《基于单片机的直流电机控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的直流电机控制系统设计.docx（43页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、本科毕业论文论文题目：基于单片机的直流电机控制系统设计ty随着自动化技术的不断发展和应用，直流电机广泛应用于工业自动化、机器人、电动车辆、家电等领域，对其控制要求越来越高。所以直流电机控制系统设计成为自动化领域的重要研究方向之一。例如，需要实现精准的速度控制、位置控制、负载调节等功能，以满足不同应用场景的需求。直流电机控制系统对实时性和稳定性有较高的要求。单片机作为控制系统的核心，需要具备足够的处理能力和响应速度，能够实时地获取传感器数据、计算控制信号并输出到电机驱动电路，以确保控制系统的稳定运行。单片机作为集成度高、功能强大的微控制器，广泛应用于嵌入式系统和控制系统中。它具有低成本、易编程、
2、高灵活性和可靠性等优点，因此成为直流电机控制系统设计的主要平台之一。构建单片机控制的直流电机系统，设计以单片机为核心控制，应用相关理论知识，联系电路等相关的知识，构建出单片机控制的直流电机的系统设计。用软件模拟PWM输出调制，本单片机控制的直流电机设计使用AT89C51单片机，用直流电机来充当的执行部分，来完成设计。本文详细介绍了单片机控制直流电机系统的设计，包括其主要组成部分：数码管显示电路、控制按键、电机和超声波传感器。阐述了各部分的工作原理及各部分的流程图，并描述了这些元件如何协同工作以达到最优效果。最后设计出该设计的仿真，在仿真中验证仿真的结果并得出结论。首先设计出仿真的硬件图，在pr
3、oteus软件构造出仿真图，然后编写出直流电机控制系统设计的程序。进行前进、后退、左转、右转、遇到障碍距离大于50cm、遇到障碍小于50Cm的仿真结果，最后得出相应的结论。关键词：控制系统；单片机；直流电机论文类型：工程设计AbstractWiththecontinuousdevelopmentandapplicationofautomationtechnology,DCmotorsarewidelyusedinindustrialautomation,robots,electricvehicles,homeappliancesandotherfields,andtheircontrolreq
4、uirementsaregettinghigherandhigher.Therefore,thedesignofDCmotorcontrolsystemhasbecomeoneoftheimportantresearchdirectionsinthefieldofautomation.Forexample,itisnecessarytoimplementprecisespeedcontrol,positioncontrol,loadregulationandotherfunctionstomeettheneedsofdifferentapplicationscenarios.DCmotorco
5、ntrolsystemshavehighrequirementsforreal-timeandstability.Asthecoreofthecontrolsystem,thesingle-chipmicrocomputerneedstohavesufficientprocessingpowerandresponsespeedtoobtainsensordatainrealtime,calculatethecontrolsignalandoutputittothemotordrivecircuittoensurethestableoperationofthecontrolsystem.Ashi
6、ghlyintegratedandpowerfulmicrocontrollers,microcontrollersarewidelyusedinembeddedsystemsandcontrolsystems.Itslowcost,easyprogramming,highflexibilityandreliabilitymakeitoneofthemainplatformsforDCmotorcontrolsystemdesign.Buildasingle-chipmicrocomputer-controlledDCmotorsystem,designasingle-chipmicrocom
