【文章內(nèi)容簡介】 D模數(shù)轉(zhuǎn)換器特定的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行處理、比較，并將比較結(jié)果送入微處理器，微處理器會(huì)控制相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到光源追蹤效果，此方案系統(tǒng)工作穩(wěn)定，精確度高，易于整機(jī)的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)。 綜合考慮，決定采用方案二。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 52 頁 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)最終以 MC9S12XS128 作為控制器，用光敏電阻做檢測元件，通過控制舵機(jī)來使傳感器模塊指向光源。系統(tǒng)方框圖如下圖 ： 圖 系統(tǒng)硬件方框圖 MC9S12XS128 本系統(tǒng)中我們選的是飛思卡爾系列單片機(jī)下面介紹一下 MC9S12XS128系列單片機(jī)： 我們用到的單片機(jī)等資源涉及到 MC9S12XS128的 I/O、中斷定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器模塊、 PWM模塊、外部中斷等的使用 。 開發(fā)工具是 Metrowerks的 Code WarriorIDE ，主要用 C語言進(jìn)行代碼的編寫。調(diào)試工具使用清華大學(xué)摩托羅拉 MCU應(yīng)用開發(fā)中心的 BDM調(diào)試模塊。 圖 S12實(shí)物圖與下載器。 S12單片機(jī) AD0 AD2 AD4 AD6 A/D轉(zhuǎn)換模塊 PWM01 PWM23 PWM45 PWM67 經(jīng)由 LM29405 穩(wěn)壓后的 5V電源 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 52 頁 圖 S12實(shí)物圖與下載器 Freecale系列單片 機(jī)的主要特點(diǎn)： （ 1）最高可以超頻到 96MHz bus clock（不建議）。（ 2） BDM接口。（ 3）復(fù)位鍵。（ 4） PB上接 8個(gè)發(fā)光二極管 D0D7。（ 5）電源指示發(fā)光二極管 D8。（ 6）可以選擇 5V 或者 ，也可以去掉 VRH電阻外界參考電壓；（ 7） S兩個(gè)電源接口；（ 8）插針為 100mil的整數(shù)倍，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)陣板可以直接插上去；（ 9）板子尺寸： 40*25mm；（ 10）可選參考電壓，為攝像頭采集提供更佳的參考電壓；（ 11）帶 MicroSD卡座，數(shù)據(jù)保存變得非常的簡單?。?12）采用雙排直插式，布線更方便；（ 13）重新優(yōu)化 EMI/EMC，增強(qiáng)抗干擾能力， Runing極其穩(wěn)定；（ 14） PGB采用加厚鍍金工藝和焊盤阻焊技術(shù)，抗氧化能力強(qiáng)；（ 15）采用回流焊工藝，相對(duì)手工焊接質(zhì)量更可靠；（ 16）板上開辟一塊白色的注釋區(qū)，方便用做標(biāo)記。 （ 1） MC9S12XS128單片機(jī) PWM模塊 PWM 調(diào)制波有 8個(gè)輸出通道，每一個(gè)輸出通道都可以獨(dú)立的進(jìn)行輸出。每一個(gè)輸出通道都有一個(gè)精確的計(jì)數(shù)器（計(jì)算脈沖的個(gè)數(shù)），一個(gè)周期控制寄存器和兩個(gè)可供選擇的時(shí)鐘源。每一個(gè) PWM 輸出通道都能調(diào)制出占空比從 0— 100%變化的波形。 PWM 的主要特點(diǎn)有： 8個(gè)獨(dú)立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期。 。 PWM 輸出使能都可以由編程來控制。 輸出波形的翻轉(zhuǎn)控制可以通過編程來實(shí)現(xiàn)。 。當(dāng)通道關(guān)閉或 PWM 計(jì)數(shù)器為 0 時(shí)，改變周期和脈寬才起作用。 16字節(jié)的通道協(xié)議。 4個(gè)時(shí)鐘源可供選擇（ A、 SA、 B、 SB），他們提供了一個(gè)寬范圍的時(shí)鐘頻率。 。 。 。 （ 2） MC9S12XS128單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換模塊 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 52 頁 A/D模塊功能結(jié)構(gòu) 如 圖 ： 圖 A/D模塊功能結(jié)構(gòu)圖 圖中所示的是 A/D模塊的功能結(jié)構(gòu)，這個(gè)功能模塊被虛線劃分成為圖示所示的虛線所隔離的二個(gè)部分 :IP總線接口、轉(zhuǎn)換模式控制 /寄存器列表，自定義模擬量。 IP總線接口負(fù)責(zé)該模塊與總線的連接，實(shí)現(xiàn) A/D模塊和通用 I/O的目的，還起到分頻的作用； 轉(zhuǎn)換模式控制寄存器列表中有控制該模塊的所有的寄存器，執(zhí)行左右對(duì)齊運(yùn)行和連續(xù)掃描 。 自定義模擬量負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。包括了執(zhí)行一次簡單轉(zhuǎn)換所需的模擬量和數(shù)字量。 （ 3） MC9S12XS128單片機(jī) PIT模塊 PIT模塊為 MC9S12XS128單片機(jī) 定時(shí)器模塊，具體結(jié)構(gòu)圖如圖 。 圖 PIT模塊功能結(jié)構(gòu)圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 52 頁 基于單片機(jī)的舵機(jī)控制方法具有簡單、精度高、成本低、體積小的特點(diǎn)，并可根據(jù)不同的舵機(jī)數(shù)量加以靈活應(yīng)用。