【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 型車的后輪轉(zhuǎn)速。光電編碼器的固定如圖 310 所示（歐姆龍500p）。此處要注意的是，裝在光電編碼器上的齒輪個(gè)數(shù)不要太多，太多了就會(huì)降低檢測(cè)精度。我們用的齒輪是 17齒。配齒輪時(shí)還要注意模數(shù)這個(gè)參數(shù)，模數(shù)不匹配齒輪就會(huì)裝不上。裝齒輪時(shí)注意不要過(guò)緊也不要過(guò)松。第四章：硬件電路設(shè)計(jì)從最初進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)我們就既定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：可靠、高效、簡(jiǎn)潔，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。 可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要求，我們對(duì)電路設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)都進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)，做好各部分的接地、屏蔽、濾波等工作，將高速數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)，使本系統(tǒng)工作的可靠性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 高效是指本系統(tǒng)的性能要足夠強(qiáng)勁。我們主要是從以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)的： (1) 采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的比較器實(shí)現(xiàn)了圖像二值化的高速轉(zhuǎn)換，大大提高了圖像采集的分辨率； (2) 使用了由分立元件BTS7960制作的直流電動(dòng)機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的額定工作電流可以輕易達(dá)到100A以上，大大提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 簡(jiǎn)潔是指在滿足了可靠、高效的要求后，為了盡量減輕整車重量，降低模型車的重心位置，應(yīng)使電路設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)潔，盡量減少元器件使用數(shù)量，縮小電路板面積，使電路部分重量輕，易于安裝。我們?cè)趯?duì)電路進(jìn)行了詳細(xì)分析后，對(duì)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化，合理設(shè)計(jì)元件排列、電路走線，使本系統(tǒng)硬件電路部分輕量化指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。目前市面上常見(jiàn)的攝像頭主要有CCD和CMOS兩種：CCD攝像頭具有對(duì)比度高、動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)，但需要工作在12V電壓下，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)過(guò)于耗電，且圖像穩(wěn)定性不高；CMOS 攝像頭體積小，耗電量小，圖像穩(wěn)定性較高。因此，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證之后我們決定采用CMOS攝像頭。對(duì)于CMOS攝像頭分為數(shù)字和模擬兩種。在往屆比賽中，我們看到有不少參賽隊(duì)采用涉資攝像頭，本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，我們選用了OV7620進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)字?jǐn)z像頭的可行性進(jìn)行了論證。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)論：數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620可以直接輸出 8 路數(shù)字圖像信號(hào)，使主板硬件電路的簡(jiǎn)化成為可能，且能夠達(dá)到60幀/S的幀速率，能夠滿足要求?？紤]到智能車的實(shí)際速度控制對(duì)速度反饋信號(hào)波形要求不是太高，因此在滿足比賽要求的基礎(chǔ)上，我們使用了自制的光電編碼器來(lái)測(cè)速，從而盡量簡(jiǎn)化電路。我們實(shí)驗(yàn)室使用線切割在直徑為30mm 的圓盤(pán)周圍加工出100 個(gè)細(xì)縫，使用紅外光電對(duì)射管作為采集碼盤(pán)脈沖可鑒向的傳感器。雖然自制的光電編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是容易受到外部光線和灰塵的干擾，影響測(cè)速的精度。因此。碼盤(pán)內(nèi)部經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 智能車控制系統(tǒng)電路由三部分組成：MC9S12XS128 為核心的最小系統(tǒng)板、主板、ZLG7290鍵盤(pán)。最小系統(tǒng)板可以插在主板上，組成了信號(hào)采集、信號(hào)處理、電機(jī)控制、舵機(jī)控制單元。為了減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路帶來(lái)的電磁干擾，我們把控制單元部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分分開(kāi)來(lái)，排布在主板的兩端。 主板上集成了本系統(tǒng)的主要電路，它包括如下部件：電源穩(wěn)壓電路、最小系統(tǒng)板插座、攝像頭接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器模塊、鍵盤(pán)接口、LCD電路、撥碼開(kāi)關(guān)、指示燈等。單片機(jī)最小系統(tǒng)部分使用 MC9S12XS128 單片機(jī)，112 引腳封裝，為減少電路板空間，板上僅將本系統(tǒng)所用到的引腳引出，包括 PWM 接口，計(jì)數(shù)器接口，外部中斷接口，若干普通 IO 接口。其他部分還包括電源濾波電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、BDM 接口和 SPI接口。單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路原理圖如圖 。賽會(huì)指定的鎳鎘可充電電池的額定電壓為 ，實(shí)際調(diào)試中，我們發(fā)現(xiàn)其電壓實(shí)際值有時(shí)會(huì)達(dá)到8V 甚至于 8V以上。因此需要有性能優(yōu)越的抗干擾穩(wěn)壓芯片。 由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包括多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。并且單片機(jī)的電源好壞直接關(guān)系到單片機(jī)能否正常工作以至于整個(gè)系統(tǒng)的控制穩(wěn)定。我們?cè)跍y(cè)試了許多類型的穩(wěn)壓芯片之后覺(jué)得采用了性能優(yōu)異的LM2596（圖 ） 。它是一款微功耗低壓差線性電源芯片使用這個(gè)芯片。該芯片穩(wěn)定工作時(shí)所需要的外圍器件很少，使用方便。