7、puterasthecorecontrol,applyrelevanttheoreticalknowledge,contactcircuitandotherrelatedknowledge,andbuildasingle-chipmicrocomputer-controlledDCmotorsystemdesign.UsingsoftwaretosimulatePWMoutputmodulation,theDCmotordesigncontrolledbythissingle-chipmicrocomputerusesAT89C51single-chipmicrocomputer,andthe
8、DCmotorisusedastheexecutionparttocompletethedesign.Thisarticleintroducesindetailthedesignofthesingle-chipmicrocomputercontrolDCmotorsystem,includingitsmaincomponents:digitaltubedisplaycircuit,controlbutton,motorandultrasonicsensor.Itexplainshoweachpartworks,aflowchartofeachpart,anddescribeshowthecom
9、ponentsworktogethertoachieveoptimalresults.Finally,thesimulationofthedesignisdesigned,andthesimulationresultsareverifiedandconclusionsaredrawninthesimulation.First,thesimulatedhardwarediagramisdesigned,thesimulationdiagramisconstructedinthePROTEUSsoftware,andthentheprogramforthedesignoftheDCmotorcon
10、trolsystemiswritten.Thesimulationresultsofforward,backward,left,right,obstacledistancegreaterthan50cm,obstacleencounterlessthan50cmarecarriedout,andthecorrespondingconclusionisfinallydrawn.KeyWords:Controlsystem;Singlechip;DCmotorPapertype:EIlgineerillgdesign摘要IAbstractII目录III1绪论11.1 研究背景11.2 研究目的和意
11、义22直流电机控制系统的主要组成部分42.1 数码管显示电路42.2 控制按键52.3 直流电机62.4 超声波传感器72.5 本章小结83综合控制系统的设计与实现93.1 显示电路与实时更新技术93.1.1 数码管显示电路的工作原理93.1.2 显示速度、位移和障碍物距离的实时更新技术103.2 控制按键与电机控制实现113.3 电机控制系统与转速/转向控制技术123.4 超声波传感器与自动避障实现143.4.1 超声波传感器的工作原理153.4.2 基于超声波传感器的自动避障实现163.5 各部分协同工作163.6 本章小结184控制系统的实验仿真194.1 实验和设备194.2 实验仿真
12、过程194.3 仿真结果及分析254.4 本章小结265结论275.1 总结275.2 展望27参考文献29致谢30附录程序编程311绪论1.1 研究背景单片机具有集成度高、体积小，可靠性高、实用温度范围宽，有优良的性能价格比,控制功能强,外部总线丰富,功能扩展性强及低功耗等特有的优良性能，因而得到了广泛应用。它推动了嵌入式系统的发展并深入到各个领域，已经成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活的各个领域的智能化工具，也是现代电子系统中重要的智能化工具，对各行各业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。在精密仪器仪表的制作过程中，单片机也得到了相应的应用，与单片机的诞生时间相比，
