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1、全国大学生电子设计大赛论文报告格式*设计报告内容：1 封面：单独1页（见样件）2 摘要、关键词：中文（150200字）、英文；单独1页3 目录：内容必要对应页码号4 设计报告正文：一、 前言：二、 总体方案设计： 包括方案比较、方案论证、方案选择（以方框图的形式给出各方案，并简要说明）三、 单元模块设计： 各单元模块功能介绍及电路设计； 电路参数的计算及元器件的选择； 特殊器件的介绍； 各单元模块的联接，以一个模块为一个框，画出框的联接图并简要说明。四、 系统调试：说明调试方法与调试内容，软件仿真放这里。五、 系统功能、指标参数：说明系统能实现的功能；系统指标参数测试，说明测试方法，要求有测试
2、参数记录表；系统功能及指标参数分析（与设计要求对比进行）。六、 设计总结：包括：对设计的小结；设计收获体会；对设计的进一步完善提出意见或建议。5 参考文献：如：1 陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用.科学出版社，2002.01.236 附： 系统原理图；*设计报告格式：设计报告统一用A4纸打印，设计报告正文大标题用小三号宋体、小标题用四号宋体、内容用小四号宋体。报告从正文开始统一编页码、左侧装订。设计报告要求20页左右。目录1 前言12总体方案设计22.1 方案一22.2 方案二32.3方案选择43单元模块设计53.1单元模块功能介绍53.1.1辅助电源部分设计53.1.2主要电源部分设计
3、63.1.3保护电路部分设计73.1.4继电器驱动部分设计73.1.5输出电压比较部分设计83.1.6编码译码部分设计93.2电路参数计算103.3特殊器件介绍：113.4各单元模块连接164系统功能175设计总结17【参考文献】186 系统原理图191 前言 可以说，有电器的地方就有电源。所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。这些直流电源有的属于化学电源，如采用干电池和蓄电池，但这些不能持久性的供电。大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等变换为所
4、需的直流电压。完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关性稳压电源。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源。它的稳压性能好，输出纹波很小，缺点是需要使用体积和重量都比较大的工频变压器，而且稳定效率较低。开关型稳压电源效率高，体积小，重量轻，缺点是输出的纹波及产生的电磁干扰比较大。开关电源和线性电源的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。通常，当输出功率较小时，线性电源的成本较低。但是，当线性电源成本在某一输出功率点上时，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。本设计就是针对线性稳压电源，只是对普通稳压电源进行一些增加，使稳压电
5、源更智能化却更安全。该电源主要在普通电源后增加一个LED数码显示电路、过电流保护电路和自动换档电路。2总体方案设计2.1 方案一该方案是通过变压器变压，再经过整流电路、滤波电路进而将交流电变为直流电，在通过稳压器的稳压得到较稳定的电压，由于稳压器当输入电压固定时只能在它的电压差范围内调节输出电压，、所以要在调出电压差的范围时自动调档，这是通过两个比较器将输出电压和基准电压进行比较，再通过计数器的计数功能控制继电器控制器的输入情况来判断输出电压的大小在哪个范围，然后进行自动调档。最后将稳压器的输出电压流经保护电路，最后输出。如图2.1。变压器整流滤波稳压保护电路两个比较器交流电220V/50HZ
6、计数器继电器控制器图2.12.2 方案二 该方案也是通过变压器变压，再经过整流电路、滤波电路进而将交流电变为直流电，在通过稳压器的稳压得到较稳定的电压，主要是自动换档这一单元有所改变，该方案的这一单元的原理是：将稳压器输出的电压通过六个比较器和基准电压进行比较，将得出的结果通过编码器、译码器得出有效的二进制码，接着通过继电器控制器控制继电器自动调节档位。最后将稳压器的输出电压流经保护电路输出，如图2.2。交流电220V/50HZ变压器整流滤波继电器控制器稳压保护电路六个比较器编码器译码器 图2.2 2.3方案选择方案一的优点在于所用的器件较少,但由于用计数器给继电器控制器有一个缺点:当电源一开
