机电系统设计总体方案
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因此采用方案二
5、路程检测方案的选择 方案一：采用霍尔元件集成片，通过对脉 冲的计数进行对车速的测量。 方案二：采用光电码盘进行检测。用计数 器对接受到的信号进行计数。用这种方案 能很精确的算出小车已经走过的距离。 采用方案一
6、障碍物探测方案的选择 方案一：脉冲调制的反射式红外发射接收 器。 方案二：采用超声波传感器。 采用方案一
智能小车机电系统设计方案
功能模块介绍： （1）驱动电路可实现电机正反转和脉 宽调速，可实现原地转360°。 （2）黑白线控制模块利用黑白线传感 器实现循迹功能。 （3）红外避障模块利用避障传感器实 现走迷宫。 （4）采用串入并出芯片HC595扩展数码 管显示功能，可以利用单片机内部资 源来实现计程、测速等功能。 （5）速度检测模块使用霍尔传感器。
1.
2.
3.
电气原理图
软件流程设计
系统来自百度文库义
软件结构设计
程序设计
系统定义
系统定义的目的就是根据系统软、硬件的 功能分工，确定出软件应完成什么功能， 其具体步骤如下
（1） 定义说明各输入/输出口的功能，确定信息 交换方式与子系统接口方式、所占口地址、读取 和输出方式等。 （2） 在程序存储器和数据存储器区域中，合理 分配存储空间。 （3） 对输入量及输出量给予定义，以此作为编 程依据（eg：按键、显示、打印、开关等） （4） 针对可能出现的干扰引起的错误进行容错 设计，给出错位处理方案（最简单的定WDT） （5） 明确所设计的用户程序应达到的精度，速 度指标。
各功能模块的选择
1、电动机的选择
方案一：采用步进电机。显著特点是转换 精度高，正转反转控制灵活。 方案二：采用普通直流电机。直流电动机 具有优良的调速特性，调速平滑、方便， 调整范围广；过载能力强，能承受频繁的 冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、 制动和反转。 因此采用方案二
2、电动机驱动方案的选择 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整 电动机的分压，从而达到调速目的。但是 电阻网络只能有级调速，而价格较昂贵。 方案二：采用继电器对电动机的开关进行 控制。这个电路的缺点是继电器的响应时 间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。 方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥电 路。该控制电路由于四个大功率晶体管只 工作在饱和与截止状态下，效率非常高， 并且开关的速度很快，稳定性也极强，是 一种广泛采用的电路。 因此采用方案三
软件结构设计
采用模块程序设计。其具有结构清晰、功 能明确、设计简便、程序模块可共享、便 于功能扩展及便于程序维护等特点。将软 件功能划分为若干子功能模块，然后确定 出各模块的输入及相互间的联系。 模块划分的一般原则是：模块不宜过长， 功能相对独立。
程序编写
在前面工作的基础上开始写程序，首先根据系统功能及操 作过程，绘制程序流程图。然后对片内RAM区进行具体分 配，制定各模块使用工作寄存器，分配标志位 （20H~2FH），然后再估算子程序、中断及程序中栈操 作指令使用情况，留出堆栈区，最后剩下部分作为数据缓 冲区；最后着手编写程序，将所有程序流程图的每一步用 相应指令来实现得到全部程序。将编写的程序会变成机器 码，调试正确运行后，固化，至此系统软件设计完成。 最后强调一点，应编写详细的软件设计说明书。
详 细 设 计
这一阶段工作量大。包括机械、电气、电 子、控制与计算机软件等系统的设计，又 包括总装图和零件图的绘制。
设计实施阶段
根据机械、电气图样、制造和装配各功能 模块进行模块调试，进行系统整体的安装 调试，复核系统的可靠性及抗干扰性。
设计定型阶段
对调试成功的系统进行工艺定型，整理出 设计图纸、软件清单、零部件清单及调试 记录等，编写设计说明书，为产品投产是 的工艺设计，材料采购和销售提供详细 《技术档案资料》
1,干扰源： 一般来说机电一体化系统中，用专用或通用微 机组成的控制器，可靠性非常高，因此，引起计算机系统 单元故障（失效）的原因多半不在于其本身，而在于以各 种渠道进入控制器的干扰信号。 2，干扰信号进入控制系统的渠道： （1） 传导型： a，供电干扰——交流电网扰动， b，强电干扰——强电元件断电时产生过电压和冲击电流 c，接地干扰——接地不当引起接地环路 （2） 辐射型： 电磁干扰：系统在工作过程中出现的一些与有用信号无 关，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象 强电和弱电配合工作的机电一体化产品易受电磁干扰。 （3）静电干扰型
抗干扰措施：
1续流二极管 避免电机的反电动势影响
2光电耦合 防止强电影响弱电信号
3弱电电源入口处对地跨接一个对电解 电容（100uf左右）与一个小无极性电 容（0.1uf左右），提高电路抗电源波动 能力
电 源 波 动 干 扰
电气系统的设计方案
