李槐生

摘 要：基于單片機(jī)的車速控制系統(tǒng)，以MPC5604芯片為核心構(gòu)建一個(gè)單片機(jī)的車速控制系統(tǒng)。它的硬件系統(tǒng)包括電源、主控模塊、按鍵模塊、顯示模塊和光電式測(cè)速傳感器測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等四大模塊。系統(tǒng)軟件部分由主函數(shù)控制模塊、定時(shí)中斷和外部中斷模塊、初值定義模塊、按鍵修改部分、5110初始化模塊、PID控制轉(zhuǎn)速模塊、回路控制轉(zhuǎn)速模塊等組成。其目的是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)車速的控制，計(jì)算車輛行駛路程，并顯示設(shè)定車速、當(dāng)前采集車速、PID控制參數(shù)、行駛路程。

關(guān)鍵詞：光電式測(cè)速傳感器；車速控制；PWM控制；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TB114.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.016

文章編號(hào)：2095-6835（2016）11-0016-03

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有以下4中：①按鍵設(shè)定并顯示車速和PID控制參量，按鍵控制電機(jī)起停；②實(shí)時(shí)顯示實(shí)際車速與行駛路程；③PWM轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；④車輛超速報(bào)警。

車輛超速報(bào)警：1、5110顯示設(shè)定速度、采集速度、PWM占空比、PID參數(shù)； 2、按鍵修改設(shè)定速度、PID參數(shù)；3、按鍵控制電機(jī)啟停；4、PWM轉(zhuǎn)速閉環(huán)自動(dòng)控制。

其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如下：

2 方案設(shè)計(jì)

單片機(jī)MPC5604為整個(gè)系統(tǒng)核心控制部件。其振蕩電路靠單片機(jī)利用內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)完成，為系統(tǒng)的主頻率，是單片機(jī)執(zhí)行服務(wù)的基準(zhǔn)。外部電路包括復(fù)位電路、顯示電路、光電式測(cè)速傳感器等。通過單片機(jī)及PID參數(shù)調(diào)節(jié)控制輸出相應(yīng)的PWM電機(jī)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)車速的控制。

本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以核心內(nèi)容是單片機(jī)控制。通過不斷的脈沖計(jì)數(shù)、計(jì)算速度、PWM占空比的調(diào)節(jié)、刷新顯示，及按鍵掃描和執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，設(shè)計(jì)功能如下：①5110顯示和按鍵掃描程序設(shè)計(jì)和調(diào)試；②轉(zhuǎn)速檢測(cè)程序設(shè)計(jì)及其調(diào)試；③PWM占空比的回路控制調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.1 硬件電路

單片機(jī)為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的控制中心，也是最小的單片機(jī)組成，其包括一塊MPC5604芯片、復(fù)位部分、晶振時(shí)間頻率控制部分。系統(tǒng)主控結(jié)構(gòu)情況如圖2所示。

選用單片機(jī)MPC5604 （以下簡(jiǎn)稱 5604），100 引腳封裝。這款單片機(jī)的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量以及端口（ATD， I/O， PWM， SCI 等）能夠滿足設(shè)計(jì)要求。為了使電路板緊湊，僅對(duì)所用到的必要引腳引出，適當(dāng)留有備用端口，其中包括PWM 接口、FTM、普通I/O 口、JTAG 接口、SCI 接口等。

電路板實(shí)物尺寸為42 mm×42 mm。

2.1.1 系統(tǒng)供電模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用電壓為7.2 V的鎳鎘電池供電。由于單片機(jī)模塊、5110模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊均為5 V供電，采用集成三端穩(wěn)壓電源。LM2940穩(wěn)壓器件，輸出電流1A足以滿足單片機(jī)供電的需要。因?yàn)殡娐分写嬖诟行载?fù)載，存在大電流，為了最大限度地降低各個(gè)部分對(duì)單片機(jī)的干擾，單獨(dú)采用一片LM2940 對(duì)單片機(jī)和起跑線檢測(cè)模塊進(jìn)行供電。而其他需要5 V供電的模塊則采用另一片LM2940進(jìn)行供電。傳感器部分本身功耗并不高，但要求穩(wěn)定工作，因此單獨(dú)用一片LM2940為其供電。最終電源原理如圖3所示。

2.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路為電機(jī)提供控制和驅(qū)動(dòng)，這部分電路的設(shè)計(jì)要求以能夠通過大電流為主要指標(biāo)。目前流行的H 橋驅(qū)動(dòng)電路有：H 橋集成電路，如MC33886；集成半橋電路，如BTS7970 等；MOS 管搭建的H 橋電路。我們對(duì)三種電路都進(jìn)行了搭建并測(cè)試。MC33886 的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，外圍元件少；但缺點(diǎn)是內(nèi)阻較大，通過電流有限，可以通過兩片MC33886 并聯(lián)的方式進(jìn)行改善。MOS 管搭建的H 橋電路可以通過較大電流，但由于每個(gè)MOS 管體積較大，因此電路板面積較大。另外，MOS 管H 橋電路可能會(huì)發(fā)生脈沖上升沿、下降沿由于不夠陡峭而帶來(lái)的瞬間短路、功率過高等問題。為此，選擇了兩個(gè)目前比較流行的BTS7970 半橋集成電路組成H 橋電路，原理如圖4所示。