2596 的工作壓降很低，靜態(tài)電流也很小，散熱少，很適合這種情況下的使用。 LM2596驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案有 MOS 管，MC33886，BTS7960 三種主要的方案。MOS 管的搭建效率較高，驅(qū)動(dòng)電流很大，但是針對(duì)現(xiàn)有的雙電機(jī)情況，用 MOS 管搭建兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)較為復(fù)雜。MC33886 芯片的內(nèi)阻較大，發(fā)熱明顯，芯片較大引腳較多。我們最終采用了功能較為完善，性能穩(wěn)定的 BTS7960 芯片。原理圖如圖 。為保證 PWM信號(hào)的穩(wěn)定，我們使用了 74LS244 加強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定,原理圖如圖 。 BTS7960原理圖 74LS244電路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用兩片BTS7960并聯(lián)，一路PWM控制。基于上文提到的整體的布局，最終設(shè)計(jì)出穩(wěn)壓電路和驅(qū)動(dòng)電路一體板。 穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)一體板第五章：軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的軟件程序是智能車平穩(wěn)快速尋線的基礎(chǔ)。本智能車采用 CMOS 攝像頭作為尋線傳感器，圖像采集處理就成了整個(gè)軟件的核心內(nèi)容。在智能車的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，我們使用了魯棒性很好的經(jīng)典 PID 控制算法，配合使用理論計(jì)算和實(shí)際參數(shù)補(bǔ)償?shù)霓k法，使在尋線中的智能車達(dá)到了穩(wěn)定快速的效果。軟件系統(tǒng)部分主要包括：系統(tǒng)初始化、圖像采集、圖像處理、賽道判斷、舵機(jī)打角、電機(jī)控制以及速度反饋處理等。 軟件各功能模塊設(shè)計(jì) 時(shí)鐘模塊時(shí)鐘基本脈沖是CPU工作的基礎(chǔ)。MC9S12XS128微控制器的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，由時(shí)鐘振蕩電路或?qū)Ｓ脮r(shí)序脈沖信號(hào)提供。MCU內(nèi)部的所有時(shí)鐘信號(hào)都來(lái)源于EXTAL引腳，也為MUC與其他外接芯片之間的通信提供了可靠的同步時(shí)鐘信號(hào)。X12的總線時(shí)鐘是整個(gè)MCU系統(tǒng)的定時(shí)基準(zhǔn)和工作同步脈沖，其頻率固定為晶體頻率的1/2。 對(duì)于X12， 可以利用寄存器SYNR、 REFDV來(lái)改變晶振頻率fOSCCLK，可以選用8MHz或16MHz外部晶體振蕩器作外時(shí)鐘。對(duì) SYNR 和 REFDV 進(jìn)行設(shè)置，可以得到48MHz的總線頻率。 PWM輸出模塊MC9S12XS128集成了8路8位獨(dú)立PWM通道，通過(guò)相應(yīng)設(shè)置可變成4個(gè)16位PWM通道，每個(gè)通道都有專用的計(jì)數(shù)器，PWM輸出極性和對(duì)齊方式可選擇，8個(gè)通道分成兩組，共有4個(gè)時(shí)鐘源控制。PWM0、PWMPWMPWM5為一組，使用時(shí)鐘源ClockA和ClockSA；PWMPWMPWMPWM7構(gòu)成另一組，使用時(shí)鐘源ClockB和ClockSB。ClockA和ClockB均是由總線時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻后得到，分頻范圍1—128，通過(guò)寄存器PWMPRCLK來(lái)設(shè)置，ClockSA和ClockSB是分別通過(guò)ClockA和ClockB進(jìn)一步分頻后得到的，分頻范圍為1—512，分別通過(guò)寄存器PWMSCLA和PWMSCLB來(lái)設(shè)置，計(jì)算公式為：ClockSA=ClockA/（2*PWMSCLA）ClockSB=ClockB/（2*PWMSCLB）通過(guò)寄存器PWME來(lái)控制PWM0—PWM7的啟動(dòng)或關(guān)閉。為了提高精度，我們將PWM0和PWM1，PWM2和PWM3，PWM6和PWM7級(jí)聯(lián)，構(gòu)成16位的PWM通道，級(jí)聯(lián)時(shí)，2個(gè)通道的常數(shù)寄存器和計(jì)數(shù)器均連接成16位的寄存器， 3個(gè)16位通道的輸出分別使用通道1的輸出引腳，時(shí)鐘源分 別由通道1的時(shí)鐘選擇控制位決定。級(jí)聯(lián)時(shí)，通道1的引腳變成PWM輸出引腳，通道0的時(shí)鐘選擇沒(méi)有意義。但是通過(guò)PE模式設(shè)置就相當(dāng)方便了，不用再去寫(xiě)代碼控制寄存器，直接在窗口里面設(shè)置就可以了。 ECT模塊X12得ECT具有8個(gè)輸入（IC）捕捉/輸出(OC)比較通道，可以通過(guò)設(shè)置TIOS寄存器選擇輸入或輸出比較功能。ECT既可以作為一個(gè)時(shí)基定時(shí)產(chǎn)生中斷，也可以用來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)。 在PE模式里一樣很方便，將所用到的P7口添加進(jìn)來(lái)并做相應(yīng)的設(shè)置就可以了。通過(guò)ECT模塊，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，檢測(cè)智能車的速度，對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)控制。對(duì)于攝像頭圖像的采集我們需要用到兩個(gè)中斷，所以我們需要添加兩個(gè)中斷口到PE模式中來(lái)，對(duì)其捕捉脈沖的方式選擇、使能、端口的選擇進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好后編譯后便可直接使用。攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓值， 然后將此電壓值通過(guò)視頻信號(hào)端輸出。具體而言（參見(jiàn)圖 ） ，攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓視頻信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出低于最低視頻信號(hào)電壓的電平 （） ， 并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽” ，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過(guò)一行后（因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的方式） ，開(kāi)始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)，接著就會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū)。此區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖（簡(jiǎn)稱消隱脈沖） ，在這些消隱脈沖中，有個(gè)脈沖，它遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于）其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，