13、仪器仪表的应用时间相对较早，在早期进行仪器仪表应用和生产的过程中，一般会使用机械原理和电磁原理，但是因为基于这些原理制造的仪器仪表设备在使用过程中误差相对较大，并且体积也相对较大，在使用过程中的便捷程度较低，所以逐渐被单片机取代。常用的典型的单片机有Intel公司的MCS-51系列单片机、Motorola公司的M68系列单片机、Philips公司的P系列单片机、WinBond（华邦）公司的W77、W78系列单片机、AtmeI公司生产的AT89系列单片机、EPSON公司的单片机等。单片机控制的重要性在于其能够实现人工智能与物理世界的交互，是一种载体，它能够把计算机程序中的智能转化为现实世界中的行
14、动。因此，单片机的设计和控制系统对其功能和性能有着至关重要的影响。单片机自身的特点决定了其应用非常广泛，对各行业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。直流电机控制系统的设计与实现面临着诸多挑战。一方面，直流电机需要在各种环境条件下稳定运行，这就要求控制系统具有良好的稳定性和适应性；另一方面，需要在执行任务时具有一定的自主性和智能性，这就要求控制系统能够实现复杂的决策和控制算法。直流电机的设计和控制系统的研究，也提供了一个理论与实践相结合的机会。可以将理论知识应用到实际的系统设计中，同时，通过实际的设计和实验过程，也可以检验和深化理论知识。这种理论与实践相结合的研究方法，不仅可以提高
15、实践能力，也能够促进理论水平。直流电机的应用领域广泛且重要性不言而喻，其控制系统的设计和研究具有重要的理论意义和实践价值。本文的目标是设计一个高效、稳定、具有一定智能性的直流电机控制系统，并通过实验验证其性能，希望能为直流电机控制的研究和应用提供一种可行的参考。1.2 研究目的和意义基于单片机的直流电机控制系统设计的研究背景源于自动化技术的发展、单片机的普及应用、直流电机控制需求的增加、控制算法的研究和发展、实时性和稳定性的要求，以及系统集成和智能化的趋势。这些因素共同推动了基于单片机的直流电机控制系统设计的研究和应用。设计直流电机的控制系统，目标主要是实现自主导航、自动避障、实时反馈和高效控
16、制。具体来说，希望通过设计一个高效且稳定的控制系统，使直流电机能够在不同的环境中自主运行，能够自动检测并避开前方的障碍物，同时，能够实时地反馈电机的运行状态，包括速度、位移、电量等信息，从而使操作者能够更好地掌控直流电机的运行情况。直流电机的控制算法涉及到闭环控制、速度估计、电流控制等方面的技术。在控制算法的研究和发展过程中，需要结合单片机的特性和性能，设计和优化适用于直流电机控制的算法和方法。实现这些目标并非易事，直流电机控制系统的设计面临着诸多挑战。首先，如何设计一个既能够实现复杂控制算法，又能保持高效稳定的控制系统，这是一个重大的挑战。需要考虑到处理器的计算能力、内存容量、能耗等因素，以
17、确保控制系统能够在满足功能需求的同时，保持高效稳定的运行。如何实现高效的传感器数据处理和集成，也是一个挑战。智能小车需要通过传感器来感知环境，包括检测前方的障碍物、测量自身的速度和位移等。这些传感器数据需要经过处理和集成，才能用于决策和控制。然而，传感器数据往往带有噪声，且不同传感器的数据可能存在不一致性，如何从这些不完美的数据中提取有用的信息，是一个挑战。如何实现小车的自主导航和自动避障，也是一个重要的挑战。这需要我们设计出能够对环境进行准确识别和理解的算法，同时，也需要我们设计出能够在复杂环境中进行有效决策的控制策略。如何实现实时反馈,也是一个挑战。直流电机需要能够实时地反馈其运行状态，包
18、括速度、位移、电量等信息。这不仅需要设计出能够准确测量这些信息的传感器和算法，也需要设计出能够快速且有效地将这些信息传输给操作者的通信系统。直流电机控制系统设计的研究可以帮助降低系统的成本和能耗。通过优化控制算法和硬件设计，减少不必要的能耗和材料成本，提高系统的能效性能。这对于大规模工业应用和电动车辆等领域具有重要意义。虽然直流电机控制系统设计的目标清晰，但实现这些目标面临着诸多挑战。本文的目标就是通过深入研究和实践，克服这些挑战，设计出一个高效、稳定、具有一定智能性的直流电机控制系统。2直流电机控制系统的主要组成部分2.1数码管显示电路直流电机控制系统中的数码管显示电路起到了至关重要的作用。
