设计说明书(论文)

1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 44 页3 控制系统的设计3.1 控制系统总体方案本系统使用AT89C51单片机作为核心的控制运算部分。连接在电机上的数字编码器在电机运转时发出的脉冲信号，经过自行设计和制作的脉冲鉴向电路，可以得到电机的运转方向；来自鉴向电路的正反方向的脉冲信号进入到两块8253计数器进行计数，以获得电机的旋转速度和位移；经过在AT89C51单片机上运行的各种控制程序的适当运算以后，输出的控制量经过两块DAC1208转换器变成模拟量，输出到两块UC3637直流电动机脉宽调制器，通过H桥开关放大器，作为执行机构的速度或者力矩给定，从而控制电机的运转，使整个AGV自

2、动引导小车能够完成所设计的控制任务。整个控制系统的组成框图如图3.1所示：图3.1 控制系统的组成框图3.2 鉴向伺服电机根据控制要求能够工作在四个不同的象限，作为系统的状态检测部分，必须能够检测电机的转速及分辨电机不同的旋转方向。安装在电机旋转轴上的数字编码器在电机运转时能够产生相位相差90度的两路脉冲信号，电机的旋转方向可以由鉴向电路对此两路脉冲进行鉴向后获得，其原理如图3.2所示。图3.2 鉴向原理伺服电机反转时，A相脉冲超前于B相脉冲90度，在cp十端输出反向计数脉冲，当正转时，B相脉冲超前于A相脉冲90度，在cp一端输出正向计数脉冲，见图3.3中的(b)和(c所示，分辨出的脉冲进入脉

3、冲计数电路进行计数，再由计算机读入进行处理。其电路图见图3.3中的(a)所示。图3.3 电机转向分辨电路本次设计使用的数字编码器为500P/ R ,即电机每旋转一周输出500个脉冲,电机到车轮的减速齿轮的减速比为62 : 1 ,因此车轮每前进或者后退一周产生500×62 即31000个脉冲,可见分辩率非常高。编码器的脉冲输出为差动形式,鉴向电路接收差动形式的脉冲信号,鉴向后输入到8253计数器。3.3 计数的扩展为了得到驱动轮运转的速度、位移等,而数字编码器的输出经过鉴向电路提供的是电机的正转和反转脉冲,必须对这些脉冲分别进行计数、运算才能得到所要的速度、位移等状态量。本系统中使用了

4、两块8253计数器,每块芯片具有三个16 位计数器。四个独立的计数器即1# 、2 # 、3 # 和4 # 分别用于两台电机的正/ 反转脉冲的计数。8253可编程定时器计数器可由软件设定定时与计数功能，设定后与CPU并行工作，不占用CPU时间，功能强，使用灵活。它具有3个独立的16位计数器通道，每个计数器都可以按照二进制或二十进制计数，每个计数器都有6种工作方式，计数频率可高达2MHz，芯片所有的输入输出都与TTL兼容。8253的内部结构框图如图3.4所示；引脚如图3.5所示。图3.4 8253内部结构框图 图3.5 8253引脚图U6地址为：8000H计数器0 8001H计数器1 8002H计

5、数器2 8003H控制字U7地址为：6000H计数器0 6001H计数器1 6002H计数器2 6003H控制字U6读/写控制逻辑接线：，；U7读/写控制逻辑接线：，。U6芯片中计数器0和计数器1用于左轮电机正反转计数，并处于工作方式3。U7芯片中计数器0和计数器1用于右轮电机正反转计数，并处于工作方式3。在中断服务程序中，这四个计数器分别对两台伺服电机的正/ 反脉冲进行计数，所得到的计数值减掉上一次的计数值，就可以得到在这一时间周期内的各路脉冲数。右轮反转、正转和左论反转、正转的结果分别存于临时变量temp 1、temp 2、temp 3 和temp 4 中，在主程序中通过对它们进行运算就可

6、以得到移动机器人的状态量了。3.4 中断的扩展AT89C51单片机是使用两个级联的8259A 中断控制器来控制中断的。主8259A 芯片上的IRQ2 扩展成从片上的IRQ8IRQ15 使用。8259A作为一种可编程中断控制器，是一种集成芯片。它用来管理输入到CPU的各种中断申请，主要外围设备，能提供中断向量、屏蔽各种中断输入等功能。每一个8259A芯片都能直接管理8级中断，最多可用于9片8259A芯片级连，由其构成级连机构可以管理64级中断。 图3.6 8259A引脚图8259A的外部引脚：数据线，CPU通过数据线向8259A发送各种控制命令和读取各种状态信息。INT：中断请求，和CPU的IN

