【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 流波形如下圖：圖37 ZNCD1043啟動(dòng)時(shí)的電壓電流波形(2) 短路波形，電源電壓：8V，負(fù)載阻抗 歐姆，以下是波形，其中黃線為負(fù)載電壓波形，紫色為負(fù)載電流波形，藍(lán)色為報(bào)錯(cuò)輸出波形，可以看到模塊短路情況下開始周期的關(guān)斷輸出以防止模塊過熱燒壞，并且在報(bào)錯(cuò)輸出引腳輸出 高電平。ZNCD1043短路時(shí)的電壓電流波形如圖38所示：圖38 ZNCD1043短路時(shí)的電壓電流波形 舵機(jī)主要是用來控制智能車的運(yùn)動(dòng)方向，通過調(diào)節(jié)小車前輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來改變小車運(yùn)動(dòng)方向的。智能車的角度控制是通過單片機(jī)輸出 PWM 信號(hào)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制的，舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，能產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng) PWM 信號(hào)輸入到舵機(jī)時(shí)，舵機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)直流偏置電壓，此電壓與電位器的電壓比較，將獲得電壓差輸出，最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)單片機(jī)輸出一定占空比的 PWM 光電時(shí)，舵機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。舵機(jī)的轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系如圖39所示：圖39 舵機(jī)轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系 路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。我們組選擇的是光電組。傳感器的收發(fā)距離對(duì)于車子的前瞻性有著直接的影響。參考過往屆光電組的設(shè)計(jì)報(bào)告，發(fā)覺大多數(shù)采用的傳感器都是紅外傳感器，說明相對(duì)于超聲波傳感器等其他類型的傳感器還是有一定優(yōu)勢(shì)的，所以我們重點(diǎn)放在紅外傳感器的設(shè)計(jì)和測(cè)試，選取了不同廠家不同型號(hào)的紅外管來測(cè)試路徑識(shí)別的性能。對(duì)于紅外對(duì)管的選取和電路設(shè)計(jì)，我們作了幾個(gè)方案論證。方案一：通過38K載波發(fā)射和一體接收頭接收。優(yōu)點(diǎn)： 發(fā)射距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)：接收方向范圍過大（大于135度），不利于對(duì)道路黑線位置檢測(cè)，硬件軟件較復(fù)雜。方案二：一體化發(fā)射/接收管。優(yōu)點(diǎn)：硬件電路簡(jiǎn)單，方便；缺點(diǎn)：可以收發(fā)距離太近。方案三：二極管形式發(fā)射接收管。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射功率大，距離比一體化發(fā)射/接收管稍遠(yuǎn)；缺點(diǎn)：硬件電路稍復(fù)雜。最后經(jīng)過分析比較，我們決定采用第三種方案。紅外傳感器作為智能車上的“眼睛”，對(duì)小車的路徑識(shí)別起了決定性的作用。由于我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)的時(shí)候把紅外傳感器安裝與水平方向有一定傾角，因此我們也必須增大發(fā)射的功率才能使接收管接收到更多發(fā)射回來的光。下圖為反射式紅外傳感器電路原理圖圖310 紅外光電管檢測(cè)電路上圖為紅外光電管檢測(cè)電路主要用來獲取路徑信息，工作原理是左邊的發(fā)光二極管通電產(chǎn)生光源，根據(jù)跑道黑白顏色的不同，黑色跑道吸收光線，白色跑道反射光線的不同，由于黑色跑道吸收全部的光線，而使右邊的光敏三極管截止，使比較器LM339的同相輸入端為高電平接近5V，通過比較器LM339使輸出為1告知單片機(jī)MC9S12XS128，智能車現(xiàn)處在黑色位置上。白色跑道由于光線被反射使光敏三極管導(dǎo)通。從而使LM339同相輸入端為低電平接近零伏，通過比較器LM339使輸出為0告知單片機(jī)MC9S12XS128，智能車現(xiàn)處在白色位置上。這樣智能車就可以時(shí)刻獲取跑道的信息。為了實(shí)現(xiàn)小車的智能化，必須利用傳感器來采集跑道信息，再把車模運(yùn)動(dòng)的速度采集給單片機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速，實(shí)現(xiàn)車模的智能化。以下是測(cè)量速度方案的比較與選擇。方案一：利用霍爾傳感器和磁鋼測(cè)量速度：將霍爾傳感器和磁鋼分別安裝在車架和車軸的適當(dāng)位置，小車行駛時(shí)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，通過在單位時(shí)間對(duì)其計(jì)數(shù)可計(jì)算出車輛行駛的瞬時(shí)速度。優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路較簡(jiǎn)單，成本較低；缺點(diǎn)：對(duì)于磁鋼的安裝工藝要求較高；方案二：采用光電編碼器測(cè)量速度：利用安裝第五個(gè)輪子，通過第五個(gè)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，后輪每轉(zhuǎn)一圈，光電編碼器就會(huì)輸出一定的光電數(shù)，通過計(jì)算在一定時(shí)間內(nèi)編碼器輸出的光電數(shù)，就可以算出車子運(yùn)行的速度。優(yōu)點(diǎn)：精度高，安裝簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：成本較高；通過比較，采用霍爾傳感器測(cè)量速度，磁鋼如果粘的不穩(wěn)的話，車子速度太快磁鋼容易脫落，整個(gè)速度測(cè)量系統(tǒng)將產(chǎn)生很大誤差。而光電編碼器的測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比霍爾傳感器的精度高，而且采用光電編碼器測(cè)量車子速度，電路簡(jiǎn)單，安裝方便穩(wěn)定，適合車模的機(jī)械結(jié)構(gòu)，綜合考慮后決定采用光電編碼器來測(cè)量智能車的速度。速度傳感器的工作原理：此次設(shè)計(jì)用到的速度傳感器是光電編碼器。它是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。