7、始就往下调,要是不置数的话,往下就不能计数,但如果置数的话,在方案上有点困难;方案二虽然元器件多点但它能完整的完成自动调档功能,并且思路简单明了,容易让人理解并不会出什么错误,元器件又好解决.所以我选用第二中方案。3单元模块设计3.1单元模块功能介绍3.1.1辅助电源部分设计 该部分的功能是提供主要电源部分所使用的芯片的驱动电压和用来作为基准电压。 图3.1.1 辅助电源+5V该电源提供稳定的直流电源+5V，它的主要功能是提供给比较器、译码器和编码器的驱动电压+5V。如图3.1.1。 图3.1.2 辅助电源+12V该电源提供稳定的直流电源+12V，它的主要功能是提供给2803驱动电压+12V和
8、提供比较器的基准电压。如图3.1.2。该电源主要通过整流、滤波和稳压三部分构成，起部分功能如下：桥式整流电路：在U2的正半周，a点的电位高于b点的电位，D1、D3导通，D2、D4截止，电流自a端经D1，RL和D3回到电源的b端；在U2的负半周，b点的电位高于a点的电位，D2、D3导通，D1、D3截止，电流自b端经D2、RL和D4回到电源的a端。与半波整流电路相比，在U2、RL相同条件下，输出的只电流、电压都提高一倍；电流脉动程度减小；变压器在正、负半周都有对称的电流流过，既得到充分利用，又不存在单磁化的问题，但需要4个整流二极管，线路稍复杂。与全波整流相比，虽然多用了2个整流二极管，但反向耐压
9、低了一倍，变压器次级少了一圈，综合成本低于全波整流电路。电容滤波电路电容滤波电路的特点：（1）电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边的有效值I2=1.11IL，而有电容滤波时I2=（1.52）IL。（2）负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且RLC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取RL*C（3-5）T/2（式中T为电源交流电压的周期）。（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性，如图所示。电容滤波电路简单，负载直流
10、电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。3.1.2主要电源部分设计图3.1.3可调电源部分该部分通过三端可调集成稳压器实行对电压的调节，当调节电位器R2时，电压就会随着电阻的阻值变化而变化。3.1.3保护电路部分设计 图3.1.4 保护电路如图3.1.3，该保护电路采用场效应管的功能，其工作原理如下：当电源输出短路时，场效应管VT2的栅源极变成等电位而导通，其漏源极就会分去调整管VT1的基极电流达到减小调整管导通过电流的作用，R2为场效应管栅极的保护电阻。选用场效应管时应使其导通电压降（漏源极间的电压）小于调整管发射结导通电压降。3.1.4继电
11、器驱动部分设计 图3.1.4继电器驱动该部分的设计主要利用继电器的特殊功能：当继电器两端有电压时，继电器则导通，反之继电器就断开。继电器用2803芯片驱动，如图3.1.4所示，可知A，B两端接到整流部分，2803输入端接译码部分。当译码信号传给2803时，它即将判断那端输出高电平，接到这端的继电器导通，即与变压器的一档位接通，起到换挡作用。 3.1.5 输出电压比较部分设计 图3.1.6 电压比较该部分的原理主要是利用对输出电压与基准电压进行比较从而判断输出电压在哪个范围，由此得出比较信号，将它传给编码器编码。如图3.1.5可知，六个比较器的输出端接编码器，输入端接的基准电压。此基准电压是通过
12、+12V的辅助电源供给的。比较器的原理是：当输入电压比基准电压高时输出高电平，而当输入电压比基准电压低时则输出低电平。3.1.6 编码译码部分设计 图3.1.7 编码译码 如图3.1.6所示，编码器的输入端接比较器的输出端，在此编码器通过对输入信号的编码并传给译码器，通过译吗器的译码将输出信号传给2803控制继电器。3.2电路参数计算3.2.1辅助电源参数计算1.因为Vi-Vo=2.5V，所以+5V稳压电源Vi应大于2.5V+5V=7.5V，+12稳压电源Vi应大于2.5V+12V=14.5V。2.因为Vi=(1.11.2)Vj,所以Vj=Vi/(1.11.2).那么+5V稳压电源Vj6.25
13、V, +12稳压电源Vj12.08V。3.考虑到电解电容并不是非常大，稳压输出的稳定，+5V稳压电源交流电压应大于6.6V，+12稳压电源交流电压应大于12.6V。4.因为二极管有正向压降，+5V稳压电源交流电压应大于6.6+0.72=8V，+12稳压电源交流电压应大于12.6+0.72=14V。5.考虑到交流电源电压的波动，在市网电压为200V时也能正常工作，则有200/220+Vj，所以+5V稳压电源交流电压应大于8.8V，+12稳压电源交流电压应大于14.8V。6.交流变压器副边应选取的电压为：+5V稳压电源交流电压为9V，+12V稳压电源交流电压为15V。3.2.2主要电源参数计算1.
