2023年電子競(jìng)賽題目電驢拉磨

目錄TOC\o"1-3"\h\u220891方案設(shè)計(jì)與論證 4125181.1電機(jī)的選擇 4101591.2減速直流電機(jī)控制方式擬定 4161631.3單片機(jī)的選擇 457061.4基本方案的擬定 5177922理論分析與計(jì)算 5128762.1減速直流電機(jī)運(yùn)營(yíng)原理 5295192.2減速直流電機(jī)的選擇 6305052.3減速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的擬定 681802.4驅(qū)動(dòng)電路的選擇 72.5反饋電路的選擇881802.6角度檢測(cè)與定標(biāo)92.7減速直流電機(jī)測(cè)速原理9215683算法的設(shè)計(jì)1033.1減速直流電機(jī)控制算法10257793.2減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量算法1022543.3PID控制算法103.3.1閉環(huán)PID控制原理1072983.3.2位置式PID的控制算法 11323003.3.3增量式PID的控制算法1251864機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1372394.1物品的使用和連接 135實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和總結(jié)14摘要：因本次設(shè)計(jì)的規(guī)定，選用減速直流電機(jī)，單片機(jī)選用89C52RC作為控制器芯片，選用L289N作為減速直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)減速直流電機(jī)，通過改變單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)的頻率，控制電機(jī)速度，然后由與減速直流電機(jī)同軸的光電碼盤作為反饋元件，并把反饋回的信號(hào)經(jīng)CPU解決后再由數(shù)碼管顯示出來，再通過PID算法精確調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。同時(shí)用角度傳感器對(duì)減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度進(jìn)行檢測(cè)，角度傳感器把數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)，單片機(jī)做出反映，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)一定角度。關(guān)鍵字：減速直流電機(jī)、89C52、L289N、光電編碼盤、PID、角度傳感器1.方案論證與設(shè)計(jì)1.1電機(jī)的選擇方案一：選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速快，能不久達(dá)成速度規(guī)定，并且對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的規(guī)定低。方案二：選用減速直流電機(jī)，減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度較慢，功耗低。方案三：選用步進(jìn)電機(jī)，其具有轉(zhuǎn)動(dòng)角度精確等優(yōu)點(diǎn)，扭力矩大，能帶動(dòng)較大負(fù)載。綜合上敘三種方法,直流電機(jī)轉(zhuǎn)速快，但是旋轉(zhuǎn)精度不高，而題目規(guī)定的轉(zhuǎn)速為15r/min，且因減速步進(jìn)電機(jī)最高速度不超過10r/min，達(dá)不到速度規(guī)定，故采用減速直流電機(jī)。1.2減速直流電機(jī)控制方式擬定方案一：直接采用電機(jī)兩端分別連接地和P1^1輸出端，調(diào)節(jié)P1^1引腳的高低頻率，以實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并能通過按鍵實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速和減速功能。其優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)樸直觀的觀測(cè)速度變化，接線簡(jiǎn)樸。缺陷是單片機(jī)輸出的高電平并不是很高，難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在帶載的情況下能達(dá)成規(guī)定速度，并且速度不精確。方案二：減速直流電機(jī)通過外部橋式電路回應(yīng)單片機(jī)的控制反饋。在L289N橋式驅(qū)動(dòng)電路中，輸入端口五個(gè)：+5V，GND，ena，ip1，ip2，其中ena為使能端，只有輸入為高電平時(shí)，橋式電路工作。ip1和ip2電平保持相反時(shí)才干工作。輸出端也需另加+9V電壓，op1和op2接直流電機(jī)兩端。該電路通過調(diào)節(jié)ena端高電平占空比來實(shí)現(xiàn)加速減速，以及暫停功能。其優(yōu)點(diǎn)在于能很好的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，達(dá)成較高速度，并使速度更加精確，但缺陷在于接線麻煩，并且外接的電源的大小，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度有直接影響。綜合上敘兩種方案，由于本課題對(duì)減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度規(guī)定較高，在通過使用計(jì)時(shí)脈沖使電機(jī)達(dá)成一定的轉(zhuǎn)速外，還需采用反饋裝置來測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整電機(jī)速度。