电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设 计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过 程，在此过程中要有设计工作的整体观念。 为保证顺利完成设计任务还应做到以下几点： 在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内 容，拟定设计任务书和工作进度计划，确定各阶段应完成 的工作量，妥善安排时间。 所有电气图纸绘制必须符合国家有关规定的标准，包括线 条、图型符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题 栏、元件明细表及图纸的折叠和装订。 说明书要求文字通顺、简练，字迹端正、整洁。应在规定 的时间内完成所有的设计任务。
4、路面情况检测方案的选择 探测路面黑线的基本原理：光线照射到路 面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系 数不同，可根据接收到的反射光强弱来判 断黑线，可实现的方案有以下几种： 方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻 组成的发射接收方案。该方案在实际使用 时，容易受到外界光源的干扰。 方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收 器。由于采用该有交流分量的调制信号， 则可大幅度减少外界干扰；并且其反应灵 敏，外围电路也很简单。
机电系统设计整体方案
袁志超 李蕾 董波 刘宇
典型机电系统的整 体设计思路
电气系统的实 施方案
机电系统设计 整体方案 软件流程设计
智能车机电系统设 计整体方案
典型机电系统的整体设计思路
机电产品主要设计过程
机电产品主要设计过程可分为五个阶段 产品规划 概念设计 详细设计 设计实 施 设计定型
产品规划阶段（准备阶段）
工程背景下的单片机原理及系统设计 刘焕成编著 清华大学出版社,2008 机电一体化技术基础与产品设计 刘杰编著 冶金工业出版社,2003 机电一体化技术导论 刘杰, 宋伟刚, 李允公编著科 学出版社,2006
机电一体化系统（产品）设计、设 计思想
（1） 机电互补法 （取代法）——用电子技术的 长处来弥补机械技术的不足 利用通用或专用电子部件取代传统的机械产品的 复杂机械部件或功能子系统。如用可编程序控制 器PLC取代机械式变速机构；用步进电机来代替 某些条件下的凸轮机构；用电子式的传感器取代 机械挡块、行程开关等，可大大提高检测精度、 灵敏度。
结合法 （融合法）
将各组成要素有机结合为一体，构成专用 或通用的功能部件（子系统）。
组合法
将结合法制成的功能部件（子系统）、功 能模块，像搭积木那样组合成的各种机电 一体化产品，如：不同的关节可组成工业 机器人的回转、伸缩、俯仰等个功能模块 系列
机电系统可靠性设计
所谓可靠性，是指产品（或系统）在规定 条件下和规定时间内完成规定功能的能 力。 在机电一体化系统（或产品）中，电场、 磁场的干扰是产生源部件失效或数据传输 处理失误，进而影响其可靠性的最常见的 和最主要的因素。这是机电一体化系统设 计中不可忽视的问题之一。
3、供电电源方案的选择 方案一：采用两个电源供电。这样可以使 电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高 了系统的稳定性，但是多一组电池，增加 了车身重量，增大了小车的惯性。 方案二：采用单一电源供电。电源直接给 电动机供电，因电动机启动瞬间电流较 大，会造成电源电压波动，因而控制与检 测部分电路通过集成稳压块供电。其供电 电路比较简单。 考虑成本采用方案二
LED数码管显示模块仿真视频
leddisplay\led.htm
L298N及PWM调制模块仿真视频
L298N及pwm调制\L298N及PWM调制.htm
不加续流二极管的驱动系统
不加续流二极管时电压图像
加续流二极管的驱动系统
加续流二极管时电压图像
加续流二极管时out3电压图像
参考文献
机电一体化系统设计与应用 张训文编著 北京理工大学出版社,2006 8051单片机彻底研究（入门篇，基础篇，实习 篇，经验篇） 林伸茂编著 中国电力出版社,2007 机电系统设计 赵先仲编著 机械工业出版社,2004 AT89单片机原理及应用 高伟主编 曹国君, 李向群, 胡家彦编著 国防工业出版社,2008 单片机开发上岗培训教程 庄俊华主编 机械工业出版社,2007
首先对设计对象进行机理分析，对用户的 需求进行理论抽象，进行需求分析，可行 性分析，确定设计参数及制约条件，最后 给出详细的设计任务书作为设计评价和决 策的依据
概念设计
理论设计
详细设计
划分功能模块 确定其逻辑关系 对各功能模块输入输出关系进行分析 以技术文件的形式进行讨论，审定
概 念 设 计
绘制相应工程图 建模 确定控制算法 计算各功能模块之间接口的输入输出参数 以各功能模块为单元，根据接口参数的要 求对功能模块进行选型、组配及设计
5、路程检测方案的选择 方案一：采用霍尔元件集成片，通过对脉 冲的计数进行对车速的测量。 方案二：采用光电码盘进行检测。用计数 器对接受到的信号进行计数。用这种方案 能很精确的算出小车已经走过的距离。 采用方案一
6、障碍物探测方案的选择 方案一：脉冲调制的反射式红外发射接收 器。 方案二：采用超声波传感器。 采用方案一
智能小车机电系统设计方案
功能模块介绍： （1）驱动电路可实现电机正反转和脉 宽调速，可实现原地转360°。 （2）黑白线控制模块利用黑白线传感 器实现循迹功能。 （3）红外避障模块利用避障传感器实 现走迷宫。 （4）采用串入并出芯片HC595扩展数码 管显示功能，可以利用单片机内部资 源来实现计程、测速等功能。 （5）速度检测模块使用霍尔传感器。
1.