近10幾年來，發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光電編碼器可以定義為：一種通過光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置（角度）的檢測(cè)。典型的光電編碼器由碼盤（Disk）、檢測(cè)光柵（Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路）、機(jī)械部件等組成。一般來說，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對(duì)式以及復(fù)合式三大類。按編碼器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方式來分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運(yùn)動(dòng)可以借助機(jī)械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式都有利于使用直線式光電編碼器的場(chǎng)合才予使用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實(shí)現(xiàn)小型化，傳感長(zhǎng)度較長(zhǎng)，具有較長(zhǎng)的環(huán)境適用能力，因而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，此次設(shè)計(jì)用到的就是旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。也是目前應(yīng)用最多的傳感器。其工作原理是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與被測(cè)對(duì)象同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速。 單片機(jī)模塊主要負(fù)責(zé)道路的識(shí)別、獲取智能車的速度、輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制信號(hào)和算法的實(shí)現(xiàn)，通過串口驅(qū)動(dòng)電路中的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)可以利用異步通信協(xié)議與PC機(jī)通信。RS232電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過9芯串行口與PC進(jìn)行串口通信。單片機(jī)及外圍電路如圖311所示：圖311 單片機(jī)MC9S12XS128及外圍電路對(duì)于硬件電路部分，一定要做的足夠穩(wěn)定，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性占著至關(guān)重要的位置。而整個(gè)電路中，電源電路更加重要，特別是為單片機(jī)供電，一定要穩(wěn)定。不讓，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)的瞬間，或者舵機(jī)打角的時(shí)候，電機(jī)和舵機(jī)拉去很大的電流，這樣會(huì)使電池電壓瞬時(shí)拉到一個(gè)低電壓狀態(tài)，很可能會(huì)造成單片機(jī)供電不穩(wěn)，而使單片機(jī)復(fù)位。對(duì)于提高電源穩(wěn)定性，并上幾個(gè)電容當(dāng)然是好的，但是電容的最大電容量有限制。在整個(gè)主板上，既有數(shù)字部分，又有模擬部分，所以，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與主板的電路布局布線也有很大關(guān)系。為提高整板的穩(wěn)定性，自己設(shè)計(jì)電路，繪制 PCB 版圖，然后通過三氯化鐵腐蝕成板。在整個(gè)電路板的制作過程中，我們是先從總體上考慮電路布局，電路實(shí)現(xiàn)的功能，電路總體性能，然后再分模塊繪圖制作，最后通過排針排母，排線或者杜邦線連接在一起，整體構(gòu)架穩(wěn)定。第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)的基本原則是，首先考慮小車的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車的速度。智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)程序主要包括一個(gè)主體循環(huán)程序，增量式PID速度控制程序，中斷服務(wù)程序，循線控制算法程序，速度控制算法程序以及其他一些控制程序。作為此次設(shè)計(jì)所用到的處理器MC9S12XS128采用S12X V2 CPU內(nèi)核，可運(yùn)行在40MHz總線頻率上，帶有錯(cuò)誤校正功能（ECC）的、4KB至8KB DataFlash，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或程序存儲(chǔ)，可配置10或12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，支持控制區(qū)域網(wǎng)（CAN）、本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）和串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議模塊，帶有16位計(jì)數(shù)器、8通道定時(shí)器。這些卓越的性能，完全足夠滿足此次設(shè)計(jì)的要求。在本次制作中用到MC9S12XS128單片機(jī)硬件資源如表41所示。表41 控制模塊說明程序?qū)崿F(xiàn)的功能使用的模塊電機(jī)轉(zhuǎn)速控制PWM模塊舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制PWM模塊PID反饋光電計(jì)數(shù)定時(shí)器模塊，光電累加器人機(jī)交互SCI模塊光電傳感器信號(hào)處理普通I/O端口智能車的控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，人的思維很難想象車在行進(jìn)過程中所處的狀態(tài)，因此針對(duì)某個(gè)控制算法，如果在測(cè)試中出現(xiàn)問題，很難確定具體出在哪個(gè)環(huán)節(jié)。這樣，一個(gè)可以時(shí)時(shí)反映智能車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)就顯得非常必要了。監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以將智能車的采集信息，控制算法計(jì)算得到的控制信息以及其他調(diào)試時(shí)的有用信息發(fā)送到PC端，用于觀察、記錄，以便反復(fù)分析、改進(jìn)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)工作流程如下：智能車采集信息、控制信息224。