故減速直流電機(jī)需采用閉環(huán)控制的方式，即選擇方案二來完畢設(shè)計(jì)。1.3單片機(jī)的選擇方案一：以89C52作為減速直流電機(jī)的控制芯片。89C52的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上。具有使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并且完全兼容MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。方案二：以stm32單片機(jī)作為主控芯片。stm32單片機(jī)解決數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，外接IO口多,功能強(qiáng)大，能更方便的完畢外接光電編碼器、攝像頭等外接設(shè)備，并且解決數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，能更準(zhǔn)確控制減速直流電機(jī)。綜合上述兩方案，認(rèn)為89c52單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸，又能很好地完畢課題規(guī)定，且軟件學(xué)習(xí)任務(wù)比stm32少了很多，故本課題選用89c52單片機(jī)。1.4基本方案的擬定因本次設(shè)計(jì)的規(guī)定，選用減速直流電機(jī)，單片機(jī)選用89C52RC作為控制器芯片。選取74HC573來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，選用L289N來驅(qū)動(dòng)減速直流電機(jī)。然后由與減速直流電機(jī)同軸的光電碼盤作為反饋元件，并把反饋回的信號(hào)經(jīng)CPU解決后再由顯示器顯示出來，再通過PID算法調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。但由鍵盤輸入的速度數(shù)值得通過顯示器來顯示，固本次設(shè)計(jì)要兩個(gè)四位數(shù)碼管顯示，一個(gè)來顯示給定的轉(zhuǎn)速一個(gè)來顯示實(shí)際的轉(zhuǎn)速。題目規(guī)定顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，可通過使用DS1302實(shí)時(shí)芯片獲得時(shí)間，在1602LCD上顯示。同時(shí)用角度傳感器對(duì)減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度進(jìn)行檢測(cè)，角度傳感器把數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)，單片機(jī)做出反映，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)一定角度。系統(tǒng)框圖如圖一所示：圖一系統(tǒng)框圖2.理論分析與計(jì)算2.1減速直流電機(jī)運(yùn)營(yíng)原理直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī)，是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。同時(shí)亦可調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓占空比來達(dá)成加速、減速的效果。這大大提高了直流電機(jī)在自動(dòng)化行業(yè)中的使用率。減速電機(jī)是指減速機(jī)和電機(jī)（馬達(dá)）的集成體。2.2減速直流電機(jī)的選擇本課題對(duì)轉(zhuǎn)速的范圍規(guī)定不高，而對(duì)精度規(guī)定較高，故優(yōu)先考慮采用28BYJ48型減速直流電機(jī)，其一些參數(shù)如下：額定電壓：12VDC相數(shù)：4減速比：1/64(另有減速比：1/16,1/32)步距角:5.625度驅(qū)動(dòng)方式：四相八拍電機(jī)線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，電機(jī)示意圖如圖二。圖二電機(jī)示意圖四相八拍的通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A（本設(shè)計(jì)用的是四相八拍）。通電一周的周期越短，即驅(qū)動(dòng)頻率越高，則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，但減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不也許太快，由于它每走一步需要一定的時(shí)間，若信號(hào)頻率過高，也許導(dǎo)致電機(jī)失步，甚至只在原步顫動(dòng)。課題中規(guī)定減速直流電機(jī)穩(wěn)定在15r/min，即每秒鐘轉(zhuǎn)過90度，可調(diào)節(jié)使脈沖頻率為16*64=1024，即可使電機(jī)穩(wěn)定在15r/min。但是通過實(shí)際測(cè)試與網(wǎng)上參數(shù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速不超過10r/min，未能達(dá)成速度規(guī)定，故棄而不用。普通直流減速電機(jī)，雖然在精度上不能與步進(jìn)電機(jī)相比，但是在加入減速齒輪之后，仍然可以通過調(diào)節(jié)程序的計(jì)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短來達(dá)成題目規(guī)定的速度，填補(bǔ)28BYJ48步進(jìn)電機(jī)速度上的局限性。