14、Vi-Vo2.53V且Vi-Vo40V。2.Vo=Vre(1+R2/R1)+IadjR2,其中Vre=1.25,Iadi=100uA非常小可以忽略，所以Vo=1.25(1+R2/R1)。3.R2的取植范围为120240欧姆之间。4.1.25VVo37V,电流小于1.5A，保护电流为2.2A，最大耗散功率为20W。3.2.3元器件的选择1.假设负载电流为500mA，电源电压的频率为50HZ，则T=0.02S，电容C【（35）T/2】/RL,耐压植应大于1.42Vj,即1.42Vj250/220。（250/220为市网电源电压过高时的情况）当输出电压为5V时C30005000uF，耐压植应大于14
15、.5V。当输出电压为12V时C12502083uF,耐压植应大于24.1V。2.二极管应承受的最大反向电压均为V2的最大植，即Vrm=1.414V当输出电压为5V时，二极管承受的电压为1.4149=12.726V当输出电压为12V时，二极管承受的电压为1.41415=21.21V。3.3特殊器件介绍：LM317器件介绍它的内部电路有比较器、偏置电路（图中未画出）、恒流源和带隙基准电压Vref等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压（约1.2V）接至比较放大器的同向端和调整端之间。若接上外部的调整电阻R1、R2后，输出电压为V0=Vref+(Vr
16、ef/R1+Iadj)R2=Vref(1+R2/R1)+IadjR2LM317的Vref=1.2V,Iadj=50uA,由于调整端电流IadjI1,，故可以忽略，上式又可简化为 VO=Vref(1+R2/R1)ULN2803器件介绍I1I2I3I4I5I6I7I8O1O2O3O4O5O6O7O810000000011111110100000010111111001000001101111100010000111011110000100011110111000001001111101100000010111111010000000111111110当输入段IN1为高电平，其余为低电平时，输出端O
17、UT1为低电平，其余威高电平，以此类推，输入端为高电平时，对应的输出端为低电平，以此就可以控制变压器的档位。CD4208编码器 原理图编编码器该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。当EI=0是编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何状态，2个输出端均 74148优先编码器为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出高电平有效的情况。当EI为0，且至少有一个输入端有编码要求时，优先编码工作状态标志GS为0，表明编码器处于工作状态，否则为1。由功能表
18、可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只要输入0端有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS状态加以区别，当GS=1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS=0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码。 输入 输出EI01234567A2A1A0GSEOHHHHHHLHHHHHHHHHHHHLLLLLLLHLLHLLHLHLLHHLHLLHLLHHHLHHLHLLHHHHHLLLHLLHHHHHHLHLHLLHHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHHLH功能表 3.4各单元模块连接辅助电
19、源部分主要电源部分继电器驱动部分保护电路部分电压比较部分编码译码部分主要电源部分提供可调稳定电压，通过自动控制部分控制主要电源部分的电压档位，再通过保护电路部分保护电路的可靠性，当电路过流时可以起到保护作用。其中辅助电源部分则是提供自动控制部分和保护电路部分所用到的芯片的驱动电压。4系统功能可以输出稳定的直流电压；精度高且在调节范围内连续可调；当输出两接线短路时由于保护功能而不烧坏电源；在调节过程中自动换档。5设计总结本设计的目的是利用市电通过一定的技术产生直流稳压电，并利用它为电子器件提供必要的电压、电流。该电源能提供一定的稳定的电压，并且在它的量程范围内连续可调，同时具有保护作用，当电源输
20、出段短路是，电源自动断开以至不会烧坏电压。通过这次设计，我从中获得了很多有用的东西。比如说，在以前上课时没听懂的知识，现在通过自己的进一不了解，再结合自己以前所学的知识，对它有了新的认识。在此同时，我还学到了新的知识，在了解这一方面知识的同时，我好查阅了相关的图书和了解了网上最新的技术，为此，对我以后设计的进行打下了深厚的基础，我相信在以后的毕业设计中可以很轻松的操作。 我这次设计的直流稳压电源还有两个不足之处：在输出端还可以添加一个数模转换模块，它可以实现将输出的电压通过显示管直接将电压显示出来，这样可以显得更直观化，用户用得更方便、更实用；在保护模块还有个缺点是：当过流而截止电压后不能自动