19、这一部分主要由三个数码管组成，分别负责显示速度、位移，以及前方障碍物的距离。这三个数码管通过单片机的通用输入输出（GPIO）端口与控制系统相连。单片机通过内部编程，将采集到的数据转换为电信号，通过GPlo端口传输到数码管，由数码管以数字形式显示出来，将这些关键的运行数据直观地展现给操作者。如图2.1为数码管。图2.1数码管在设计数码管显示电路时，需兼顾准确性与易读性。首先，编程的准确性至关重要，这决定了数码管是否能够准确地反映出小车的运行状态。其次，数码管的显示效果也需要重点考虑，需要保证在各种光线环境下，数码管的亮度均能保持适中，数字显示清晰，视角广阔，以便操作者在任何环境下都能清晰地读取到
20、数据。此外，为了保证显示电路的稳定性和持久性，在设计时采用了高品质的数码管和驱动芯片，并对电路进行了严格的防护设计，以防止各类干扰对电路的影响。同时，优化了电源设计，以保证在直流电机连续运行过程中，数码管显示电路能持续、稳定地工作。数码管显示电路在直流电机控制系统中发挥着重要的作用，它的设计需要综合考虑准确性、易读性、稳定性和持久性等多个因素，以确保在任何情况下，都能为操作者提供准确、及时的直流电机运行状态信息。2. 2控制按键直流电机控制系统中的控制按键部分，为操作者提供了对直流电机运动状态的直接控制。如图2.2所示为控制按键。这一部分主要由五个按键组成，分别负责控制直流电机的前进、后退、左
21、转、右转以及启动/停止。图2.2控制按键这五个按键同样通过单片机的通用输入输出(GPIO)端口与控制系统相连。当按键被按下时，单片机通过内部编程读取相应的信号，并将这些信号转换为特定的控制指令，进而改变直流电机的运行状态。设计控制按键时，我们考虑了易用性和稳定性两个关键因素。首先，我们设计了直观的按键布局和标识，使得操作者能够快速、准确地对小车进行控制。其次，选择了具有良好触感和耐用性的按键材料，以保证在长期使用过程中，按键的感应效果不会发生明显变化。在实际使用过程中，这五个按键将为操作者提供直观、准确、灵敏的控制方式。无论是在实验室环境下进行精细的操控，还是在复杂环境下进行快速反应,这些按键
22、都能够满足操作者的需求。控制按键作为直流电机控制系统的一个重要部分，其设计的目标是提供一个易用、稳定、灵敏的控制方式，以满足操作者在各种环境和应用场景下对直流电机的控制需求。3. 3直流电机电机是直流电机控制系统中的重要组成部分，负责驱动电机带动的小车的移动和转向。在我们的设计中，电机控制系统主要包括电机本体以及电机驱动电路两个部分。如图2.3所示为直流电机图2.3直流电机电机本体是控制系统中的执行元件，负责接收控制信号并将其转化为机械动力。根据控制信号的不同，电机可以产生不同的转速和转向，以驱动物体前进、后退、左转和右转。直流电机的工作效率将会影响单片机控制系统的运行，所以直流电机的工作功率
23、必须在单片机的负载承受范围内。直流电机的工作效率计算公式如下：单相电动机的工作功率为尸=UIcosU为线电压，I为线电流，9为功率因数，V为电机的效率。三相电动机的工作功率为P=1.732U%COSoU为相电压，I为项电流，9为功率因数，1为电机的效率。电机驱动电路则是连接电机和单片机的桥梁。这一部分主要通过单片机的脉冲宽度调制（PWM）端口与电机相连。通过改变PwM信号的占空比，可以精确地控制电机的转速和转向联味找到引用.。同时，为了保护电机和提高系统的稳定性,电机驱动电路还包括了过流保护和故障检测等功能。在设计电机控制系统时，优化了PWM信号的生成算法，以实现对电机转速和转向的精确控制。同
24、时，还选择了高效、稳定的电机和驱动芯片，以保证在各种运行状态下，电机都能提供强大、稳定的动力。电机作为直流电机控制系统的关键组成部分，其设计和实现需要考虑精确控制、稳定运行以及系统保护等多个因素，以确保直流电机能在接收到控制信号后,能够准确、稳定地进行相应的动作。2.4超声波传感器超声波传感器在直流电机控制系统中发挥着关键的角色，它主要负责感知直流电机前方的障碍物距离，为自动避障提供必要的信息。如图2.4所示为超声波传感器。图2.4超声波传感器超声波传感器的工作原理是发射超声波，当超声波遇到障碍物后反射回来,通过测量超声波发射和接收的时间差，就能计算出隙碍物的距离*!未找到引用ll.这个传感器