2.3減速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的擬定減速直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法，一種是通過CPU直接來驅(qū)動(dòng)，這種方法一般不宜采用，由于CPU的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；另一種是通過CPU來間接驅(qū)動(dòng)，就是把從CPU輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，然后直接驅(qū)動(dòng)或是再通過光電隔離間接來驅(qū)動(dòng)減速直流電機(jī)，這種方法比較安全可靠。固本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用CPU間接驅(qū)動(dòng)減速直流電機(jī)。用編碼器還的測(cè)速發(fā)電機(jī)作為轉(zhuǎn)速測(cè)量工具,由于選擇了閉環(huán)控制，就必須有反饋元件，反饋元件一般有兩種，一種是采用同軸的測(cè)速發(fā)電機(jī)，把減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋回來，然后通過顯示器顯示出來并對(duì)減速直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；別一種是通過光同軸的光電碼盤把減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋回來對(duì)減速直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；兩者相比，后者的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)樸，價(jià)格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電碼盤作為反饋元件。2.4驅(qū)動(dòng)電路的選擇減速直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)等。單電壓驅(qū)動(dòng)是減速直流電機(jī)控制中最為簡(jiǎn)樸的一種驅(qū)動(dòng)電路，它在本質(zhì)上是一個(gè)單間的反相器。它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸，因它的工作效率低，特別是在高頻下更顯的突出。它的外接電阻R要消耗相稱一部分的熱量，這樣就會(huì)影響電路的穩(wěn)定性，所以此種驅(qū)動(dòng)方式一般只用在小功率的減速直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路中。雙電壓驅(qū)動(dòng)是電路一般采用兩種電源電壓來驅(qū)動(dòng)，因這兩個(gè)電源分別是一個(gè)為高壓一個(gè)為低壓，因此也稱為高低壓驅(qū)動(dòng)電路。雙電壓驅(qū)動(dòng)電路的缺陷是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點(diǎn)，這樣必然引起力矩在谷點(diǎn)處下降。不宜于電機(jī)的正常運(yùn)營(yíng)。對(duì)于斬波電路驅(qū)動(dòng)則可以克服這種缺陷，并且還可以提高減速直流電機(jī)的效率。所以從提高效率來看這是一種很好的驅(qū)動(dòng)電路，它可以用較高的電源電壓，同時(shí)無需外接電阻來限定期額定電流和減少時(shí)間常數(shù)。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動(dòng)，所以會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是用脈沖電壓來供電的，對(duì)于一個(gè)電壓脈沖，轉(zhuǎn)子就可以轉(zhuǎn)動(dòng)一步，一般會(huì)根據(jù)電壓脈沖的分派方式，減速直流電機(jī)各相繞阻會(huì)輪流切換，固可以使減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。但因本次設(shè)計(jì)對(duì)減速直流電機(jī)的精度規(guī)定比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應(yīng)選用驅(qū)動(dòng)芯片L289N來驅(qū)動(dòng)，并通過軟件來實(shí)現(xiàn)減速直流電機(jī)的調(diào)速。L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；并且電路簡(jiǎn)樸，使用比較方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4．5～7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46V。輸出電流可達(dá)2．5A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。圖三L289N連接圖2.5反饋電路的選擇選用光電編碼器作為反饋元件，光電編碼器與減速直流電機(jī)是同軸的輸出通過放大送到計(jì)算機(jī)。并通過顯示器顯示出減速直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。關(guān)于光電編碼器的說明如下：光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器.這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖四所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖四光電編碼器的原理圖本實(shí)驗(yàn)通過光電碼盤返回脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，我們采用的是每6秒掃描一次。假設(shè)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n分/轉(zhuǎn)，則光電碼盤上面返回的是10n/60每秒。因此我們采用6秒掃描一次，否則會(huì)出現(xiàn)小數(shù)。