21、地还原，所以可以在这个模块上再添加一个智能检测系统，使截止电压后能自动的恢复，以便继续使用。【参考文献】1 . 康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2003.032 . 康华光.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社，2003.033 . 何希才.新型稳压电源及其应用.国防工业出版社，2002.14. 段九州.电源电路实用设计手册.辽宁科学技术出版社，2002.8悬挂运动控制系统（E题）一、任务设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角100度）的板上运动。在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm100cm。物体
22、的形状不限，质量大于100克。物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点, 示意图如下。 二、要求1、基本要求：（1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；（2）控制物体在80cm100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成；（3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；（4）物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40cm)。2、发挥部分（1）能够显示物体
23、中画笔所在位置的坐标；（2）控制物体沿板上标出的任意曲线运动(见示意图)，曲线在测试时现场标出，线宽1.5cm1.8cm，总长度约50cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约30cm；后一部分是两段总长约20cm的间断线段，间断距离不大于1cm；沿连续曲线运动限定在200秒内完成，沿间断曲线运动限定在300秒内完成；（3）其他。三、评分标准项目满分基本要求设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。50实际制作完成情况50发挥部分完成第(1)项10完成第(2)项中连续线段运动14完成第(2)项中断续线段运动16其他1
24、0四、说明1、物体的运动轨迹以画笔画出的痕迹为准，应尽量使物体运动轨迹与预期轨迹吻合，同时尽量缩短运动时间；2、若在某项测试中运动超过限定的时间，该项目不得分；3、运动轨迹与预期轨迹之间的偏差超过4cm时，该项目不得分；4、在基本要求(3)、(4)和发挥部分(2)中，物体开始运动前，允许手动将物体定位；开始运动后，不能再人为干预物体运动；5、竞赛结束时，控制系统封存上交赛区组委会，测试用板(板上含空白坐标纸) 测试时自带。悬挂运动控制系统（E题）-学生作品毕业设计（论文） 原创 摘要：悬挂轨迹控制系统是一电机控制系统，控制物体在80cm100cm的范围内作直线、圆、寻迹等运动，并且在运动时能显
25、示运动物体的坐标。设计采用AT89S51单片机作为核心器件实现对物体运动轨迹的自动控制，通过多圈电位器实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。以达到对物体的控制和对坐标点的准确定位。采用脉冲宽度调制技术控制直流电机驱动芯片L298，以实现对电机的转速、转向、启停等多种工作状态进行快速而准确的控制。采用红外光电传感器实现检测电机速度和画板上黑色曲线轨迹。关键词：运动轨迹；多圈电位器；脉冲宽度调制；红外反射光电传感；直流电机驱动ABSTRACT：Hang trajectory control system is a motor control system, obje
26、ct make linear, circle, searching locus and etc locomotion within the range of the 80cm100cm, while movement system can display the coordinate of the object. Adopt AT89S51 MCU as the main part to realize the automatic control of the object motion locus in this design, system using multiturn potentio
27、meter to measure the position of object, and introduces local closed-loop feedback control system link to correct error, in that case system can improve the accuracy of control and orientation. In this design system also adopt PWM technique control DC motor drive chip L298 to realize the accurate co
28、ntrol of motor rotation speed, rotation direction, Start, Stop and etc operating position. System adopt infrared photosensor measure motor rotation speed and drawing locus by black curve on the palette.KEY WORDS:sport trajectory；loopy potentiometer；PWM；infrared photosensor；DC motor driving 第1章 引 言运动