7、TR引脚相连，用来向CPU提出中断请求。：中断响应，接收CPU的中断响应信号。：读信号，低电平有效，通知8259A将某个寄存器的内容送到数据总线上。：写信号，低电平有效，通知8259A从数据线上接受数据（即命令字）。：片选信号，低电平有效。：端口选择，指出当前哪个端口被访问。：接收设备的中断请求。：级联端，指出具体的从片。在采用主从式级联的多片8259A的系统中，主从片的对应连接在一起。：主从片/缓冲器允许，双功能引脚，双向。它有两个用处：当作为输入时，用来决定本片8259A是主片还是从片。作为输出时，当从8259A往CPU传送数据时，由引出的信号作为总线启动信号，以控制总线缓冲器的接收和发送

8、。本次设计采用两片8259A进行级联：主片的引脚连接从片的中断请求INT，如果某一个引脚下面没有连接从片，则可以直接连接外部中断请求；而主片、从片的中断响应信号和数据信号互相连在一起。主片CAS和从片CAS互相连在一起，当从片数量较多时，可以在主片CAS和从片CAS之间增加驱动器。主片的接高电平。从片的接低电平。在8259A的主从式级联方式中，中断的优先级设置类似于单片机的情况。级联如图3.7所示。 图3.7 8259A的级联3.5 数摸转换器的选择 将数字量转换为模拟量的器件称为数/模转换器(digital-analog converter),简称为DAC。数/模转换器的主要技术指标有分辨率

9、、转换精度、线性误差和建立时间。分辨率 指最小输出电压与最大输出电压之比。本次设计采用DAC1208芯片，故其分辨率为。转换精度 以最大的静态转换误差的形式给出。DAC1208芯片为12位数/模转换器其最大误差为:,精度为。线性度 指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。 建立时间 在数字输入端发生满量程码的变化以后，数/模转换器的模拟输出稳定到最终值±1/2LSB时所需要的时间，当输出的模拟量为电流时，这个时间很短。DAC1208的内部结构及引脚如图3.8和图3.9所示。 图3-8 DAC 图3.8 DAC1208的内部结构图 图3.9 DAC1208的引脚图DAC1

10、208内部对输入数据具有两级缓存：8位输入寄存器、4位输入寄存器和12位DAC寄存器，这三个寄存器可以分别选通。DAC1208有三种工作方式：单缓冲方式、双缓冲方式、直通方式。所谓的单缓冲方式就是使DAC1208的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出。所谓双缓冲方式，就是把DAC1208的两个锁存器都接成受控锁存方式。本次设计采用双缓冲方式，目的是为了让两个直流伺服电机能够实现同步。所谓直通方式，输入寄存器和DAC寄存器都接成直通方式，即信号均有效，数据被直接送入数/模转换电路进行数/模转换。图3.10 DAC1208双缓冲连接方

11、式U9输入寄存器地址为3FFFH DAC寄存器地址为5FFFHU10输入寄存器地址为1FFFH DAC寄存器地址为5FFFH本次设计采用DAC1208芯片的数/模转换器其连接方式如图3.10所示。为高电平时，选中数据输入到8位输入寄存器；当为低电平时，选中数据输入到4位输入寄存器；片选信号，低电平有效，和输入锁存信号一起决定第一级数据锁存是否有效。第一级允许锁存，高电平有效。写信号1，作为第一级锁存信号，必须和同时有效。写信号2，作为第二级锁存信号，必须和同时有效。控制信号，低电平有效，和一起决定第二级数据锁存是否有效。模拟电流输出端，DAC寄存器全1时最大，全0时为0。模拟电流输出端，和有一

12、个常数差：常数，此常数对应一个固定基准电压的满量程电流。参考电压输入端，可正可负，-10+10v。3.6 电机驱动芯片选择电机驱动采用PWM技术来驱动直流伺服电动机。PWM技术为脉宽调制技术其可通过输入直流电压，在其输出可以得到频率固定、脉冲幅度一定、脉冲宽度与输入信号成线性关系的方波脉冲串，利用该方波脉冲串驱动功率放大电路，从而控制伺服电机的转速。采用PWM技术的优点是，PWM具有较高的切换频率，这有助于克服伺服电机的静摩擦力矩，与其线性功率放大器相比，功耗低且效率高，因而在伺服系统中得到了广泛的应运用。为了改善伺服电机的运行特性，必须适当选择PWM的切换频率，其选择可参考以下原则：（1）切

