【文章內容簡介】 0 μ ABCE00 圖 NPN 晶體管和 N溝道的 MOS 管 輸出特性曲線 利用 PNP 晶體管的恒流輸出電流晶體管可使用大功率雙極性晶體管，也可以使用功率 MOS 管。從電流設定穩(wěn)定性和恒流特性來看，使用功率雙極性晶體管更好。 MC9S12XS128 的特點 MC9S12XS128 微控制單元作為 MC9S12 系列的 16 位單片機，由標準片上外圍設備組成，包括 16 位中央處理器、 128KB 的 Flash 存儲器、 8KB 的 RAM、 2KB的 EEPROM、兩個湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 6 異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組 8 通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強型捕捉定時器、兩組 8 通道 10 路模數(shù)轉換器、一組 8通道脈寬調制模塊、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、 29 路獨立的數(shù)字 I/O 接口、 20 路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字 I/O 接口、 5個增強型 CAN 總線接口。同時，單片機內的鎖相 環(huán)電路可使能耗和性能適應具體操作的需要。 MC9S12XS128 片內資源表如圖 所示： 圖 MC9S12XS128 片內資源 在整個系統(tǒng)設計中，用到了 6個單片機基本功能模塊：時鐘模塊、 PWM 輸出模塊、ECT 模塊、中斷模塊、串口通信模塊以及普通 IO 模塊。根據(jù)系統(tǒng)實際需求，對各個模塊進行了初始化配置，通過對相應數(shù)據(jù)寄存器或狀態(tài)寄存器的讀寫，實現(xiàn)相應的功能。 Codewarrior 開發(fā)軟件 軟件開發(fā)工具采用 Metrowerks 公司開發(fā)的軟件集成開發(fā)環(huán)境 Codewarrior for HCS12 ]2[ ，其包括集成環(huán)境 IDE、處理器專家?guī)臁⑷酒抡?、可視化參?shù)顯示工具、項目工程管理器、 C 交叉編譯器、匯編器、鏈接器以及調試器，可以完成從源代碼編輯、編譯到調試的全部工作。 開發(fā)語言采用 HCS12C 語言，語法與標準 C 語言基本相同，支持多種數(shù)據(jù)類型，中斷服務程序用中斷函數(shù)形式來實現(xiàn)，并提供了內嵌匯編的功能。另外， CodeWarrior 編譯器提供了幾種從 C 源代碼產(chǎn)生實際匯編代碼的優(yōu)化方法，這些代碼被編程到微控制器中。 Codewarrior 的功能非常強 大，可用于絕大部分單片機、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。用戶可在新建工程時將芯片的類庫添加到集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中，工程文件一旦生成就是一個最小系統(tǒng)，用戶無需再進行繁瑣的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代碼。湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 7 圖 Codewarrior 的開發(fā)界面 ： 圖 Codewarrior 開發(fā)界面 利用 BDM 和 Codewarrior IDE 的調試界面，可以進行一系列的調試工作， 如測量左右傳感器電壓值，陀螺儀電壓值，以及加速度傳感器電壓值 給 靜態(tài) 調試 工作 提供了極大的方便。 串口調試軟件 串口調試助手，支持 常用的 300115200bps 波特率，能設置校驗、數(shù)據(jù)位和停止位，能以 ASCII 碼或十六進制接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)或字符（包括中文），可以任意設定自動發(fā)送周期 ,并能將接收數(shù)據(jù)保存成文本文件，能發(fā)送任意大小的文本文件。 目前較為常用的串口有 9針串口（ DB9）和 25針串口（ DB25），通信距離較近時 (12m)，可以用電纜線直接連接標準 RS232 端口 (RS422,RS485 較遠 )，若距離較遠，需附加調制解調（ MODEM）。最為簡單且常用的是三線制接法，即地、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連。 為了更好形象地反的數(shù)據(jù)，在 串口發(fā)送中每發(fā)送完一行就添加一個回車符，這樣得到的數(shù)據(jù)是每行的數(shù)據(jù)而不是連成一塊的， 如 圖 是串口 界面 圖 。 