在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和 輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。 本系統(tǒng)中舵機(jī)的主要作用是調(diào)整傳感器的位置，指向光源。我們選的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)是 MG995，扭矩： 13kg，使用溫度： 3060攝氏度，死區(qū)設(shè)定： 4微秒，工作電壓： ，重量 62g，外形尺寸（ 40*20*） mm。 圖 圖 舵機(jī)信號(hào)線示意圖 圖 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路 ，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 ，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是 PWM 信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。圖 。 圖 舵機(jī)轉(zhuǎn)角圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 52 頁 光敏電阻又稱 光導(dǎo)管 ，常用的制作材料為 硫化鎘 ，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定 波長 的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向 電源 的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使 光敏電阻器 的阻值迅速下降。 因?yàn)閭鞲衅鳈z測到的信號(hào)是比較微弱的，單片機(jī)不好處理，為了使單片機(jī)更好更方便的處理檢測到的微弱信號(hào)，我們需要將信號(hào) 放大然后送給單片機(jī)處理。在本系統(tǒng)中我們選擇的是信號(hào)放大器LM324。 LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。 每一組運(yùn)算放大器可用圖 所示的符號(hào)來表示，它有 5個(gè)引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“ V+”、“ V”為正、負(fù)電源端，“ Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 LM324的引腳排列見圖 。 圖 運(yùn)算放大器 圖 LM324 引腳圖 由于 LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 （ 1） 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中用的電壓是 5V。所以我們用下面的轉(zhuǎn)換電路為系統(tǒng)各元件提供電源。電路圖如下圖 所示。 圖 電源轉(zhuǎn)換電路 （ 2） 信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì) 光敏電阻采集到光信號(hào)后，使整個(gè)電路導(dǎo)通，再通過運(yùn)算放大器 LM324將微弱的電流信號(hào)放大，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 52 頁 從而使單片機(jī) MC9S12XS128更好的處理信號(hào) 。電路圖如下圖 ： 圖 信號(hào)采集電 路 （ 3） 系統(tǒng)原理圖 光照強(qiáng)度采集電路由光敏電阻傳感器和 S12 單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成，光敏電阻將光照強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并送入 S12單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號(hào)可變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。最終使傳感器模塊跟蹤指向光源方向，達(dá)到光源跟蹤的效果。原理圖見附錄 A，單片機(jī)最小系統(tǒng)板 PCB原理圖見附錄 D。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 52 頁 4． 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)利用 MC9S12XS128的 PIT 定時(shí)器模塊，定時(shí) 5ms采樣一次 傳感器信號(hào)，將采樣結(jié)果存入數(shù)組，十次采樣，也就是 50ms后，再將數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，多次采樣有助于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，降低甚至消除系統(tǒng)誤差、錯(cuò)誤的出現(xiàn)。具體濾波方法如下： （ 1） 將四個(gè)傳感器經(jīng)一個(gè)采樣周期（ 50ms）所采集的四個(gè)數(shù)組內(nèi)的值分別進(jìn)行排序； （ 2） 將排序結(jié)果取其最小的三個(gè)數(shù)據(jù)，最大的三個(gè)數(shù)據(jù)，保留中間的四個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算； （ 3） 將保留下的四個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，其結(jié)果用于后續(xù)運(yùn)算。 （ 4） 由于傳感器精度的限制，直接將以上所得的值運(yùn)算誤差很大，但每個(gè)傳感器的變化率卻十分的接近，因此采用相連續(xù)的 兩次以上所得值相減后的差，也就是變化量進(jìn)行真正的運(yùn)算； 根據(jù)傳感器的排布（四個(gè)傳感器排布見附錄 B），易得當(dāng)上面兩個(gè)傳感器的變化量之和大于下面兩個(gè)傳感器的變化量之和時(shí)，光源位于傳感器上方，傳感器應(yīng)向上移動(dòng)，當(dāng)下面兩個(gè)傳感器的變化量之和大于下面兩個(gè)傳感器的變化量之和時(shí)，光源位于傳感器下方，傳感器應(yīng)向下移動(dòng)。