2.
3.
电气原理图
软件流程设计
系统来自百度文库义
软件结构设计
程序设计
系统定义
系统定义的目的就是根据系统软、硬件的 功能分工，确定出软件应完成什么功能， 其具体步骤如下
（1） 定义说明各输入/输出口的功能，确定信息 交换方式与子系统接口方式、所占口地址、读取 和输出方式等。 （2） 在程序存储器和数据存储器区域中，合理 分配存储空间。 （3） 对输入量及输出量给予定义，以此作为编 程依据（eg：按键、显示、打印、开关等） （4） 针对可能出现的干扰引起的错误进行容错 设计，给出错位处理方案（最简单的定WDT） （5） 明确所设计的用户程序应达到的精度，速 度指标。
各功能模块的选择
1、电动机的选择
方案一：采用步进电机。显著特点是转换 精度高，正转反转控制灵活。 方案二：采用普通直流电机。直流电动机 具有优良的调速特性，调速平滑、方便， 调整范围广；过载能力强，能承受频繁的 冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、 制动和反转。 因此采用方案二
2、电动机驱动方案的选择 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整 电动机的分压，从而达到调速目的。但是 电阻网络只能有级调速，而价格较昂贵。 方案二：采用继电器对电动机的开关进行 控制。这个电路的缺点是继电器的响应时 间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。 方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥电 路。该控制电路由于四个大功率晶体管只 工作在饱和与截止状态下，效率非常高， 并且开关的速度很快，稳定性也极强，是 一种广泛采用的电路。 因此采用方案三
软件结构设计
采用模块程序设计。其具有结构清晰、功 能明确、设计简便、程序模块可共享、便 于功能扩展及便于程序维护等特点。将软 件功能划分为若干子功能模块，然后确定 出各模块的输入及相互间的联系。 模块划分的一般原则是：模块不宜过长， 功能相对独立。
程序编写
在前面工作的基础上开始写程序，首先根据系统功能及操 作过程，绘制程序流程图。然后对片内RAM区进行具体分 配，制定各模块使用工作寄存器，分配标志位 （20H~2FH），然后再估算子程序、中断及程序中栈操 作指令使用情况，留出堆栈区，最后剩下部分作为数据缓 冲区；最后着手编写程序，将所有程序流程图的每一步用 相应指令来实现得到全部程序。将编写的程序会变成机器 码，调试正确运行后，固化，至此系统软件设计完成。 最后强调一点，应编写详细的软件设计说明书。
详 细 设 计
这一阶段工作量大。包括机械、电气、电 子、控制与计算机软件等系统的设计，又 包括总装图和零件图的绘制。
设计实施阶段
根据机械、电气图样、制造和装配各功能 模块进行模块调试，进行系统整体的安装 调试，复核系统的可靠性及抗干扰性。
设计定型阶段
对调试成功的系统进行工艺定型，整理出 设计图纸、软件清单、零部件清单及调试 记录等，编写设计说明书，为产品投产是 的工艺设计，材料采购和销售提供详细 《技术档案资料》
1,干扰源： 一般来说机电一体化系统中，用专用或通用微 机组成的控制器，可靠性非常高，因此，引起计算机系统 单元故障（失效）的原因多半不在于其本身，而在于以各 种渠道进入控制器的干扰信号。 2，干扰信号进入控制系统的渠道： （1） 传导型： a，供电干扰——交流电网扰动， b，强电干扰——强电元件断电时产生过电压和冲击电流 c，接地干扰——接地不当引起接地环路 （2） 辐射型： 电磁干扰：系统在工作过程中出现的一些与有用信号无 关，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象 强电和弱电配合工作的机电一体化产品易受电磁干扰。 （3）静电干扰型
抗干扰措施：
1续流二极管 避免电机的反电动势影响
2光电耦合 防止强电影响弱电信号
3弱电电源入口处对地跨接一个对电解 电容（100uf左右）与一个小无极性电 容（0.1uf左右），提高电路抗电源波动 能力
电 源 波 动 干 扰
电气系统的设计方案