25、通过单片机的GPIO端口与控制系统相连，将测量到的距离信息转换为电信号，传输给单片机，由单片机进行进一步的处理和决策。在设计超声波传感器时，我们考虑了几个关键因素：首先，传感器的测距精度至关重要，这决定了直流电机能否准确地感知到前方的障碍物；其次，传感器的响应速度也非常重要，它决定了直流电机能否及时地做出反应；最后，考虑到直流电机可能在各种环境下运行，传感器的环境适应性也是需要考虑的因素。如图表2.1所示为各种传感器的性能比较。表2.1传感器的比较类型优点缺点超声波传感器性价比高，检测范围小且晚上零影响受天气影响大视觉传感器适用于多目标测量速度慢且算法复杂和辨别，分辨能力强激光雷达传感器性价比
26、高，晚上零影响受灰尘、水、灯光影响大毫米波雷达传感器灯光、天气零影响价格昂贵所以经过综合比较后选择超声波传感器。超声波模块通过发射和接收超声波信号，并将接收到的超声波信号发送至主控芯片，以此来提高避障功能的精准度。超声波传感器作为智能小车控制系统的关键组成部分，其设计和实现需要考虑测距精度、响应速度以及环境适应性等因素，以确保直流电机带动的小车能准确、及时地感知到前方的障碍物，从而实现有效的自动避障。2.5本章小结本章介绍了此次实验仿真的组成，分别为数码管部分、控制按键部分、电机部分、超声波传感部分。以及这些部分在整个仿真的功能，这些部分所可能遇到的问题和解决问题的方法。3综合控制系统的设计与
27、实现3.1 显示电路与实时更新技术在直流电机控制系统的设计和实现中，显示电路和实时更新技术是两个重要的部分，它们共同构成了直流电机的信息反馈系统。首先，介绍显示电路。在这个系统中，使用了三个数码管，分别用于显示直流电机的速度、位移和障碍物距离。这些数码管与单片机的GPlO（通用输入输出）端口相连，通过编程来控制数码管显示相应的数字。设计这一部分时，考虑了显示的清晰度和可读性。数码管的尺寸和显示颜色都经过精心选择，确保在各种光照条件下，操作者都能清晰地看到显示的信息。此外，还对数码管的驱动电路进行了优化，以保证显示的稳定性和响应速度。在显示电路的基础上，实现了实时更新技术。这个技术的核心是单片机
28、的编程。当单片机接收到新的数据时，例如速度、位移或障碍物距离的变化，它会立即更新数码管的显示。这种实时更新不仅保证了信息的时效性，也为操作者提供了对小车状态的直观反馈。实现这一技术时，面临的一个挑战是如何在保证更新速度的同时，减少对单片机计算资源的占用。为此，设计了一种高效的数据处理和更新算法，使得单片机在执行其他任务时，仍能及时地更新数码管的显示。显示电路与实时更新技术是直流电机控制系统的重要组成部分，它们为操作者提供了对直流电机状态的直观反馈，并为优化控制策略提供了依据。在设计和实现这些技术时，注重了清晰度、可读性、实时性和效率等关键因素，以满足系统在各种环境和应用场景下的需求。3.1.1
29、 数码管显示电路的工作原理数码管显示电路是直流电机控制系统中的一个重要部分，它负责将直流电机的实时状态信息（如速度、位移和障碍物距离）转化为数字形式，并在数码管上显示出来。在这个部分中，将详细介绍数码管显示电路的工作原理。数码管显示电路主要由两部分组成：数码管和驱动电路。数码管是一种电子显示设备，它包含了一些可以发光的部分（通常是1.ED或1.CD）,这些部分可以被独立控制，以显示不同的数字或符号。在我们的设计中，使用了三个数码管，分别显示物体的速度、位移和障碍物距离。驱动电路则是连接数码管和单片机的桥梁。它通过单片机的GPIO端口接收控制信号，然后根据这些信号的状态，控制数码管的发光部分，以
30、显示相应的数字。为了简化设计和节省GPlO端口，使用了译码器和驱动器进行驱动。译码器负责将二进制的输入信号转化为十进制的输出信号，驱动器则负责驱动数码管的发光部分未找到引0在工作过程中，当单片机接收到新的状态信息时，它会将这些信息转化为二进制信号，然后通过GPK）端口发送给驱动电路。驱动电路接收到这些信号后，会通过译码器和驱动器，控制数码管显示相应的数字。数码管显示电路的工作原理是通过驱动电路和数码管，将单片机的二进制信号转化为可以直观理解的数字显示。在这个过程中，驱动电路的设计和数码管的选择都至关重要，它们共同决定了显示电路的效果和性能。为了确保显示的清晰度和稳定性，在设计中优化了驱动电路的
