【正文】 導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。現(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。 單片機是靠程序運行的，并且可以修改。 單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。張老師嚴謹求實，敢于探索的治學態(tài)度，認真細致的工作作風，不但使本人的專業(yè)知識水平有很大的提高，而且為人方面也收益菲淺，這里特別向張老師致以誠摯的謝意。電機調(diào)速的精確控制，隨著比賽競爭的激烈，對車速的要求越來越高，因此，只有將車速控制更接近理論極限速度，從而要求對電機的控制更為精確。除了調(diào)整賽車機械結(jié)構(gòu)，只能通過彎道減速的辦法，實現(xiàn)平穩(wěn)順滑過彎。① 舵機響應(yīng)延時問題。② 系統(tǒng)硬件設(shè)計在硬件設(shè)計過程中，按照先總體后局部的原則，即先按照要求從理論上進行分析、構(gòu)建系統(tǒng)的總體框架，然后將系統(tǒng)局部化、具體化，分成幾個大的模塊進行設(shè)計。靜態(tài)調(diào)試也包括在整個系統(tǒng)設(shè)計完成之后，來調(diào)試舵機的轉(zhuǎn)向，來檢驗其性能是否達到設(shè)計的預期目標，也可以對驅(qū)動電機進行調(diào)試，測試不同電池電壓情況下及不同PWM脈寬輸出時的電機速度特性，以及整個系統(tǒng)的聯(lián)級。整個過程使用的工具和元器件都非常簡化，所以在制作的過程中容易實現(xiàn)。 TIE_C1I = 1。測速模塊所用的PT0口采用輸入捕捉的方式。ATD0DIEN=0x00。PWME =0xa8。//0：ClockA作為相應(yīng)通道時鐘源 1：ClockSAPWMSCLB =16。 PWM模塊初始化 PWM模塊有8路8位的獨立的PWM通道，每個通道都配有專門的計數(shù)器，可獨立的設(shè)置周期和占空比，也可以將兩個通道合起來作為一路輸出，形成16位通道。fBus_Clk = fPLL/2。~42176。舵機插頭及舵機隨時間的線性變化曲線如圖47所示：脈寬/μs1250750250–42轉(zhuǎn)角/（o）+42脈寬轉(zhuǎn)角（+為順時鐘方向））舵機插頭GNDVCC信號線BLACKREDWHRIT圖48 舵機插頭及舵機隨時間的線性變化曲線 The variation curve of servo plug and servo along with time linear 舵機由伺服電機構(gòu)成，其轉(zhuǎn)動角度取決于控制端的輸入脈沖。如下圖所示： 圖47 賽道中兩種引導線 Two guide wire in the racetrack 電機控制策略 驅(qū)動電機采用直流伺服電機，大賽選用飛思卡爾統(tǒng)一型號的伺服電機，這是因為直流伺服電機具有優(yōu)良的速度控制性能，它輸出較大的轉(zhuǎn)矩，直接拖動負載運行，同時它又受控制信號的直接控制進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 3）采用增量型算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。u接著被送到了執(zhí)行機構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號u，這個新的輸出信號被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號，這個過程就這樣周而復始地進行。微分調(diào)節(jié)D作用：微分控制可改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，如減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度等。PID控制策略其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，并且易于實現(xiàn)，使其成為工程中應(yīng)用最多的控制方法。圖42 賽車理想軌跡 Ideal track for car基于微處理器的智能車控制系統(tǒng)開發(fā)與研究因此采取中一內(nèi)一外的過彎路徑，如圖43所示。圖41 總體控制流程圖 The flow chart overall control 控制策略分析由于賽車在行駛路線上有很多的選擇，所以凈速度快的賽車在比賽中是有優(yōu)勢的，而在硬件條件成熟之后，賽車在直道上和彎道上的速度都是有極限的。同時分析了系統(tǒng)的抗干擾措施。盡可能把干擾與敏感元件遠離。 因此，抗干擾設(shè)計的基本原則就是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。 幅度測量測量放大后的感應(yīng)電動勢的幅值E可以有多種方法。如下圖所示： 圖319 工字磁材電感 The word magnetic inductance 信號選頻放大使用電感線圈可以對其周圍的交變磁場感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動勢。