13、换频率应能使电机轴产生微振，以克服静摩擦，改善运行特性。即 (3.1)其中，为力矩常数，为PWM电源电压，为电感，为电机静摩擦力矩。（2）微振的最大角位移应小于设定的位置误差。即 (3.2)其中J为转动惯量，为设定的位置误差。（3）尽量减少电机产生的高频功耗。即应使得 (3.3)其中为电内阻。一般伺服电机的电感很小，如果切换频率不高，导致交流分量很大，很容易损坏功率晶体管。在此采用PWM芯片UC3637和H功率桥放大电路来驱动伺服电机，其UC3637原理如图3.11所示，根据上述原则选择切换频率为30KHz。UC3637的特点：单电源或双电源工作， 双路PWM信号输出，驱动电流能力为100mA

14、限流保护欠电压封锁有温度补偿，2.5V阀值的关机控制图3.11 UC3637原理框图 UC3637的结构与功能：三角波发生器：CP，CN，S1，SR1；PWM比较器：CA，CB；输出控制门：NA，NB；限流电路：CL，SRA，SRB；误差放大器：EA；关机比较器：CS；欠电压封锁电路：UVL。UC3637最具特色的是三角波振荡器，三角波产生电路如图3.12所示。图3.12 恒幅三角波产生电路 三角波参数的计算取PWM定时电路充电电流为0.5Ma,则有 (3.4) (3.5)其中，为PWM频率。由允许电机最大电流决定。 (3.6)对于图3.12所示的控制系统，要求： PWM频率f=30KHz 限

15、流Imax=8A取 计算得 (3.7) (3.8) (3.9) (3.10) 式中：为三角波峰值的转折（阈值）电压；为电源电压；为定时电阻；为定时电容；为恒流充电电流；为振荡频率。C3637具有一个高速、带宽为kHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。3.7 运动学分析3.7.1 运动学方程AGV自动引导小车的速度分析。已知车轮驱动速度，求机构本体移动速度和旋转角速度。两后轮分别驱动四轮机构的速度分析（Q为瞬心，P为后轮中心） (3.11) (3.12) （3.13） (3.14)BPAQL (3.15) 图3.13 AGV自动引导小车示意图整理成矩阵形式

16、： (3.16)为雅可比矩阵。3.7.2 转弯半径小车在转弯时以速度匀速转弯；小车两主动轮之间的距离为B；小车两主动轮中心（假设小车质量分布均匀）与转弯圆心的距离即转弯半径为R；车轮半径为r；两轮的速度分别为；小车与行驶路面的摩擦系数为，则有 (3.17) 查表5-2 取 故取小车转弯的最小半径为。左、右轮的速度为 (3.18) (3.19)3.8 控制软件的设计根据机器人的线速度和角速度的表达式(3.11) 和(3.15) ,可以计算状态量x、y 和: （3.20） （3.21） (3.22) （3.23） (3.24)采用数值积分方法进行近似检测: 将区间划分成若干充分小的子区间， 则只要

17、子区间相对于移动机器人的运动速度选择得充分小,或者控制周期比较短,则检测精度可以达到使用的要求。表达式如下: (3.25) （3.26） (3.27)另外,考虑到系统的各个状态量都是通过数字编码器输出的脉冲信号进行检测的,要将脉冲信号转换为机器人移动的距离及转过的角度,必须对脉冲信号进行定标,即确定每个脉冲与驱动轮移动的距离的系数。已知驱动轮的半径r = 70mm ,电机到车轮的减速齿轮的变比为62 : 1 ,电机每旋转一周发出500个脉冲,从而可以得到脉冲当量应为2 ×PI × 70/(500 ×62) ,即0.01418mm/P 。对于控制系统的软件编程语言，

18、要根据系统的要求进行选择，一般要求代码简捷，执行效率高，实时性好。AGV自动引导小车的引导原理是根据自动引导小车行走的轨迹进行编程，数字编码器检测出的电压信号判断其与预先编程的轨迹的位置偏差，控制器根据位置偏差调整电机转速对偏差进行纠正，从而使自动引导小车沿预先编程的轨迹行走。因此AGV自动引导小车行走过程中，需不断地根据输入的位置偏差信号调整电机转速，对系统进行实时控制。为对AGV自动引导小车实施控制，需要对硬件进行操作。整个AGV自动引导小车的控制流程如图3.14所示。图3.14 控制系统程序结构图程序开始：先设置函数和变量，并对各芯片进行初始化；读取预先设置轨迹的坐标；对轨迹进行插补；读

