电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现(编辑修改稿)

电磁赛道电源及检测传感器的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

0 μ ABCE00 图 NPN 晶体管和 N沟道的 MOS 管 输出特性曲线 利用 PNP 晶体管的恒流输出电流晶体管可使用大功率双极性晶体管，也可以使用功率 MOS 管。 从电流设定稳定性和恒流特性来看，使用功率双极性晶体管更好。 MC9S12XS128 的特点 MC9S12XS128 微控制单元作为 MC9S12 系列的 16 位单片机，由标准片上外围设备组成，包括 16 位中央处理器、 128KB 的 Flash 存储器、 8KB 的 RAM、 2KB的 EEPROM、两个湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 6 异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组 8 通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组 8 通道 10 路模数转换器、一组 8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、 29 路独立的数字 I/O 接口、 20 路带中断和唤醒功能的数字 I/O 接口、 5个增强型 CAN 总线接口。 同时，单片机内的锁相 环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。 MC9S12XS128 片内资源表如图 所示： 图 MC9S12XS128 片内资源 在整个系统设计中，用到了 6个单片机基本功能模块：时钟模块、 PWM 输出模块、ECT 模块、中断模块、串口通信模块以及普通 IO 模块。 根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。 Codewarrior 开发软件 软件开发工具采用 Metrowerks 公司开发的软件集成开发环境 Codewarrior for HCS12 ]2[ ，其包括集成环境 IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、 C 交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器，可以完成从源代码编辑、编译到调试的全部工作。 开发语言采用 HCS12C 语言，语法与标准 C 语言基本相同，支持多种数据类型，中断服务程序用中断函数形式来实现，并提供了内嵌汇编的功能。 另外， CodeWarrior 编译器提供了几种从 C 源代码产生实际汇编代码的优化方法，这些代码被编程到微控制器中。 Codewarrior 的功能非常强 大，可用于绝大部分单片机、嵌入式系统的开发。 用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代码。 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 7 图 Codewarrior 的开发界面 ： 图 Codewarrior 开发界面 利用 BDM 和 Codewarrior IDE 的调试界面，可以进行一系列的调试工作， 如测量左右传感器电压值，陀螺仪电压值，以及加速度传感器电压值 给 静态 调试 工作 提供了极大的方便。 串口调试软件 串口调试助手，支持 常用的 300115200bps 波特率，能设置校验、数据位和停止位，能以 ASCII 码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期 ,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。 目前较为常用的串口有 9针串口（ DB9）和 25针串口（ DB25），通信距离较近时 (12m)，可以用电缆线直接连接标准 RS232 端口 (RS422,RS485 较远 )，若距离较远，需附加调制解调（ MODEM）。 最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连。 为了更好形象地反的数据，在 串口发送中每发送完一行就添加一个回车符，这样得到的数据是每行的数据而不是连成一块的， 如 图 是串口 界面 图。 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 8 图 串口调试助手界面 无线传输测试软件 由于小车是动态运行的，为了实现动态测试，采用了以 NRF24L01 ]3[ 为核心的无线通信模块，来实现单片机和 PC 之间的无线通信，将智能车形式的动态信息传输到 PC 中进行处理，从而可以分析调整智能车的形式状态，是智能车能以最优的速度在复杂多变的赛道上稳定快速的形式。 如图 所示为智能车 NRF24L01 模块 ： 图 NRF24L01 无线通信模块 MC9S12XS128 将智能车运行数据通过 SPI 接口传输给 NRF24L01 无线发送模块，NRF24L01 无线接收模块接收到数据后，将数据通过 SPI 接口传输给以 8 为单片机为主控制器数据接收端， 8位单片机将数据通过串口将数据传输给 PC 机 ，整个过程如图 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 9 所示： P C 机R S 2 3 2M C 9 S 1 2 X S 1 2 8N L F 2 4 0 1无 线 发 射模 块N L F 2 4 0 1无 线 发 射模 块S T C8 9 c 5 2S P IS P I无 线 链 路测 速 传 感 器 图 无线通信模块框图 labview 上位机软件 labview ]4[ 软件可以实时的显 示左右传感器的峰值，通过无线传输给 labview 显示，可以方便的了解小车在运行过程中左右传感器的变化情况。 从而来进行相应的调整。 我们编写的上位机界面如图 所示： 图 labview 上位机界面 电磁检测与放大电路 电磁检测 采用 10mh 电感以及 电容构成 选频电路如图 所示 ： 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 10 图 电磁检测电路 仿真时输入运放的电压峰峰值为 300mv 图形如 图 所示 ： 图 输入信号（ vpp=300mv） 使用 10mh 工字型电感并 联 电容组成选频电路可以从许多频率中选出赛道电源产生的频率这样可以为小车沿着赛道正确行使提供保证。 