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 8 圖 串口調試助手界面 無線傳輸測試軟件 由于小車是動態(tài)運行的，為了實現(xiàn)動態(tài)測試，采用了以 NRF24L01 ]3[ 為核心的無線通信模塊，來實現(xiàn)單片機和 PC 之間的無線通信，將智能車形式的動態(tài)信息傳輸?shù)?PC 中進行處理，從而可以分析調整智能車的形式狀態(tài)，是智能車能以最優(yōu)的速度在復雜多變的賽道上穩(wěn)定快速的形式。 如圖 所示為智能車 NRF24L01 模塊 ： 圖 NRF24L01 無線通信模塊 MC9S12XS128 將智能車運行數(shù)據(jù)通過 SPI 接口傳輸給 NRF24L01 無線發(fā)送模塊，NRF24L01 無線接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過 SPI 接口傳輸給以 8 為單片機為主控制器數(shù)據(jù)接收端， 8位單片機將數(shù)據(jù)通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給 PC 機 ，整個過程如圖 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 9 所示： P C 機R S 2 3 2M C 9 S 1 2 X S 1 2 8N L F 2 4 0 1無 線 發(fā) 射模 塊N L F 2 4 0 1無 線 發(fā) 射模 塊S T C8 9 c 5 2S P IS P I無 線 鏈 路測 速 傳 感 器 圖 無線通信模塊框圖 labview 上位機軟件 labview ]4[ 軟件可以實時的顯 示左右傳感器的峰值，通過無線傳輸給 labview 顯示，可以方便的了解小車在運行過程中左右傳感器的變化情況。從而來進行相應的調整。我們編寫的上位機界面如圖 所示： 圖 labview 上位機界面 電磁檢測與放大電路 電磁檢測 采用 10mh 電感以及 電容構成 選頻電路如圖 所示 ： 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 10 圖 電磁檢測電路 仿真時輸入運放的電壓峰峰值為 300mv 圖形如 圖 所示 ： 圖 輸入信號（ vpp=300mv） 使用 10mh 工字型電感并 聯(lián) 電容組成選頻電路可以從許多頻率中選出賽道電源產(chǎn)生的頻率這樣可以為小車沿著賽道正確行使提供保證。 信號放大 增加有諧振電容之后，感應線圈兩端輸出感應 20KHz 電壓信號不僅幅度增加了，而湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 11 且其它干擾信號也非常小。這樣無論導線中的電流波形是否為正弦波，由于本身增加了諧振電容，所以除了基波信號之外的高次諧波均被濾波除掉，只有基波 20kHz 信號能夠發(fā)生諧振，輸出總是 20KHz 正弦波。為了能夠更加準確測量感應電容式的電壓，還需要將上述感應電壓進一步放大，一般情況下將電壓峰峰值放 大到 15V 左右，就可以進行幅度檢測，所以需要放大電路具有 100 倍左右的電壓增益（ 40db）。最簡單 的反向比例 ]5[ 運算電路如 圖 所示 ： 圖 簡單的反向比例運算電路 為了克服運放單電源供電的問題，我們在運放的同向輸入端加入 的電壓這樣運放的輸出交流信號是以 為基準，具體電路如圖 所示： 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 12 圖 采用的 信號放大 電路 LM358 的內部頻率補償?shù)洼斎肫鞯洼斎胧д{電壓和失調電流共模輸入電壓范圍寬，包括接 地差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍直流電壓增益高 (約 100dB) 單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V)；雙電源 (177。 一 177。15V) 低功耗電流，適合于電池供電輸出電壓擺幅大 (0 至 ) 使用軌到軌運放 lmv358，反向放大電路，通過調節(jié)滑動變阻器可以實現(xiàn) 0~50 倍的放大 。在此圖中我們在同向輸入端加入了 的參考電壓，此方法是交流信號放大，運放單電源供電的經(jīng)典方法。 單位增益頻帶寬 =輸入頻率 *放大倍數(shù)。此電路最大放大倍數(shù)等于 1M/20K=50。也就是最大可 以實現(xiàn) 50 倍的放大。