【文章內(nèi)容簡介】 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；（ 15）采用回流焊工藝，相對手工焊接質(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 PWM模塊 PWM 調(diào)制波有 8個輸出通道，每一個輸出通道都可以獨立的進行輸出。每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖的個數(shù)），一個周期控制寄存器和兩個可供選擇的時鐘源。每一個 PWM 輸出通道都能調(diào)制出占空比從 0— 100%變化的波形。 PWM 的主要特點有： 8個獨立的輸出通道，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現(xiàn)。 。當(dāng)通道 關(guān)閉或 PWM 計數(shù)器為 0 時，改變周期和脈寬才起作用。 16字節(jié)的通道協(xié)議。 4個時鐘源可供選擇（ A、 SA、 B、 SB），他們提供了一個寬范圍的時鐘頻率。 。 。 。 （ 2） MC9S12XS128單片機 A/D轉(zhuǎn)換模塊 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 47 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)，這個功能模塊被虛線劃分成為圖示所示 的虛線所隔離的二個部分 :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)行左右對齊運行和連續(xù)掃描。 自定義模擬量負(fù)責(zé)實現(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 PIT模塊 PIT模塊為 MC9S12XS128單片機 定時器模塊，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 第 8 頁 共 47 頁 基于單片機的舵機控制方法具有簡單、精度高、成本低、體積小的特點，并可根據(jù)不同的舵機數(shù)量加以靈活應(yīng)用。在機器人機電控制系統(tǒng)中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與之接口。 本系統(tǒng)中舵機的主要作用是調(diào)整傳感器的位置，指向光源。我們選的是兩相混合式步進電機，型號是 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 舵機信號線示意圖 圖 舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，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：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(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)輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機停止轉(zhuǎn)動。舵機的控制信號是 PWM 信 號，利用占空比的變化改變舵機的位置。圖 。 圖 舵機轉(zhuǎn)角圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 47 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動，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。 因為傳感器檢測到的信號是比較微弱的，單片機不好處理，為了使單片機更好更方便的處理檢測到的微弱信號，我們需要將信號 放大然后送給單片機處理。在本系統(tǒng)中我們選擇的是信號放大器LM324。 LM324是四運放集成電路，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算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。 每一組運算放大器可用圖 所示的符號來表示，它有 5個引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個信號輸入端，“ V+”、“ V”為正、 負(fù)電源端，“ Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo的信號與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 LM324的引腳排列見圖 。 圖 運算放大器 圖 LM324 引腳圖 由于 LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，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 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） 信號檢測電路設(shè)計 光敏電阻采集到光信號后，使整個電路導(dǎo)通，再通過運算放大器 LM324將微弱的電流信號放大，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 47 頁 從而使單片機 MC9S12XS128更好的處理信號。電路圖如下圖 ： 圖 信號采集電 路 （ 3） 系統(tǒng)原理圖 光照強度采集電路由光敏電阻傳感器和 S12 單片機最小系統(tǒng)等組成，光敏電阻將光照強度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并送入 S12單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊中進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號可變?yōu)閿?shù)字信號 ，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行處理。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 第 11 頁 共 47 頁 4． 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本系統(tǒng)利用 MC9S12XS128的 PIT 定時器模塊，定時 5ms采樣一次傳感器信號，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、錯誤的出現(xiàn)。具體濾波方法如下： （ 1） 將四個傳感器經(jīng)一個采樣周期（ 50ms）所采集的四個數(shù)組內(nèi)的值分別進行排序； （ 2） 將排序結(jié)果取其最小的三個數(shù)據(jù)，最大的三個數(shù)據(jù)，保留中間的四個數(shù)據(jù)進行后續(xù)運算； （ 3） 將保留下的四個數(shù)據(jù)進行累加，其結(jié)果用于后續(xù)運算。 （ 4） 由于傳感器精度的限制，直接將以上所得的值運算誤差很大，但每個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，也就是變化量進行真正的運算； 根據(jù)傳感器的排布（四個傳感器排布見附錄 B），易得當(dāng)上面兩個傳感器的變化量之和大于下面兩個傳感器的變化量之和時，光源位于傳感器上方，傳感器應(yīng)向上移動，當(dāng)下面兩個傳感器的變化量之和大于下面兩個傳感器的變化量之和時 ，光源位于傳感器下方，傳感器應(yīng)向下移動。同理，當(dāng)左邊兩個傳感器的變化量之和大于右邊兩個傳感器的變化量之和時，光源位于傳感器左邊，傳感器應(yīng)向左移動，當(dāng)右邊兩個傳感器的變化量之和大于左邊兩個傳感器的變化量之和時，光源位于傳感器右方，傳感器應(yīng)向右移動。 當(dāng)四個傳感器測得的變化量之和大于某一個值時，說明光源正在遠(yuǎn)離傳感器，這時應(yīng)該使傳感器趨向光源正向運動，同理，當(dāng)四個傳感器測得的變化量之和小于某一個值時，說明光源正在靠近傳感器，這時應(yīng)該使傳感器背離光源運動。 流程圖如圖 。 系統(tǒng)首先對各種設(shè)備進行初始化，然后 通過傳感器模塊采集現(xiàn)場光強，送入 S12 單片機 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)加權(quán)、濾波算法運算后，將結(jié)果送入主程序參與相關(guān)運算，最后將運算結(jié)果通過四路十六位 PWM 模塊輸出，控制四臺舵機的轉(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 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，傳感器信號的采集在中斷中進行； A/D初始化為四路十二位精度，用以檢測光敏電阻的信號； PID模塊由軟件構(gòu)成，運用 PD增量式對傳感器信號進行計算并以 PWM波的形式輸出，用以控制四臺舵機的動作。 模塊 MCU的支撐電路一般需要外部時鐘來給 MCU提供時鐘信號，而外部時鐘的頻率可能偏低，為了 使系統(tǒng)更加快速穩(wěn)定運行，需要提升系統(tǒng)所需要的時鐘頻率。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)時鐘倍頻到 64M，從而給系統(tǒng)提供更高的時鐘信號，提高程序的運行速度。 51單片機， AVR單片機內(nèi)部沒有鎖相環(huán)電路，其系統(tǒng)時鐘直接由外部晶振提供。而 MC9S12XS128 單片機內(nèi)部集成了鎖相環(huán)電路，其系統(tǒng)時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)部的時鐘電路來提供（當(dāng)其它來源提供的系統(tǒng)時鐘不穩(wěn)定時，內(nèi)部時鐘電路就起作用了，也就是自時鐘模式）。 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，系統(tǒng)時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，系統(tǒng)時鐘由鎖相環(huán)提供，此時系統(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 第 12 頁 共 47 頁 （ 3） 禁止鎖相環(huán) PLL，即 PLLCTL_PLLON=0。當(dāng) PLLCTL_PLLON=0 時，關(guān)閉 PLL 電路。當(dāng)PLLCTL_PLLON=1時，打開 PLL電路 。 （ 4） 根據(jù)想要的時鐘頻率設(shè)置 SYNR和 REFDV兩個寄存器。 SYNR和 REFDV兩個寄存器專用于鎖相環(huán)時鐘 PLLCLK的頻率計算，計算公式是 PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1)，其中， PLLCLK為 PLL模塊輸出的時鐘頻率； OSCCLK為晶振頻率； SYNR、 REFDV分別為寄存器 SYNR、 REFDV中的值。這兩個寄存器只有在 PLLSEL=0時才能夠?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=1。 （ 6） CRGFLG_LOCK位， 確定 PLL是否穩(wěn)定。當(dāng)鎖相環(huán) PLL電路輸出的頻率達(dá)到目標(biāo)頻率的足夠小的誤差范圍內(nèi)時， LOCK位置 1，此時說明 PLLCLK已經(jīng)穩(wěn)定，可以作為系統(tǒng)的時鐘了。該位在正常情況下為只讀位。 （ 7） PLLCLK穩(wěn)定后，允許鎖相環(huán)時鐘源 PLLCLK為系統(tǒng)提供時鐘，即 CLKSEL_PLLSEL=1。 到這里，鎖相環(huán)的設(shè)置就完畢了。 本設(shè)計中鎖相環(huán)初始化為 64MHz，此頻率足以應(yīng)付本設(shè)計中所需的信號采集，數(shù)據(jù)處理等。 因本系統(tǒng)為光源跟蹤所用，只需輸出相應(yīng)的 PWM 脈沖，輸入相應(yīng)的模擬信號，并且所使用的MC9S12XS128 最小系統(tǒng)板上集成有 PORTB 口（ 8 位） 8 個指示燈， 故在節(jié)約系統(tǒng)資源的前提下，只設(shè)置了單片機的 PORTB口用來顯示光源跟蹤裝置的相關(guān)狀態(tài)。 PWM 調(diào)制波有 8個輸出通道，每一個輸出通道都可以獨立的進行輸出。每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖的個數(shù)），一個周期控制寄存器和兩個可供選擇的時鐘源。每一個 PWM 輸出通道都能調(diào)制出占空比從 0— 100%變化的波形。 PWM 的主要特點有： (1)它有 8個獨立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期。 (2)每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器。 (3)每一個通道的 PWM 輸出使能都可以由編程來控制。 (4)PWM 輸出波形的翻轉(zhuǎn)控制可以通過編程來實現(xiàn)。 (5)周期和脈寬可以被雙緩沖。當(dāng)通道關(guān)閉或 PWM 計數(shù)器為 0 時，改變周期和脈寬才起作用。 (6)8字節(jié)或 16字節(jié)的通道協(xié)議。 (7)有 4個時鐘源可供選擇（ A、 SA、 B、 SB），他們提供了一個寬范圍的時鐘頻率。 (8)通過編程可以實現(xiàn)希望的時鐘周期。 (9)具有遇到緊急情況關(guān)閉程序的功能。 (10)每一個通道都可以通過編程實現(xiàn)左對齊輸出還是居中對齊輸出。 本 設(shè)計中用到四路兩兩級聯(lián)的十六位 PWM 波，分別一一控制四個舵機的動作。 根據(jù)設(shè)計思路， A/D 采樣周期設(shè)定為 5ms，采樣十次為一個循環(huán)，進行一次輸出，這就需要對PIT定時器模塊的掌握和使用。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)