同理，當(dāng)左邊兩個(gè)傳感器的變化量之和大于右邊兩個(gè)傳感器的變化量之和時(shí)，光源位于傳感器左邊，傳感器應(yīng)向左移動(dòng)，當(dāng)右邊兩個(gè)傳感器的變化量之和大于左邊兩個(gè)傳感器的變化量之和時(shí)，光源位于傳感器右方，傳感器應(yīng)向右移動(dòng)。 當(dāng)四個(gè)傳感器測得的變化量之和大于某一個(gè)值時(shí)，說明光源正在遠(yuǎn)離傳感器，這時(shí)應(yīng)該使傳感器趨向光源正向運(yùn)動(dòng)，同理，當(dāng)四個(gè)傳感器測得的變化量之和小于某一個(gè)值時(shí)，說明光源正在靠近傳感器，這時(shí)應(yīng)該使傳感器背離光源運(yùn)動(dòng)。 流程圖如圖 。 系統(tǒng)首先對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行初始化，然后 通過傳感器模塊采集現(xiàn)場光強(qiáng)，送入 S12 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)加權(quán)、濾波算法運(yùn)算后，將結(jié)果送入主程序參與相關(guān)運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果通過四路十六位 PWM 模塊輸出，控制四臺(tái)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到使傳感器模塊始終趨向于光源的目的。 參數(shù)設(shè)定完畢之后打開中斷，最 后循環(huán)執(zhí)行位置控制程序。 初始化 包括鎖相環(huán)初始化， I/O端口初始化，四路 PWM初始化， PIT定時(shí)器初始化， A/D模塊初始化， 鎖相環(huán)初始化為 64MHz； PORTB口因硬件接了八個(gè) LED燈，所以用 PORTB口顯示傳感器的具體狀態(tài)； PWM模塊初始化為四路兩兩級(jí)聯(lián)的十六位精度的 PWM輸出； PIT初始化為 5ms中斷，傳感器信號(hào)的采集在中斷中進(jìn)行； A/D初始化為四路十二位精度，用以檢測光敏電阻的信號(hào)； PID模塊由軟件構(gòu)成，運(yùn)用 PD增量式對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并以 PWM波的形式輸出，用以控制四臺(tái)舵機(jī)的 動(dòng)作。 模塊 MCU的支撐電路一般需要外部時(shí)鐘來給 MCU提供時(shí)鐘信號(hào)，而外部時(shí)鐘的頻率可能偏低，為了 使系統(tǒng)更加快速穩(wěn)定運(yùn)行，需要提升系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘頻率。這就得用到鎖相環(huán)了。例如 MCU用的外部晶振是 16M 的無源晶振，則可以通過鎖相環(huán) PLL 把系統(tǒng)時(shí)鐘倍頻到 64M，從而給系統(tǒng)提供更高的時(shí)鐘信號(hào)，提高程序的運(yùn)行速度。 51單片機(jī)， AVR單片機(jī)內(nèi)部沒有鎖相環(huán)電路，其系統(tǒng)時(shí)鐘直接由外部晶振提供。而 MC9S12XS128 單片機(jī)內(nèi)部集成了鎖相環(huán)電路，其系統(tǒng)時(shí)鐘既可由外部晶振直接提供，也可以通過鎖相 環(huán)倍頻后提供，當(dāng)然，還有由 XS128 內(nèi)部的時(shí)鐘電路來提供（當(dāng)其它來源提供的系統(tǒng)時(shí)鐘不穩(wěn)定時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘電路就起作用了，也就是自時(shí)鐘模式）。 在程序中配置鎖相環(huán)的步驟如下： （ 1） 禁止總中斷； （ 2） 寄存器 CLKSEL的第七位置 0，即 CLKSEL_PLLSEL=0。選擇時(shí)鐘源為外部晶振 OSCCLK，在PLL程序執(zhí)行前，內(nèi)部總線頻率為 OSCCLK/2。 CLKSEL_PLLSEL=0時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘由外部晶振直接提供，系統(tǒng)內(nèi)部總線頻率 =OSCCLK/2（ OSCCLK為外部晶振頻率）。 CLKSEL_PLLSEL=1時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘由鎖相環(huán)提供，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部總線頻率 =PLLCLK/2 （ PLLCLK為鎖相環(huán)倍 頻后的頻率）。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 52 頁 （ 3） 禁止鎖相環(huán) PLL，即 PLLCTL_PLLON=0。當(dāng) PLLCTL_PLLON=0 時(shí)，關(guān)閉 PLL 電路。當(dāng)PLLCTL_PLLON=1時(shí)，打開 PLL電路。 （ 4） 根據(jù)想要的時(shí)鐘頻率設(shè)置 SYNR和 REFDV兩個(gè)寄存器。 SYNR和 REFDV兩個(gè)寄存器專用于鎖相環(huán)時(shí)鐘 PLLCLK的頻率計(jì)算，計(jì)算公式是 PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1)，其中， PLLCLK為 PLL模塊輸出 的時(shí)鐘頻率； OSCCLK為晶振頻率； SYNR、 REFDV分別為寄存器 SYNR、 REFDV中的值。這兩個(gè)寄存器只有在 PLLSEL=0時(shí)才能夠?qū)懭耄ㄟ@里就是第二步的設(shè)置原因所在了）。 （ 5） 打開 PLL，即 PLLCTL_PLLON=