RS232224。PC端數(shù)據(jù)處理軟件本智能車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序的主流程是：先完成單片機(jī)初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計(jì)時(shí)器模塊、定時(shí)中斷模塊初始化）之后，通過無限循環(huán)語(yǔ)句不斷地重復(fù)執(zhí)行路徑檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)處理程序、控制算法程序、舵機(jī)輸出及驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出程序。其中，定時(shí)中斷用于檢測(cè)小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。 主程序流程圖如圖41所示。 圖 41 小車主程序流程圖為了體現(xiàn)程序的系統(tǒng)性和連貫性，智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。各個(gè)模塊有相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，方便其它模塊調(diào)用，這樣，系統(tǒng)條理顯得清晰。主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、路徑數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、起跑線識(shí)別模塊，再有，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了串口調(diào)試模塊等。單片機(jī)的晶振是16MHz，MC9S12XS128在時(shí)鐘初始化后可以通過鎖相環(huán)將系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，可以提高單片機(jī)的工作頻率，從而提高單片機(jī)的運(yùn)行速度。在安全允許范圍內(nèi)，我們使用鎖相環(huán)超可倍頻到48MHZ。這里就用到了一些寄存器中的某些位，倍頻公式如下： （41）其中，OSCCLK_VALUE——系統(tǒng)的外部晶振；REFDV_VALUE——系統(tǒng)時(shí)鐘分頻系數(shù)SYNR_VALUE——倍頻系數(shù)SYNR=SYNR_VALUE，REFDV=REFDV_VALUE，SYNR、REFDV就是寄存器中的對(duì)應(yīng)位。void CLK_init(void){ //鎖相環(huán)24M SYNR=2。 REFDV=1。 //PLL=2*OSC*(SYNR+1)/(REFDV+1) while(!(CRGFLG amp。 0x08)){} //等待鎖相環(huán)穩(wěn)定 CLKSEL=CLKSEL_PLLSEL。 //設(shè)置總線時(shí)鐘為PLL/2｝可以看到，不論8位、16位還是32位單片機(jī)的最小系統(tǒng)都是通過異步串行口與人溝通的。使用串行通信接口SCI(Serial Communication Interface)通信是計(jì)算機(jī)與人對(duì)話最傳統(tǒng)、最基本的方法，異步通信接口也成為通用異步接受器/發(fā)送器UART(Universal Asynchronous Receiver/Tansmitter)。為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)利用串口通信接口SCI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。串口部分程序主要是初始化各寄存器，其中包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)格式、接受發(fā)送功能使能、設(shè)置接受模式等。以下是與串口有關(guān)的幾個(gè)初始化函數(shù):/**********串口初始化*************************/void SCIinit(void){ SCI1BD=208。 //32M總線 波特率9600SCI1CR1=0。SCI1CR2=0x2C。 //只允許接收中斷}/**********讀串口******************************/unsigned char Sci1Read(){unsigned char redata。while(SCI1SR1_RDRF!=1)。redata=SCI1DRL。return redata。}/**********寫串口******************************/void Sci1Write(unsigned char chSend){while(SCI1SR1_TC!=1)。while(SCI1SR1_TDRE!=1)。SCI1DRL=chSend。 } PWM初始化PWM(Pulse Width Modulation)即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制波是一種可用程序來控制波形占空比、周期、相位的波形。它在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、D/A變換等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。PWM模塊特點(diǎn)：R 8個(gè)帶周期占空比可程控的PWM獨(dú)立通道R 4個(gè)可程控選擇的時(shí)鐘源 R 每個(gè)PWM通道有專用的計(jì)數(shù)器 R PWM每個(gè)通道脈沖極性可以選擇 R 每個(gè)PWM通道可使能/禁止R 周期和占空比雙緩沖 R 每個(gè)通道有中心對(duì)齊和邊緣對(duì)齊方式 R 分辨率: 8位(8通道)，16位(4通道)R 帶中斷功能的緊急切斷 PWM在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)，一個(gè)是電機(jī)，另一個(gè)是舵機(jī)，而控制這兩個(gè)電機(jī)的PWM信號(hào)是經(jīng)過路徑識(shí)別和系統(tǒng)決策后給出的，這樣就能實(shí)現(xiàn)小車的循線跑。舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于控制非常重要，一方面可以通過修改PWM周期獲得。另一方面也可以通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)的響應(yīng)速度。而舵機(jī)的脈沖范圍，它對(duì)應(yīng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，在設(shè)置時(shí)一方面應(yīng)考慮到舵機(jī)的極限位置；另一方面還要考慮到車模轉(zhuǎn)向的極限。本設(shè)計(jì)中，通過測(cè)試找到了40度對(duì)應(yīng)的脈沖寬度。PWM初始化程序流程圖如圖42所示：圖42 PWM初始化流程圖具體程序如下：void pwminitial(void) { PWMCTL_CON01 =