31、结构，并选择了高质量的数码管，以满足系统在各种环境和应用场景下的需求。3.1.2 显示速度、位移和障碍物距离的实时更新技术在直流电机控制系统中，实时更新技术是一个至关重要的部分，它允许实时地在数码管上显示物体的速度、位移和障碍物距离。在这一部分，将详细介绍实现这一技术的方法和策略。首先，需要获取物体的实时状态信息。这是通过传感器和电机控制系统完成的。例如，可以通过轮子上的编码器获取物体的速度和位移信息，通过超声波传感器获取障碍物的距离信息。这些信息被转换为电信号，然后送入单片机进行处理。在单片机中，设计了一个特殊的程序来处理这些信号。首先，程序将电信号转换为相应的状态信息。然后，它将这些信息转
32、换为可以在数码管上显示的二进制信号，并通过GPlo端口发送给显示电路。这个过程是连续进行的，以保证数码管的显示始终与物体的实际状态保持一致。此外，还针对性地优化了数据处理和更新算法。例如，使用了一种特殊的缓存策略，可以减少不必要的数据更新，从而节省计算资源。我们还使用了一种高效的二进制编码算法，可以快速地将状态信息转换为二进制信号。实时更新技术是通过对硬件和软件的精心设计和优化，实现了在数码管上实时显示物体的速度、位移和障碍物距离。这一技术的实现，既保证了信息的时效性，又提高了系统的效率，是直流电机控制系统的重要组成部分。3.2 控制按键与电机控制实现直流电机的移动控制是整个系统中最为核心的部
33、分，而其中，控制按键则是用户与物体进行交互的主要途径。在这一部分，将详细介绍我们的控制按键设计以及如何实现与直流电机的控制。设计中包括五个按键，分别用于控制电机的前进、后退、左转、右转以及启动/停止。这些按键的设计目标是让用户能够简单直观地控制电机，使其按照预期的方式运行每个按键都连接到单片机的GPIO端口，当按键被按下时，会改变相应GPIO端口的电平状态。单片机程序能够检测到这种电平变化，并将其转化为相应的控制信号。例如，当“前进”按键被按下时，单片机会接收到一个“前进”信号。然后，单片机会根据这个信号，通过PWM端口输出相应的控制信号，驱动电机转动，从而使电机前进。类似地，其他的按键也有相
34、应的控制信号和行为。为了实现对电机的精确控制，按键设计中加入了防抖动处理。这是因为，在实际使用过程中，按键可能会产生抖动，导致误触发。通过在单片机程序中加入防抖动处理，可以确保每次按键的行为都是准确和可靠的。还设计了一种优先级策略，当多个按键同时被按下时，单片机会根据预设的优先级，选择执行哪个按键的指令。这样可以避免因为用户误操作而产生的混乱情况。通过精心设计的按键和单片机程序，实现了对直流电机带动的智能小车的精确控制。这不仅提高了电机的使用体验，也为电机的进一步优化和开发提供了可能性。直流电机控制系统以微处理器为核心，该微处理器通过GPIO（通用输入/输出）端口连接到各个按键。每个按键都具有
35、独特的标识符，这样当按键被按下时，微处理器可以通过GPIo端口读取到相应的信号。图3.1控制按键子程序流程图在软件层面，为每个按键定义了一个对应的中断服务程序。这意味着当按键被按下时，微处理器会立即停止当前的任务，转而执行与该按键关联的中断服务程序。这个程序会根据按下的按键，改变电机的状态。例如，如果“前进”按键被按下，中断服务程序将会发送一个命令到电机控制系统，使小车开始前进。在按键设计中，使用了电子防抖技术，以避免按键的误触发。具体来说，当检测到一个按键被按下时，不会立即触发中断服务程序，而是会启动一个定时器。如果在定时器的时间窗口内，该按键的状态仍然是被按下的，才会触发中断服务程序。这样
36、可以有效地避免由于按键的抖动导致的误触发。为了处理多个按键同时被按下的情况，设计了一个优先级策略。为每个按键设定了一个优先级，当多个按键被按下时，只有优先级最高的按键的中断服务程序会被执行。这样可以确保在任何情况下，电机的行为都是确定和可预测的。3.3 电机控制系统与转速/转向控制技术电机控制系统是直流电机的核心组件之一，它决定了小车的运动状态，包括速度和方向。在本设计中，电机控制系统主要由微处理器、电机驱动器和两个直流电机组成。采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用。微处理器通过PWM(脉冲宽度调制)信号控制电