19、取上次的误差，自动引导小车启动；进行轨迹的检测；判断第一段路径走完没有；NO则把检测的实际轨迹和预先设置的轨迹相比较产生偏差，接着把偏差送给D/A转换器，从而控制自动引导小车沿预先设定的轨迹行走。YES则走下一段轨迹，接着判断是否到达终点，到达终点结束；没到达终点则继续走下一段轨迹。下面为圆弧插补程序，流程图如图3.15。DDA圆弧插补程序：XP BIT 00H ； X向溢出标志YP BIT 01H ； Y向溢出标志XS EQU 60H ； 起点坐标XYS EQU 61H ； 起点坐标YXE EQU 62H ； 终点坐标XYE EQU 63H ； 终点坐标YJVX EQU 64H ； X积分累

20、加器JVY EQU 65H ； Y积分累加器JRX EQU 66H ； X被积函数寄存器JRY EQU 67H ； Y被积函数寄存器JEX EQU 68H ； X向终点计数器JEY EQU 69H ； Y向终点计数器ORG 1000HMOV JVX，YS ； 初始化MOV JVY，XSMOV JRX，#0MOV JRY，#0MOV R2，XSMOV R4，XEACALL BSUB ； 求X坐标的计数初值 MOV JEX，R6MOV R2，YSMOV R4，YEACALL BSUB ； 求Y坐标的计数初值MOV JEY，R6CLR XP CLR YP MOV R2, XS MOV R4, YS

21、ACALL YC ； 调用溢出子程序CF: MOV A,JEX ； X向JZ YXMOV R2, JRXMOV R4, JVXACALL BADD； 修改X向寄存器MOV JRX, R6MOV A, R7CJNE A, JRX, NX1； X向是否溢出SETB XP DEC XSDEC JEX ； -X走一步AJMP YXNX1: JC YX SETB XP DEC XS DEC JEXXY: MOV A, JEY ； Y向 JZ ZDP MOV R2, JRY MOV R4, JVY ACALL BADD ； 修改Y向寄存器 MOV JRY, R6 MOV A, R7 CJNE A, JRY

22、, NX2 ； Y向是否溢出 SETB YP ； +Y走一步 INC YS DEC JEY AJMP JINX NX2: JC JINX ； 进给了X？ SETB YP INC YS DEC JEYJINX: JNB XP, NX3； 进给了Y？ DEC JVY NX3: JNB YP, CF INC JVX AJMP CF ZDP: MOV A, JEX JNZ CF； X向到终点吗？ MOV A, JEY JNZ CF； Y向到终点吗？ ENDBADD：加法程序入口；被加数R2；加数R4；结果R6；BSUB：减法程序入口；被减数R2；减数R4；结果R6。BSUB：MOV A，R4 ； 取减

23、数 CPL ACC.7 ； 减数符号取反以进行加法 MOV R4，ABADD：MOV A，R2； 取被加数 XRL A，R4 ； 两数异号 MOV C，ACC.7； 两数同号CY=0，两数异号CY=1 MOV A，R2 CLR ACC.7； 符号位清0 MOV R2，A MOV A，R4 CLR ACC.7 ； 符号位清0 MOV R4，A JC JIAN ；两数异号转JIAN MOV A，R2 ADD A，R4 MOV R6，A RETJIAN：MOV A，R2 ；相减 CLR C SUBB A，R4 MOV R6，A JNB ACC.7，QWE MOV A，R6 CPL A ADD A，#

24、1 MOV R6，AQWE：RET溢出子程序：R7中存放溢出值。 YC：MOV R5，#08H MOV R7，#00H CLR C MOV A，R2 SUBB A，R4 JNZ LP LP5：MOV A，R2 LP6：CLR C LP2：RLC A JC LP1 图3.15 DDA圆弧插补流程图 INC R7 DJNZ R5，LP2 LP1：CLR ALP3：SETB C RRC A DJNZ R7，LP3 CPL A MOV R7，A RETLP：JC LP4 AJMP LP5 LP4：MOV A，R4 AJMP LP6 结束语本课题为自动引导小车（AGV）的设计。AGV自动引导小车是一种物

25、料搬运设备，是能在某一位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置，自动完成货物的卸载的全自动运输装置；AGV自动引导小车系统结构一般由机构部分、传感器组、控制部分以及信息处理部分构成。通过设计，实现了小车自动按预先设定的轨迹行走，从而在柔性制造系统中自动运送工件。本课题的设计有待进一步的改进：在硬件方面，增加位置检测传感器形成闭环控制系统；在软件方面，开发应用软件有利于随意改变小车的运动轨迹。AGV的发展会向着智能化方向前进。我们要在以后的应用中再加以改进，使自动化小车有更好的应用。致 谢毕业设计终于结束了，我的感受是充实，十分的充实。有三个理由：一是这次设计我们学到了很多的专业知识，是在老师的指导下自己刻苦独立完成而感到充实；二是这次设计让我充分懂得不论是做设计还是做其他事情都要认真，