信号放大 增加有谐振电容之后，感应线圈两端输出感应 20KHz 电压信号不仅幅度增加了，而湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 11 且其它干扰信号也非常小。 这样无论导线中的电流波形是否为正弦波，由于本身增加了谐振电容，所以除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉，只有基波 20kHz 信号能够发生谐振，输出总是 20KHz 正弦波。 为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放 大到 15V 左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有 100 倍左右的电压增益（ 40db）。 最简单 的反向比例 ]5[ 运算电路如 图 所示 ： 图 简单的反向比例运算电路 为了克服运放单电源供电的问题，我们在运放的同向输入端加入 的电压这样运放的输出交流信号是以 为基准，具体电路如图 所示： 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 12 图 采用的 信号放大 电路 LM358 的内部频率补偿低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接 地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围直流电压增益高 (约 100dB) 单位增益频带宽 (约 1MHz) 电源电压范围宽：单电源 (3— 30V)；双电源 (177。 一 177。 15V) 低功耗电流，适合于电池供电输出电压摆幅大 (0 至 ) 使用轨到轨运放 lmv358，反向放大电路，通过调节滑动变阻器可以实现 0~50 倍的放大。 在此图中我们在同向输入端加入了 的参考电压，此方法是交流信号放大，运放单电源供电的经典方法。 单位增益频带宽 =输入频率 *放大倍数。 此电路最大放大倍数等于 1M/20K=50。 也就是最大可 以实现 50 倍的放大。 运放放大后的波形输出如图 所示 ： 图 放大后输出（ vpp=） 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 13 检波输出电路 采用肖基特二极管 IN5819 以及电容电阻组成二倍压检波电路使得输出直流电压为输入交流电压成正比，这样做的目的是有利于单片机进行信号采集节省单片机的宝贵资源检波输出电路如图 所示： 图 二倍压检波输出 仿真时测量直流输出电压如 图 所示 ： 图 直流输出电压（ ） 用示波器交流档测量纹波如图 所示 ： 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 14 图 测流检波输出纹波（ ） 电磁传感器设计 框图 如图 所示 ： 图 电磁模块总图 赛道电源硬件电路设计 电源技术指标要求 根据《竞赛比赛细则》 ]6[ 附件三关于电磁组赛道说明， 20KHz 电源技术要求如下： （ 1）驱动赛道中心线下铺设的 直径的漆包线； （ 2）频率范围： 20K177。 2K； （ 3）电流范围： 50150mA； 如 下图 是赛道起跑区示意图，在中心线铺设有漆包线。 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 15 图 竞赛跑道起跑区示意图 首先分析赛道铺设铜线的电抗，从而得到电源输出的电压范围。 我们按照普通的练习赛道总长度 50，使用直径为 漆包线。 在 30摄氏度下，铜线的电阻率大约为 /米。 计算可以得到中心线的电阻大约为 欧姆。 按照导线电感量计算机公式 :  nHdL   *L21。 其中 L,d 的单位均为 cm。 可以计算出直径为 ，长度 50 米的铜线电感量为 131 微亨。 对应 20KHz 下，感抗约为 欧姆。 可以看出，线圈的电感量小于其电阻值。 由于导线的电感量与铺设的形状有关系，上 述计算所得到的电感量不是准确数值。 另外，我们可以在输出时串接电容来抵消电感的感抗。 所以估算电源电压输出范围的时候，我们不再特别考虑线圈的电感对于电流的影响。 电源的组成 ： 电源电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路以及电源等组成。 如下图 所示： 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 16 振 荡 电 路 功 率 输 出恒 流 控 制电 源调 节频 率电 流控 制+ 5 V+ 1 2 V+ 5 VI b ≈ 1 0 0 m A5 0 u sM A X 1 2 V输 出+ 1 2 V 图 电源组成框图 如上各分部功能可以采用不同的电路实现。 下面分别给出各个电流的参加考设计方案。 震荡电路 产生中心频率为 20KHz 的对称方波信号。 为了满足功率输出电路的需要，一般输出极性相反的信号。 可以使用普 通的 555 时基电路产生振荡信号，也可以使用简易的单片机产生振荡信号。 我们选择的是 555。 为了方便调试，信号频率能够在一定范围内进行调整。 如图 所示： 图 555 时基震荡电路 为了 产生电压反向，频率相同的方波使用频率响应较快的三极管 1815 外加电阻电源来实现 如图 所示： 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 17 图 震荡电路以及反向电路 如图，由 555 定时器和外接元件 R R C 构成多谐振荡器，脚 2与脚 6 直接相连。 电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过 R R2向 C 充电，以 及 C 通过 R2向放电端 CD 放电，使电路产生振荡。 电容 C在 2/3 VCC 和 1/3 VCC 之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图 所示 ： 图 多谐振荡器的波形图 输出信号的时间参数是 ： 21 ww ttT  CRRtw )( 211  CRtw 22  其中 ， 1wt 为 VC 由 上ccV31升到ccV32所需的时间 ， 2wt 为电容 C放电所需的时间。 湖北师范学院机电与控制工程学院 2020 届学士学位论文（设计） 18 555 电路要求 1R 与 2R 均应不小于 K1 ，但两者之和应不大于 。 外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性， 555 定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。 震荡电路输出波形如图 所示 ： 图 555产生的 20khz 方波信号 功率输出电路 由 L298 构成的功率输出电路 该电路 IN1， IN2 引脚接 555 直接输出以及 555经过反向器的输出， 2,。