2.6角度檢測(cè)與定標(biāo)本次設(shè)計(jì)對(duì)角度的檢測(cè)欲采用角度傳感器，角度傳感器，是用來檢測(cè)角度的。它的身體中有一個(gè)孔，可以配合樂高的軸。當(dāng)連結(jié)到RCX上時(shí)，軸每轉(zhuǎn)過1/16圈，角度傳感器就會(huì)計(jì)數(shù)一次。往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，計(jì)數(shù)減少。收到的數(shù)據(jù)傳給電腦，從而使減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)過恒定的角度，故本次設(shè)計(jì)采用角度傳感器來檢測(cè)角度。2.7減速直流電機(jī)測(cè)速原理我們通過用設(shè)定一個(gè)外部中斷0，接受光電開關(guān)采集的信號(hào)，通過設(shè)定計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)，記下中斷次數(shù)（即反饋的脈沖信號(hào)），然后通過設(shè)計(jì)算法計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值相比較，采用閉環(huán)的PID控制來達(dá)成減速直流電機(jī)穩(wěn)定調(diào)速的目的。我們?cè)诔绦蛑性O(shè)定轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/分，通過與P3.2采集回來的數(shù)據(jù)相比較，當(dāng)采集回來的數(shù)據(jù)小于n轉(zhuǎn)/分時(shí)，我們通過改變PID的相應(yīng)的參數(shù)來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，讓減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速加起來，使之與n轉(zhuǎn)/分相吻合。同樣，當(dāng)采集回來的數(shù)據(jù)大于n轉(zhuǎn)/分時(shí)，也改變PID的相應(yīng)的參數(shù)來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，讓減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速減下來，使之與n轉(zhuǎn)/分相吻合。算法的設(shè)計(jì)3.1減速直流電機(jī)控制算法方案一：用定期器T0產(chǎn)生單位脈沖，通過定期，在設(shè)定的時(shí)間給減速直流電機(jī)一個(gè)脈沖讓它走一步，然后再延時(shí)一段時(shí)間，延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短是通過速度減去定期器初值得到的。達(dá)成控制速度的目的。方案二：通過試湊法測(cè)轉(zhuǎn)速，在開始的時(shí)候設(shè)立一個(gè)定期器，幅一個(gè)初值，通過光敏傳感器可以觀測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少，然后在通過調(diào)整定期器初值的大小來達(dá)成與反饋電路的速度同樣的效果，然后再將每個(gè)速度相應(yīng)的初值變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)組，然后直接可以調(diào)用數(shù)組里面的值就可以得到不同的轉(zhuǎn)速。從而達(dá)成調(diào)速的目的。方案三：通過設(shè)定定期器，在給定的時(shí)間內(nèi)給他一個(gè)脈沖。改變定期器循環(huán)的次數(shù)，達(dá)成調(diào)速的目的。綜上所述，我們采用的是第三種方法來對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行控制的。由于第一種方法在定期器延時(shí)的時(shí)候有誤差，不能對(duì)速度進(jìn)行精確的控制。第二種方法雖然可以對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行精確的控制，但是由于使用了定期器的延時(shí)，使數(shù)碼管道的動(dòng)態(tài)顯示的掃描速度受到影響，從而導(dǎo)致了數(shù)碼管無法正常的顯示。3.2減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量算法本實(shí)驗(yàn)采用光電對(duì)管作測(cè)量傳感器，減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，擋住光電對(duì)管時(shí)，光電對(duì)管指示燈亮，輸出一個(gè)低電平，光線通過碼盤間隙穿過時(shí)光電對(duì)管指示燈滅，輸出一個(gè)高電平，循環(huán)往復(fù)，輸出一連串脈沖，當(dāng)減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，光電對(duì)管檢測(cè)輸出脈沖頻率也發(fā)生相應(yīng)的變化，通過外部中斷0記下脈沖數(shù)n，定期器T0計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)6s顯示一次轉(zhuǎn)速（因素見問題分析）本實(shí)驗(yàn)采用十個(gè)齒的碼盤，減速直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為n/10。3.3PID控制算法3.3.1閉環(huán)PID控制原理圖5PID控制系統(tǒng)框圖比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID)。其調(diào)節(jié)規(guī)律可用(1)式表達(dá)。（1）式中：為微分常數(shù)，它的物理意義是當(dāng)調(diào)節(jié)器微分調(diào)節(jié)作用與比例調(diào)節(jié)作用的輸出相等時(shí)所需的調(diào)節(jié)時(shí)間稱為微分常數(shù)．3.3.2位置式P