37、机驱动器，而电机驱动器则负责驱动两个直流电机。通过改变PWM信号的占空比，可以精确地控制电机的转速，从而控制电机的行驶速度。同时，通过独立控制两个电机的转速，还可以实现电机的转向控制。例如，如果希望电机向左转，可以让右侧的电机转速快于左侧的电机。PWM调速系统具有下列优点：(1)因为在PWM调速系统中，其通断频次相对较高，故可获得脉动很小的直流电流。PwM调速系统在速度低于一定值时运行十分平稳，调速范围相对较宽,电流持续性好。同样因为开关频率高，如果与快速响应的电机相配合的话，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能非常好，动态抗扰能力比较强。且电动机的损耗和发热都比较小。(2)由于电力电子器
38、件仅仅只工作在晶体管通断地开关状态，主电路回路中的电压、电流地损耗较小，电路工作效率高。在电机控制系统的设计中，采用了闭环控制策略，以提高系统的稳定性和响应速度。具体来说是在电机上安装了编码器，用于实时测量电机的转速。这些转速信息将被反馈到微处理器，微处理器根据这些信息和预设的目标转速，动态地调整PWM信号的占空比，从而实现对电机转速的精确控制。除了基本的速度和方向控制，电机控制系统还具有一些高级功能。例如，设计了一个防滑控制策略，当检测到电机的小车的滑移时，系统会自动调整电机的转速，以减少滑移。此外，还设计了一个能量管理策略，当电池电量低时，系统会自动降低电机的转速，以延长小车的运行时间。电
39、机控制系统的设计：它决定了电机的运动性能和行为模式。设计目标是实现精确、灵活和稳定的运动控制。直流电机控制系统主要由微处理器、电机驱动器和两个直流电机组成。微处理器是系统的核心”!未找到引用私，它接收来自控制按键的指令，并根据这些指令产生相应的PWM(脉冲宽度调制)信号。电机驱动器接收这些PWM信号，并将其转换为适合电机的电流信号。两个直流电机分别驱动物体的左轮和右轮。通过独立控制两个电机的转速，可以实现物体的前进、后退和转向操作网。电机的转速由PWM信号的占空比决定，占空比越大，转速越快。为了实现精确的速度控制，在每个电机上安装了一个旋转编码器，用于实时测量电机的转速。这些转速信息被反馈到微
40、处理器，微处理器根据这些信息和预设的目标转速，动态地调整PWM信号的占空比。这是一个典型的闭环控制系统,它可以有效地抵抗各种扰动，提高系统的稳定性和响应速度。为了增强系统的功能性和可靠性，还设计了一些高级控制策略。例如，防滑控制策略可以在检测到物体滑移时，自动调整电机的转速以减少滑移。能量管理策略则可以在电池电量低时，自动降低电机的转速以延长电机的运行时间。电机控制系统设计充分考虑了性能、功能性和可靠性，使得直流电机能够在各种环境和条件下，实现精确和灵活的运动控制。3.4 超声波传感器与自动避障实现超声波传感器在直流电机带动的小车的自动避障功能中扮演着重要角色。它能够实时检测物体前方的障碍物，
41、根据检测到的距离信息，帮助物体实现自动避障和保持安全距离。当前方出现障碍物时，直流电机带动的小车上的传感器就会接收到反射波，根据发射到返回过程的时间，以及声波速度，即可计算出障碍物离车辆的距离。当然，如果对计算结果精度要求很高，还必须对空气的湿度以及温度作准确的测量，因为这些因素都会对超声波的速度大小产生影响。超声波传感器的工作原理是发射超声波信号并接收反射回来的信号。当超声波信号遇到障碍物时，会产生回声，传感器通过测量发射信号与接收回声之间的时间差，计算出障碍物与电机之间的距离。这种距离检测方式具有较高的精度和稳定性，适用于多种环境和场景。自动避障实现策略充分考虑了系统的实时性和稳定性。超声
42、波传感器的周期性数据采集和微处理器的快速数据处理能力保证了避障操作的实时性。另外，还设计了一些高级策略，如动态调整避障阈值和多次采样平均，以提高避障的稳定性和准确性。通过整合超声波传感器和自动避障实现策略，由直流电机带动的小车能够在复杂环境中实现自动避障，大大提高了智能性和安全性。图3.2超声波测距子程序图自动避障实现策略分为以下几个步骤：（1）数据采集：超声波传感器周期性地发射和接收信号，实时采集障碍物距离数据。这些数据被传输到微处理器进行处理。（2）数据处理：微处理器根据采集到的距离数据，判断前方是否有障碍物。如果有，微处理器将计算出一个避障方向，例如向左或向右转。（3）控制指令生成：根据