通過改變線圈高度h，線圈之間距離L可以調(diào)整位置檢測范圍以及感應(yīng)電動勢的大小。由于磁場分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計算磁場強度的時候我們僅僅考慮坐標(x,y)。如果在通電直導線兩邊的周圍豎直放置兩個軸線相互垂直并位于與導線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應(yīng)磁場向量的兩個垂直分量，進而可以獲得磁場的強度和方向。（2）霍爾效應(yīng)磁場測量方法：半導體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場、電磁線圈的圈數(shù)N、截面面積A的關(guān)系有： (34) 感應(yīng)電動勢方向可以用楞次定律來確定。甚低頻率范圍處于工頻和低頻電磁波中間，為3KHz~30KHz，波長為100km~10km。安裝部位結(jié)構(gòu)如圖圖39所示：圖39 實際安裝 The actual installation 調(diào)試模塊 鍵盤模塊 我們采用4個按鍵構(gòu)成鍵盤，四個鍵用于調(diào)試參數(shù)。INH引腳為高電平，使能BTS7960。模型車通過自身系統(tǒng)，采集賽道信息，獲取自身速度信息，加以處理，由芯片給出指令控制其前進轉(zhuǎn)向等動作，各部分都需要由電路支持，電源管理尤為重要。 圖33 晶振電路 The circuit of crystal oscillator 3）復位電路：雖然單片機片內(nèi)集成有上電復位電路，單片機上電時可自動產(chǎn)生復位信號，但加上一個手動復位按鈕會給調(diào)試帶來方便。MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)可以分為以下幾個部分:1）供電電路：開發(fā)板的供電是靠外部+5V電源，通過外部電源提供的。總線頻率最高可達40 MHz。不論是某一路采集信號的誤判還是單片機對轉(zhuǎn)向伺服電機控制的失當，都會引起智能車在行駛過程中產(chǎn)生抖動甚至偏離賽道。當壓在輪胎上的重量或滑動量發(fā)生改變的時候，這兩個因素的比例就會發(fā)生改變。滑動量0100%μ摩擦系數(shù)圖26滑動量與摩擦力系數(shù)關(guān)系 The relationship of slippage and friction coefficient 在圖中的橫軸表示滑動量，從0%(沒有滑動，輪胎僅僅是向前滾動)，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車輛行進的方向)。這也產(chǎn)生了所謂的“測滑角(Slip Angle)”。因為輪胎是車輛和地面的唯一聯(lián)系，而這個聯(lián)系僅僅取決于輪胎和地面的接觸面的摩擦力。但后輪側(cè)滑特別是轉(zhuǎn)彎時外側(cè)滑危險性極大，因為它會加大轉(zhuǎn)向角速度，導致越滑越烈，如“抱死”，路面越滑，制動時間越長，側(cè)滑也就越嚴重，其離心力（慣性側(cè)翻力矩）也因側(cè)滑而加大，當大于車輛重力的穩(wěn)定力矩時就會翻車。當車輛在正常的過彎行進中 (假設(shè)：無轉(zhuǎn)向不足亦無轉(zhuǎn)向過度)，此時4個輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序為：外側(cè)前輪＞外側(cè)后輪＞內(nèi)側(cè)前輪＞內(nèi)側(cè)后輪。對于汽車的操縱性，操縱穩(wěn)定性好就必須有不足轉(zhuǎn)向特性，并且不足轉(zhuǎn)向不應(yīng)過大。圖23舵機安裝圖 Servo Installation Diagram 主控板的連接與固定 采用接插件與焊接結(jié)合的方式連接傳感器、主控板、編碼器、電機驅(qū)動電路、電機、賽道起始檢測等單元，既考慮可靠性，又兼顧結(jié)構(gòu)調(diào)整與安裝的便利性。所以事先將車輪校偏一個外八字角度，這個角度約在1176。角度越大前輪自動回正的作用就越強烈，但轉(zhuǎn)向時也越費力，輪胎磨損增大；反之，角度越小前輪自動回正的作用就越弱。 傳感器的安裝傳感器采用的是2個磁場檢測電感一字均勻分布的布局安裝，如圖22所示。2 汽車模型機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 智能車的設(shè)計涵蓋了控制、模式識別、電子、機械等多個學科的知識，但是總的來說歸納為硬件和軟件兩個方面。汽車制造商認為，人工智能系統(tǒng)將能幫助人們駕駛，最終完全承擔駕駛?cè)蝿?wù)；研究者希望他們的技術(shù)將有助于減少交通事故。本文以第八屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽為背景，對智能車控制系統(tǒng)進行了深入的討論，以作者參與制作的智能模型車為例簡要介紹了智能模型車的設(shè)計制作全過程,主要涉及到機械、電子、傳感器技術(shù)、驅(qū)動控制技術(shù)、自動控制、人工智能等多個領(lǐng)域的研究及技術(shù)融合。本系統(tǒng)雖然只是一個模型，但具有充份的科學性、實用性和先進性，對真實智能車控制系統(tǒng)所遇到的問題，都有所研究。 