2.1.3 5110液晶顯示電路

5110液晶顯示模塊，為點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊，有自帶驅(qū)動(dòng)IC和液晶顯示控制IC，其內(nèi)部有字符發(fā)生器和顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該模塊具有與MCU接口：8位或4位并行/3位串行數(shù)據(jù)總線接口。CS與單片機(jī)的P10口連接，SID與P11口連接，SCLK與P12口連接。B_Light為背光顯示，可以不連接。通過5110電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的發(fā)送、漢字和字母的顯示。

其5110顯示電路如圖5所示。

2.1.4 按鍵接口電路

系統(tǒng)中，由于需要對(duì)設(shè)定速度、PID控制參數(shù)的修改，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速控制在一定誤差范圍內(nèi)，所以系統(tǒng)在單片機(jī)P2口加入4×4的矩陣按鍵分別對(duì)其修改。從左至右、從上到下將按鍵依次定義為1—16. 其中，1—10為數(shù)字按鍵，按鍵13、按鍵14、按鍵15、按鍵16為功能按鍵。按鍵接口電路如圖6所示。

2.1.5 輔助調(diào)試電路

2.1.5.1 LED指示電路

本系統(tǒng)有3個(gè)共陰極的發(fā)光二極管，其中當(dāng)D1亮指示PWM控制轉(zhuǎn)速模式，D2發(fā)光二極管亮指示修改設(shè)定速度模式，D3亮指示修改PID參數(shù)。當(dāng)三個(gè)燈都亮，則說(shuō)明電機(jī)為啟動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)3個(gè)發(fā)光二極管都滅，則說(shuō)明電機(jī)為停止?fàn)顟B(tài)。

2.1.5.2 LED燈電路

LED燈電路圖如圖7所示。

2.1.5.3 蜂鳴器報(bào)警電路

當(dāng)轉(zhuǎn)速超過規(guī)定速度以及其他情況時(shí)，將使用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警電路如圖8所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

主控模塊程序：根據(jù)系統(tǒng)功能描述，可以將軟件大致劃分為6個(gè)模塊：主函數(shù)模塊，系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊，5110初始化、發(fā)送命令、發(fā)送數(shù)據(jù)和顯示漢字和顯示字母模塊，按鍵識(shí)鍵和功能設(shè)置模塊，中斷模塊，PWM控制模塊。主程序執(zhí)行的過程是，先進(jìn)入主程序初始化，在沒有按鍵按下的時(shí)候，5110實(shí)時(shí)顯示；當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，則執(zhí)行按鍵所對(duì)應(yīng)的功能。

其主函數(shù)程序流程如圖9所示。

2.2.1 程序流程

通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)中斷功能，定時(shí)中斷設(shè)定值為5 ms，中斷服務(wù)函數(shù)流程如圖10所示。

2.2.2 電機(jī)速度讀取及車速計(jì)算

通過脈沖計(jì)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的檢測(cè)：在點(diǎn)擊同軸的螺絲柱上裝上100線光電碼盤，這樣當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電碼盤跟隨電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，光電式速度傳感器在碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生TTL方波信號(hào)，使用輸入脈沖測(cè)量功能對(duì)脈沖方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于采樣周期固定（5 ms及定時(shí)中斷時(shí)間）讀出脈沖總數(shù)。5 ms內(nèi)光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈計(jì)數(shù)n=100。

由脈沖數(shù)計(jì)算實(shí)際速度的過程：對(duì)脈沖數(shù)N進(jìn)行積分，行駛1 m測(cè)的脈沖個(gè)數(shù)的積分?jǐn)?shù)N為4 700（也就說(shuō)明碼盤一共轉(zhuǎn)了47圈）；如果速度為1 m/s時(shí)，則積分?jǐn)?shù)N在1 s內(nèi)積分值為4 700，因此每個(gè)程序周期n=4 700÷1 000×5=23.5。也就是，說(shuō)如果n=23.5 對(duì)應(yīng)車速為1 m/s。所以速度V=n/23.5 m/s。

模擬PID控制系統(tǒng)原理如圖11所示。

2.2.3 回路自動(dòng)控制PWM程序

回路自動(dòng)控制程序?yàn)橄到y(tǒng)軟件中用到的另一種PWM控制方法，其設(shè)計(jì)思想是根據(jù)采集速度與設(shè)定速度的差值分為幾個(gè)不同的檔位，對(duì)占空比的調(diào)節(jié)寬度也不同，差值越大，所增加的占空比也就越大。

車輛行駛路程計(jì)算及速度報(bào)警：行駛1 m脈沖個(gè)數(shù)的積分為4 700，因此，對(duì)轉(zhuǎn)速n進(jìn)行積分，積分值除以4 700，就是小車行駛的路程。程序給定速度值，當(dāng)小車超速時(shí)，IO口置高，蜂鳴器報(bào)警。

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〔編輯：胡雪飛〕