43、避障方向，微处理器生成相应的控制指令，如调整电机的转速差以实现转向。（4）执行控制指令：控制指令被发送到电机驱动器，电机驱动器根据指令调整电机的转速，使电机实现避障操作。3.4.1 超声波传感器的工作原理超声波传感器的运作主要基于声速和反射原理。当传感器发射出超声波信号时，这些信号会向前传播，直到遇到障碍物时反射回来。传感器检测到反射的信号并记录下反射的时间。由于声速是已知的（在空气中约为343ms）,因此可以通过计算发射和接收信号之间的时间差，然后利用声速等式（距离=时间X速度）来确定隙碍物的距离。在直流电机控制系统的设计中，超声波传感器主要负责检测电机前方的障碍物。传感器周期性地发射和接收
44、超声波信号，通过计算各个信号的时间差，即可得到一系列的障碍物距离数据，这些数据将用于实现自动避障功能。3.4.2 基于超声波传感器的自动避障实现基于超声波传感器的自动避障主要包含数据采集、数据处理、决策制定和执行决策四个步骤。（1）数据采集：超声波传感器发射并接收超声波信号，获得障碍物的距离数据。（2）数据处理：微处理器接收这些数据，分析电机前方是否存在障碍物，如果存在，进一步分析障碍物的距离和位置。（3）决策制定：根据数据处理的结果，微处理器制定避障策略。例如，如果障碍物在直流电机的正前方，可以选择左转或右转；如果障碍物在直流电机的左侧，可以选择右转。（4）执行决策：微处理器根据避障策略生成
45、控制信号，这些信号被传递到电机控制系统，调整电机的转速和方向，从而使电机按照预定的路径避开障碍物。增加各种传感器，如光电传感器、红外传感器、超声波传感器等，利用传感器构成的信号检测电路实时检测电动小车的运行速度、运行位置、运行状况，单片机接收并处理信号检测电路检测到的各种数据，然后由单片机发出指令，从而实现对电动小车的智能化控制I。通过这个流程，电机可以实时感知前方的环境，根据环境变化动态调整自己的行驶方向，从而实现自动避障功能，提高了电机的自主性和安全性。3.5各部分协同工作直流电机控制系统的高效运作，关键在于各个子系统一一数码管显示电路、控制按键、电机和超声波传感器的协同工作。每个子系统都
46、有其特定的功能和职责，但同时它们也需要通过数据和信号的交互，以实现整体的最优运作。首先，数码管显示电路为操作者提供了关于电机速度、位移和前方障碍物距离的实时信息。这些信息帮助操作者了解电机的运行状态，从而做出恰当的控制决策。同时，数码管显示电路也会根据控制按键的输入和超声波传感器的数据进行实时更新，保证显示的信息准确无误。图3.3主程序流程图控制按键则是操作者与电机之间的主要交互接口。操作者通过按键输入命令,控制电机的前进、后退、转向和启停。这些命令通过微处理器转换为电机控制信号，从而实现对电机的精确控制。电机是实现物体运动的核心部件。它根据微处理器的控制信号，调整自身的转速和方向，从而控制直
47、流电机的行驶状态。电机的工作状态会实时反馈给数码管显示电路，供操作者参考。超声波传感器则是电机的“眼睛”，它通过发射和接收超声波，检测前方的障碍物。当检测到隙碍物时，超声波传感器会将障碍物的距离数据传送给微处理器，微处理器根据这些数据制定避障策略，然后通过电机实现避障。3. 6本章小结本章主要介绍了直流电机系统控制的各个部分，并介绍了数码管、控制按键、电机、超声波传感器的工作原理，设计出直流电机每部分的流程图，在最后将所有的部分组合成为整个直流电机的系统控制，为下文实验仿真奠定基础。4控制系统的实验仿真4.1实验和设备为了验证直流电机控制系统的性能，我们设计了一系列实验仿真进行验证。在本节中，
48、我们将介绍实验的环境和设备。通过仿真，可以对直流电机控制系统的性能进行全面而准确的测试，为进一步的优化和改进提供有力支持。4. 2实验仿真过程首先，将智能小车控制系统的原理图绘制好；然后，在keilc51兼容单片机C语言软件开发系统中，按照程序流程图进行完整的编译；最后，再将原理图与单片机程序置入仿真软件中进行仿真。如图4.2所示，图中包含了三个数码管，分别代表速度、位移、障碍距离。U2区域代表单片机，负责控制各个部分的工作，有五个按键控制小车的启停、前进、后退、左转、右转。U3区域代表了超声波传感器，负责检测由直流电机带动的小车与障碍物之间的距离测定。U4区域代表了数码管显示的数据产生。右下方为两个电机所带动的小车，有五个按键控制小车的启停、前进、后退、左转、右转。当前方有障碍物时，躲避障碍物，当有障碍物存在时使用超声波传感器检测是距离障碍物小于于50Cm时，则通过控制小车的转向，躲避