我國的發(fā)展現(xiàn)狀 我國于2006年8月舉辦第一屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽，此次比賽吸引了來自全國59所著名學校的112支代表隊的參與，大賽分預賽和決賽兩個階段。對于智能車系統(tǒng)來說擁有穩(wěn)定而結(jié)構(gòu)合理的硬件是智能車在比賽中取得好成績的基礎(chǔ)。 傳感器伸出車體一定的距離以獲得相應(yīng)的前瞻性[1]。 主銷后傾 主銷后傾是指主銷裝在前軸，上端略向后傾斜的角度。左右[2]。具體安裝結(jié)構(gòu)如圖24所示圖24 主控板的連接與固定 Connection with the fixed control board 重心調(diào)整 汽車重心的改變會影響汽車的動力性、制動性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通用性等重要特性。謂不足轉(zhuǎn)向性，是指轉(zhuǎn)向盤保持一固定轉(zhuǎn)角的情況下，緩慢加速或以不同車速等速行時，隨著車速的增加，車輛的轉(zhuǎn)向半徑增大。此次所使用賽車配備的是后輪差速機構(gòu)。四輪側(cè)滑較少出現(xiàn)[4]。讓我們來看看摩擦力是如何產(chǎn)生的。在圖中右邊的部分，在兩個表面之間的滑動處于支配地位。而縱軸表示摩擦系數(shù)，在圖中左邊的部分， 發(fā)生于輪胎內(nèi)部的滑動處于支配的地位，就是常說的“輪胎蠕動”。舉例說：當滑動量比較大的時候，變形力就會大于粘合力，占支配地位。所以，對智能車總系統(tǒng)設(shè)計的合理性和科學性就顯得尤為重要。S12X系列單片機目前又有幾個子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XF系列、MC9S12XH系列和MC9S12XS系列。S12單片機片 較高的I/O電平有利于抗外界干擾，所以S12單片機特別適合于那些工作環(huán)境惡劣的控制系統(tǒng)。一般的人使用的阻容復位穩(wěn)定性較差，常常有按了復位沒反應(yīng)，要按一段時間才能復位的經(jīng)歷。一旦電源出現(xiàn)問題，各部分電路的功能將受到很大的影響。IN引腳用于確定哪個MOSFET導通。由于單片機IO口內(nèi)部有上拉電阻，按鍵可不接上拉電阻，串聯(lián)一個小的限流電阻接地，輸出口接單片機IO口。如下圖所示： 圖311 電流周圍的電磁場示意圖 Electromagnetic field around current schematic導線周圍的電場和磁場，按照一定規(guī)律分布。 由于本設(shè)計中導線通過的電流頻率較低位20KHz，且線圈較小，令線圈中心到導線的距離為，認為小范圍內(nèi)磁場分布是均勻的。（3）各向異性電阻效應(yīng)（AMR）磁場測量方法。 不同的線圈軸線擺放方向，可以感應(yīng)不同的磁場分量。由于線圈的軸線是水平的，所以感應(yīng)電動勢反映了磁場的水平分量。我們需要選擇合適車模競賽的檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價格、功耗以及實現(xiàn)的難易程度進行考慮。這個感應(yīng)電動勢信號具有以下特點：（1）信號弱：感應(yīng)電壓只有幾十個毫伏。最簡單的方法就是使用二極管檢波電路將交變的電壓信號檢波形成直流信號，然后再通過單片機的AD采集獲得正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值。 基于以上抗干擾設(shè)計的原則，在控制器的PCB板設(shè)計時，應(yīng)注意以下幾點： 1）抑制干擾源① ~1μ高頻電容，以減少IC對電源的影響。④ 在單片機口線，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩等，可顯著提高電路的抗干擾性能。4 軟件設(shè)計根據(jù)此次我們對于智能車的整體設(shè)計方案，我們從傳感器得到的外部信息輸入有：電磁傳感器得到的中心線位置、速度傳感器得到的智能車即時速度。比賽中經(jīng)常會看到凈速度很快的車卻不能取得好成績，甚至不能完成比賽，原因分析如下：如果賽車在通過彎道時路徑不合理或者速度過快都容易發(fā)生側(cè)滑或者側(cè)翻，這兩種現(xiàn)象都會造成賽車的失控，是很危險的。在通過直角彎的時候采取同樣的策略，如圖44所示。其缺點在于控制器的參數(shù)整定繁瑣，因此我們在滿足要求的情況下，選擇了PID速度控制，PD舵機控制。但應(yīng)當注意，微分時間常數(shù)偏大或偏小時，系統(tǒng)的超調(diào)量仍然較大，調(diào)節(jié)時間仍然較長，只有合適的微分時間常數(shù)，才能獲得比較滿意的過渡過程。 數(shù)字式PID增量式的PID算法公式如下： (44)由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。但增量型也有其不足之處，如積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。在很多方面有優(yōu)越性，具體來說，它具有以下優(yōu)點:1）具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩?？赊D(zhuǎn)動范圍為90176。之間。