电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设 计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过 程，在此过程中要有设计工作的整体观念。 为保证顺利完成设计任务还应做到以下几点： 在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内 容，拟定设计任务书和工作进度计划，确定各阶段应完成 的工作量，妥善安排时间。 所有电气图纸绘制必须符合国家有关规定的标准，包括线 条、图型符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题 栏、元件明细表及图纸的折叠和装订。 说明书要求文字通顺、简练，字迹端正、整洁。应在规定 的时间内完成所有的设计任务。
4、路面情况检测方案的选择 探测路面黑线的基本原理：光线照射到路 面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系 数不同，可根据接收到的反射光强弱来判 断黑线，可实现的方案有以下几种： 方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻 组成的发射接收方案。该方案在实际使用 时，容易受到外界光源的干扰。 方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收 器。由于采用该有交流分量的调制信号， 则可大幅度减少外界干扰；并且其反应灵 敏，外围电路也很简单。
机电系统设计整体方案
袁志超 李蕾 董波 刘宇
典型机电系统的整 体设计思路
电气系统的实 施方案
机电系统设计 整体方案 软件流程设计
智能车机电系统设 计整体方案
典型机电系统的整体设计思路
机电产品主要设计过程
机电产品主要设计过程可分为五个阶段 产品规划 概念设计 详细设计 设计实 施 设计定型
产品规划阶段（准备阶段）
工程背景下的单片机原理及系统设计 刘焕成编著 清华大学出版社,2008 机电一体化技术基础与产品设计 刘杰编著 冶金工业出版社,2003 机电一体化技术导论 刘杰, 宋伟刚, 李允公编著科 学出版社,2006
机电一体化系统（产品）设计、设 计思想
（1） 机电互补法 （取代法）——用电子技术的 长处来弥补机械技术的不足 利用通用或专用电子部件取代传统的机械产品的 复杂机械部件或功能子系统。如用可编程序控制 器PLC取代机械式变速机构；用步进电机来代替 某些条件下的凸轮机构；用电子式的传感器取代 机械挡块、行程开关等，可大大提高检测精度、 灵敏度。
结合法 （融合法）
将各组成要素有机结合为一体，构成专用 或通用的功能部件（子系统）。
组合法
将结合法制成的功能部件（子系统）、功 能模块，像搭积木那样组合成的各种机电 一体化产品，如：不同的关节可组成工业 机器人的回转、伸缩、俯仰等个功能模块 系列
机电系统可靠性设计
所谓可靠性，是指产品（或系统）在规定 条件下和规定时间内完成规定功能的能 力。 在机电一体化系统（或产品）中，电场、 磁场的干扰是产生源部件失效或数据传输 处理失误，进而影响其可靠性的最常见的 和最主要的因素。这是机电一体化系统设 计中不可忽视的问题之一。
3、供电电源方案的选择 方案一：采用两个电源供电。这样可以使 电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高 了系统的稳定性，但是多一组电池，增加 了车身重量，增大了小车的惯性。 方案二：采用单一电源供电。电源直接给 电动机供电，因电动机启动瞬间电流较 大，会造成电源电压波动，因而控制与检 测部分电路通过集成稳压块供电。其供电 电路比较简单。 考虑成本采用方案二
LED数码管显示模块仿真视频
leddisplay\led.htm
L298N及PWM调制模块仿真视频
L298N及pwm调制\L298N及PWM调制.htm
不加续流二极管的驱动系统
不加续流二极管时电压图像
加续流二极管的驱动系统
加续流二极管时电压图像
加续流二极管时out3电压图像
参考文献
机电一体化系统设计与应用 张训文编著 北京理工大学出版社,2006 8051单片机彻底研究（入门篇，基础篇，实习 篇，经验篇） 林伸茂编著 中国电力出版社,2007 机电系统设计 赵先仲编著 机械工业出版社,2004 AT89单片机原理及应用 高伟主编 曹国君, 李向群, 胡家彦编著 国防工业出版社,2008 单片机开发上岗培训教程 庄俊华主编 机械工业出版社,2007
首先对设计对象进行机理分析，对用户的 需求进行理论抽象，进行需求分析，可行 性分析，确定设计参数及制约条件，最后 给出详细的设计任务书作为设计评价和决 策的依据
概念设计
理论设计
详细设计
划分功能模块 确定其逻辑关系 对各功能模块输入输出关系进行分析 以技术文件的形式进行讨论，审定
概 念 设 计
绘制相应工程图 建模 确定控制算法 计算各功能模块之间接口的输入输出参数 以各功能模块为单元，根据接口参数的要 求对功能模块进行选型、组配及设计