29、控制是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等内容，例如在工厂、码头往往需要将货物从一点搬往另一点，如使用悬挂控制系统更方便、安全。在此基础上还可设计成基于三线悬挂结构的运动控制装置。所谓三线悬挂是指，将三根缆线系于一点并悬挂重物，且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上，其长度由电机驱动的三个绕线轮分别控制，从而控制悬挂重物在三维空间中的位置。其中原理和悬挂轨迹控制系统一样的。悬挂轨迹控制系统是一电机控制系统。为满足控制需要，本系统采用AT89S51单片机作为核心器件，多圈电位器为物体位置数据采集器件，以L2
30、98驱动的直流电机为执行设备，键盘和LED显示为人机接口的结构方式。算法方面通过以微小直线为单位的策略，完成较为复杂的长直线、圆周和不确定曲线。系统软件将物体运动的坐标转化成悬绳伸缩的距离，进而计算出多圈电位器需要转动到的位置，再算出两直流电机的脉冲宽度调制（PWM）值。再通过A/D转换实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。对于系统自定的确定线型（直线和圆周），通过调整两个直流电机不同的PWM值的搭配，可以控制物体的运动方向。而对于不确定的曲线，由光电传感器得到路线信息，经过单片机的处理，给出物体运动方向的指令。本设计的主要特点：1、优化的软件算法，智能化的自动
31、控制，误差补偿。2、使用双动滑轮，有效防止滑轮与拉绳之间打滑。3、使用多圈电位器与动滑轮同步转动，引入反馈，实现物体精确定位。4、LED显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示坐标及物体的运动轨迹。 第2章 系统功能及基本原理2.1 设计任务1、控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；2、控制物体在80cm100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成；3、控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；4、物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40
32、cm)； 图2.1 悬挂控制示意图5、控制物体沿板上标出的任意曲线运动，如图2.1所示，曲线在测试时现场标出，线宽1.5cm1.8cm，总长度约50cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约30cm；后一部分是两段总长约20cm的间断线段，间断距离不大于1cm；沿连续曲线运动限定在200秒内完成，沿间断曲线运动限定在300秒内完成； 6、能够显示物体中画笔所在位置的坐标，运动轨迹与预期轨迹之间的偏差不得超过4cm。2.2 系统基本方案根据设计要求，需要实现勾画设定轨迹和对设定轨迹的搜寻功能，并能实时的显示物体中画笔所在位置坐标。其系统方案框图如图2.2所示。图中多圈电位器安装在两个动滑轮上
33、，电机收放线长度就会通过多圈电位器转换成电压值，通过A/D转换后送入单片机；反射式光电传感器对黑线进行检测，以脉冲信号的形式送入单片机，同时按键信号送入单 片机对物体进行设置校正以及轨迹参数设定，控制器对送来的信号进行分析、运算、处理，将控制信号输送到电机驱动模块，控制电动机的转速,使物体的运动轨迹得以控制。第3章 方案论证和比较根据题目要求可知，本系统所涉及的核心问题主要有：1、对电机的转速、转向、启停等多种工作状态进行快速而准确的控制，以保证悬挂物体按照预先设定或即时设定的运动轨迹运行。2、为保证该控制系统的精度要求，必须对运动物体在画板上的具体位置（坐标点）进行实时的检测。3、为保证该运
34、动物体能在尽可能短的时间内按设定运动轨迹从起始点到达目标点，还需要相应的设定及显示电路。我们分以下几个部分进行方案设计和比较论证。3.1 控制器模块根据题目要求，控制器主要用于控制电机，并对坐标参数进行处理，控制电机移动方向。对于控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步
35、进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用AT89S51作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用AT89S51处理输入的数据并控制电机运动。综合上述两种方案，方案二较为简单，可以满足设计要求。3.2 电机的选择方案一：采用直流电机。直流电
36、机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速范围宽、低速性能好（起动转矩大、起动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等方面。方案二：采用步进电机。步进电机具有控制简单、定位精确、无积累误差等优点。但它在运行时噪音大、高速扭矩小、启动频率低、价格较高。基于上述比较，为了方便地对电机进行无级调速，和需要电机带负载能力强的特点，这里我们采用直流变速电机。3.3 驱动及调速方案 方案一：采用继电器对电动机的开和关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，实现容易；缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短。方案二：采用内集成有达林顿管组成的H型
