方式和思想观念也产生了重大的影响，并在现代化建设中发挥着越来越重要的作用。随着与信息科学、计算机科学和能源科学等相关学科的交叉融合，它正在向智能化、网络化和集成化的方向发展。
　　　现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。
　　　PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。
　　　
§1.2 选题的目的与意义
　　　智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，
　　　比较先进的遥控车还能控制其速度，而智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。所以关于汽车的研究也就越来越受人关注，本设计就是在这样的背景下提出的，为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车的构想，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。
　　　传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
　　　目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
　　　
§1.3 研究方法
　　　本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方法控制智能小车的直流电机驱动。文章中采用了单片机组成PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。以四位共阳数码管显示电机速度，它能间接直观的观察到电机速度的变化，用独立键盘来手动控制电机的转速和转向。
　　　

　　　　
　　　　第二章 总体设计概述
　　　　
　　　智能小车调速简介：单片机直流调速系统可实现对智能小车直流电动机驱动的平滑调速。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。本系统以AT89S52单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。
　　　系统控制方案的分析：本智能小车系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。

§2.1基于单片机控制的智能小车基本理论
§2.1.1直流电机调速原理
　　　根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，人为机械特性方程式为：
　　　　　　　　　　　　　 （ 2-1）
式中,—— 额定电枢电压、额定磁通量；
,－－与电机有关的常数；
,——电枢外加电阻、电枢内电阻；

,——理想空载转速、转速降。
　　　分析(2-1)式可得．当分别改变、 和时，可以得到不同的转速，从而实现对速度的调节。由于=，当改变励磁电流时，可以改变磁通量的大小，从而达到变磁通调速的目的。
　　　如图1-1所示。理想空载转速随电枢电压升降而发生相应的升降变化。不同电枢电压的机械特性曲线相互平行，说明硬度不随电枢电压的变化而改变，电机带负载能力恒定。当我们平滑调节他励直流电机电枢两端电压时，可实现电机的无级调速。基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。
　　
图2.1 直流电动机机械特性曲线 图2.2 电枢电压“占空比”与平均电压关系
§2.1.2直流电机调速原理
　　　PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为,设占空比为=/，则电机的平均速度为:
　　　 =* （2-2）
式中， —— 电机的平均速度;
－－电机全通电时的速度(最大);
=/－－占空比。
　　　由公式（2-2）可见，当我们改变占空比时=/，就可以得到不同的电机平均速度 ，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比=/并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。
§2.1.3设计方案
　　　本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。MCS一51系列典型产品AT89S52具有两个定时器 和 。通过控制定时器初值和 ，从而可以实现从S52的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为，定时器／计数器为位，则定时器初值与定时时间的关系为：
　　　　 (2-3)
　　式中，—— 定时器定时初值；
　　　　　—— 一个机器周期的时钟数。随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值 ，从而改变占空比=/，进而达到控制电机转速的目的。
　　　
§2.2系统硬件电路设计
§2.2.1系统总体设计框图
　　　键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P3.0与P3.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制，电动机正转，反转，加速，减速、急停。
　　　总体设计方案的硬件部分详细框图如图2-1所示：
第四章 结论

　　　本文所述的智能小车系统是以低价位的单片机AT89S52为核心的，而通过单片机来实现小车调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对小车进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。而在软件方面，通过扫描键盘的按下来输入智能小车的运行状态，以及通过单片机来产生PWM从而控制智能小车的运行状态，这样本身就给单片机带来了不小的负担。如果用硬件来产生PWM波形，单片机的压力会大大减小。
　　　另外本文论述的智能小车系统不是闭环系统，在精确度和控制效果上大打折扣。尤其如果是智能小车带上负载，那么运行的效果将无法达到。