運放放大后的波形輸出如圖 所示 ： 圖 放大后輸出（ vpp=） 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 13 檢波輸出電路 采用肖基特二極管 IN5819 以及電容電阻組成二倍壓檢波電路使得輸出直流電壓為輸入交流電壓成正比，這樣做的目的是有利于單片機進行信號采集節(jié)省單片機的寶貴資源檢波輸出電路如圖 所示： 圖 二倍壓檢波輸出 仿真時測量直流輸出電壓如 圖 所示 ： 圖 直流輸出電壓（ ） 用示波器交流檔測量紋波如圖 所示 ： 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 14 圖 測流檢波輸出紋波（ ） 電磁傳感器設計 框圖 如圖 所示 ： 圖 電磁模塊總圖 賽道電源硬件電路設計 電源技術指標要求 根據(jù)《競賽比賽細則》 ]6[ 附件三關于電磁組賽道說明， 20KHz 電源技術要求如下： （ 1）驅動賽道中心線下鋪設的 直徑的漆包線； （ 2）頻率范圍： 20K177。 2K； （ 3）電流范圍： 50150mA； 如 下圖 是賽道起跑區(qū)示意圖，在中心線鋪設有漆包線。 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 15 圖 競賽跑道起跑區(qū)示意圖 首先分析賽道鋪設銅線的電抗，從而得到電源輸出的電壓范圍。 我們按照普通的練習賽道總長度 50，使用直徑為 漆包線。在 30攝氏度下，銅線的電阻率大約為 /米。計算可以得到中心線的電阻大約為 歐姆。 按照導線電感量計算機公式 : ? ?nHdL ?????? ?? *L21。其中 L,d 的單位均為 cm?？梢杂嬎愠鲋睆綖?，長度 50 米的銅線電感量為 131 微亨。對應 20KHz 下，感抗約為 歐姆。 可以看出，線圈的電感量小于其電阻值。由于導線的電感量與鋪設的形狀有關系，上 述計算所得到的電感量不是準確數(shù)值。另外，我們可以在輸出時串接電容來抵消電感的感抗。所以估算電源電壓輸出范圍的時候，我們不再特別考慮線圈的電感對于電流的影響。 電源的組成 ： 電源電路包括振蕩電路、功率輸出電路、恒流控制電路以及電源等組成。如下圖 所示： 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 16 振 蕩 電 路 功 率 輸 出恒 流 控 制電 源調 節(jié)頻 率電 流控 制+ 5 V+ 1 2 V+ 5 VI b ≈ 1 0 0 m A5 0 u sM A X 1 2 V輸 出+ 1 2 V 圖 電源組成框圖 如上各分部功能可以采用不同的電路實現(xiàn)。下面分別給出各個電流的參加考設計方案。 震蕩電路 產(chǎn)生中心頻率為 20KHz 的對稱方波信號。為了滿足功率輸出電路的需要，一般輸出極性相反的信號?？梢允褂闷?通的 555 時基電路產(chǎn)生振蕩信號，也可以使用簡易的單片機產(chǎn)生振蕩信號。我們選擇的是 555。為了方便調試，信號頻率能夠在一定范圍內進行調整。 如圖 所示： 圖 555 時基震蕩電路 為了 產(chǎn)生電壓反向，頻率相同的方波使用頻率響應較快的三極管 1815 外加電阻電源來實現(xiàn) 如圖 所示： 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 17 圖 震蕩電路以及反向電路 如圖，由 555 定時器和外接元件 R R C 構成多諧振蕩器，腳 2與腳 6 直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過 R R2向 C 充電，以 及 C 通過 R2向放電端 CD 放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容 C在 2/3 VCC 和 1/3 VCC 之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對應的波形如圖 所示 ： 圖 多諧振蕩器的波形圖 輸出信號的時間參數(shù)是 ： 21 ww ttT ?? CRRtw )( 211 ?? CRtw 22 ? 其中 ， 1wt 為 VC 由 上ccV31升到ccV32所需的時間 ， 2wt 為電容 C放電所需的時間。 湖北師范學院機電與控制工程學院 2020 屆學士學位論文（設計） 18 555 電路要求 1R 與 2R 均應不小于 ?K1 ，但兩者之和應不大于 ? 。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性， 555 定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。 震蕩電路輸出波形如圖 所示 ： 圖 555產(chǎn)生的 20khz 方波信號 功率輸出電路 由 L298 構成的功率輸出電路 該電路 IN1， IN2 引腳接 555 直接輸出以及 555經(jīng)過反向器的輸出， 2,