37、的功率变换桥电路的恒压恒流桥式2A驱动芯片。用单片机输出PWM信号控制使之工作在占空比可调的开关状态，通过程序调节占空比精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。方案三：采用DSP芯片，配以电机控制所需要的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速度，实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软硬件复杂、成本高。基于上述理论分析和实际情况，拟定选择方案二。3.4 速度采集方案方案一：采用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔
38、金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在电机上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行电机速度的检测。方案二：采用对射式光电传感器。其检测方式为：发射器和接受器相互对射安装，发射器的光直接对准接受器，当测物挡住光束时，传感器输出产生变化以指示被测物被检测到。通过脉冲计数，对速度进行测量。由于电机的收线轮直径较小，将传感器安在电机上容易产生测量误差，将传感器安在滑轮上可以减少收线引起的误差。方案三：采用多圈电位器式传感器间接测量方式。通过杠杆机构将线位移转化为电阻值的变化，再根据电阻与速度之间的关系实现速度的检测。以上三种方案都是比较可行的
39、方案。尤其是霍尔元件，应用得很广泛。方案一和方案二的精度都会有一定的限制。要达到本设计的要求会给制作带来难度；鉴于此情况选选择多圈电位器更好，远远满足本设计的精度要求。3.5 寻迹模块探测板上黑线的大致原理是：光线照射到板面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接受到的反射光强弱判断是否偏离黑线。方案一：采用热探测器。由于温度变化是因为吸收热能辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境影响比较大。方案二：使用发光二极管和光敏三极管组合。这种方案的缺点在于其他环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。方案三：使用红外反射式一体化传感器进行检测
40、。通过对比，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来完成数据采集。由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。同时红外线系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。 第4章 系统硬件设计4.1 系统电路连接及硬件资源分配本系统电路连接及硬件资源分配见图4.1所示。采用AT89S51单片机作为核心器件，多圈电位器为悬挂物体位置采集器件，通过ADC0832转换位数字信号送入单片机处理，L298作为直流电机的驱动模块
41、，以MAX7219驱动的LED显示和44键盘作为人机接口。4.2 寻轨迹控制策略根据题目的要求，悬挂物沿曲线运动的轨迹分为两段，连续段和间断段。可采用4个光电一体化传感器TCRT5000作为检测元件，其放置方式如图4.2所示。寻找黑线策略，采用模糊寻找的方式，首先物体从坐标（0，8）运行到坐标（80，8），检测这之间有无黑线，如无，则从坐标（80，16）运行到坐标（0，16），再检测这之间有无黑线，如有，则从坐标（0，12）运行到（80，12），检测，如果没有检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，14）运行到（80，14）；如果检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，10）运行到（80，10），
42、当检测到黑线时就停下，此处将是黑线起点；如果没有检测到黑线则返回从（80，12）运行到（0，12）检测到的黑线即为黑线起点。以同样的运行检测方式即可寻找出黑线的起点。在连续段寻迹时，通过判断四个传感器的16种组合状态，使电机作出相应的伸缩动作。当轨迹为间断线时，电机拉动传感器在大角度方向内位移，直到在某一方向检测到新的黑线为止。然后再调用连续段的寻迹程序。4.3 系统各模块单元电路设计4.3.1 电源部分电路设计本系统中使用了直流12V电机，其额定工作电压为12V，而单片机额定工作电压为5V，所以电路中采用了7805和7812作为稳压模块，其最大输出电流为1.5A，满足系统电机驱动电流的要求，
43、其电路如图4.3.1所示。 4.3.2 电机控制模块设计物体运动的轨迹由电机的转速和转向决定，电机的转速和转向的控制是通过多圈电位器对滑轮所转的圈速进行检测，同时通过另一个计数器对时间进行测量，结合两个计数器的值，由单片机计算出电机的速度，而物体运动的轨迹的里程由滑轮的周长和所转的圈数来计算。本系统由单片机直接产生PWM信号，当单片机接受到相应的检测信号时，单片机转到中断口处理信息，PWM信号处于停发状态。将单片机产生的PWM信号经光电隔离器耦合后，控制L298驱动芯片来控制电动机的正反转、启动、制动。原理图如4.3.2所示。单片机将P1.2、P1.5作为输出控制使能端,P1.2、P1.6作为电机一的控制端,P1.3、P1.5作为电机二的控制端。L298的两个控制端（C、D）的工作情况由表4.3.1列出（Ven为使能端）。表4.3.1 L298控制表输入功能Ven=HC=H;D=L正转C=L;D=H反转C=D制动Ven=LC=D=停止4.3.3 电机速度采集设计上面在方案论证中已经提出电机速度的
