【文章內(nèi)容簡介】 MOSFET 管等組成。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖 ： 第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 6 圖 2. 1 智能車整體框圖 MC9S12xs128 單片機(jī)資源 使用 本次設(shè)計單片機(jī)的端口分配如表 。 表 單片機(jī)端口 PWM 模塊 PWM1 舵機(jī) PWM3,PWM5 電機(jī) ECT 模塊 PT7 速度傳感器 PT4PT7 撥碼開關(guān) 外部中斷 IRQ 行同步 串口通訊 RXD0 串口接收 TXD0 串口發(fā)送 無線通訊模塊 RXD1 無線接收 TXD1 無線發(fā)送 IO口 PM6 視頻選通信號 PA0 奇偶信號 7 第三章 硬件 的設(shè)計與實現(xiàn) 智能車需要設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分 ： 電源部分、電機(jī)驅(qū)動部分、測速 部分、舵機(jī)部分、圖像采集與處理部分、人機(jī)交互部分 。 電源模塊設(shè)計 此次設(shè)計具體需要設(shè)計的電源電路及實現(xiàn)方案如圖 所示。 圖 電源設(shè)計及具體供電模塊 5V 電源 本設(shè)計采用 LM2940 將電池電壓穩(wěn)壓到 5V ， LM2940 具有外圍電路簡單、轉(zhuǎn)換效率高，波形穩(wěn)定等特點 [8]。主要為單片機(jī)、 SD 卡、測速模塊、 PCB 板上芯片、無線通訊模塊等供電，電路圖 如圖 所示。第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 8 112233L M 29 40100uFC1C2100uFC3C4 1KR1L E D 1V I N VOUT 圖 3. 2 5V 穩(wěn)壓電源原理圖 6V 電源 6V 電源主要為舵機(jī)供電，采用摩托拉羅公司的低壓降，能夠線性調(diào)整輸出的 LM1117 芯片制作可調(diào)電源 [9]，具體電路圖如 圖 所示。 10uFC81uFC7220uFC622uFC51kR5adj1out2in3L M 1117l m 1117hua 1L E D 3VOUT V I N 圖 6V 穩(wěn)壓電路原理圖 CCD 升壓供電電路 CCD攝像頭需要 12V的工作電壓。本文設(shè)計中是使用 MC34063A搭建一個由 12V的升壓電路， MC34063A是單片雙極型線性集成電路，專用于直流 ―― 直流變換器控制部分，一個占空比周期控制振蕩器，驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān) ，能輸出 關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器，降壓式變換器和電源反向器。根據(jù)廠商提供的內(nèi)部原理圖和外圍器件參數(shù)計算公式（計算方式見附件），設(shè)計 MC34063A外圍電路 [10]。 第 三 章 硬件的設(shè)計與實現(xiàn) 9 圖 MC34063 內(nèi)部原理圖 經(jīng)過計算 (見附錄 5)符合攝像頭正常工作時候的升壓電路如 圖 。 L1120uhI N 58 1912V470uFC9 68 0P FC 10180R 11R 121KR8S W C1S W E2CT3GND4D R V8I P K7V C C6C M P R5M C 34 06 3L E D 3D i od ehu a 3V I N 圖 3. 4 DCDC 升壓電路圖 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計 競速比賽的 智能車 最關(guān)鍵的就是要有 強(qiáng)勁的驅(qū)動力 。這個 “ 驅(qū)動力 ” 不光包 括 通常所說的驅(qū)動電機(jī)，同時還包括一個強(qiáng)勁的電機(jī)驅(qū)動電路。由于比賽規(guī)則嚴(yán)禁改動更換驅(qū)動電機(jī)，故賽車動力的強(qiáng)勁與否便直接與驅(qū)動電路性能畫上了等號。優(yōu)秀的電機(jī)驅(qū)動電路，不但要能為賽車提供強(qiáng)大的動力 —— 這里的 動力包括了瞬間的加減速性能與持續(xù)的輸出能力，同時自身的功耗要小，能夠保證長時間大電流輸出的情況下 減少 升溫 且要穩(wěn)定持續(xù)工作 。 對于 PWM 調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動電路，主要有以下性能指標(biāo)： ：它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機(jī)。 第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 10 ：高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效 率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（ H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路）入手。 ：功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。 ：共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動。 ：電機(jī)驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負(fù)載，電路都是安全的。 結(jié)合以上，在實際制作過程中，主要采用了以下兩種方 案： 方案一 ：采用 MC33886 級聯(lián)組成驅(qū)動電路 該驅(qū)動芯片 MC33886 特性如下： 工作電壓： 540V 導(dǎo)通電阻： 120 毫歐姆 輸入信號： TTL/CMOS PWM 頻率： 10KHz 短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等； 圖 MC33886 芯片及引腳圖 采用兩片 MC33886組成的驅(qū)動電路如 圖 。 第 三 章 硬件的設(shè)計與實現(xiàn) 11 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 1 J un 20 09 S he e t o f F i l e : F : \智能車 V d b D r a w n B y :A G N D1FS2I N 13V+4V+5O U T 16O U T 17D N C8P G N D9P G N D10P G N D11P G N D12D213O U T 214O U T 215V+16C C P17D118I N 219D N C20M C 33 88 6A G N D1FS2I N 13V+4V+5O U T 16O U T 17D N C8P G N D9P G N D10P G N D11P G N D12D213O U T 214O U T 215V+16C C P17D118I N 219D N C20U2M C 33 88 6P W M 5P W M 7P W M 7P W M 5C C P 2C C P 1V S SG N DG N DO U T 1O U T 2O U T 1O U T 2D1D2D1D212V S S12V S SG N DO U T 1O U T 2C133n47 u F47uC C P 1 G N DG N DV S SR11kV C CC3 uV S S G N DG N DV C CP W M 5P W M 7D1D2123456R2 1kV C CC233nG N DC C P 2V S S 圖 3. 6 兩片 MC3386 級聯(lián) 第一次 采用的驅(qū)動方案是通過 兩片 并聯(lián) MC33886芯片來增強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動性能。但是這樣做往往由于電路設(shè)計的不合理，導(dǎo)致流過多片 33886 的電流不平均，出現(xiàn) “一片發(fā)燙，一片冰涼” 的現(xiàn)象，進(jìn)而影響整體的驅(qū)動性能。 方案二：采用 MOSFET搭建 H橋電路 鑒于 MC33886輸出電流有限，不能提供較為強(qiáng)勁的驅(qū)動力，我們專門獨(dú)立設(shè)計了采用 MOSFET搭建的采用 H橋驅(qū)動電路。 最終 選用 了 一款最大工作電流 16A ，采用 TO200封裝的 MOS 管來搭建 H 橋驅(qū)動。雖然 16A的電流較其他一些 50A甚至 100A的大型貼片 /直插 MOS在功率上遜色了一些，但是仍大大超過的 MC33886的 5A的最大工作電流，并且也能滿足賽車需要，關(guān)鍵是在保證驅(qū)動能力的情況下，重量體積大大減小。同時對驅(qū)動模塊采用了貼片化，布線密集化，電路板大面積覆銅覆錫等手段，最終保證了驅(qū)動模塊在正常運(yùn)行情況下 H 橋不會出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象（比賽正常情況下賽車的運(yùn)行時間不會太長）；在加減速性能得到提升的同時，不會出現(xiàn)應(yīng)劇烈加減速導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位現(xiàn)象，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。 MOS 管驅(qū)動器采 TD340。 TD340 芯片是 N 溝道功率 MOS 管驅(qū)動器，適合于直流電機(jī)控制。該器件內(nèi)集成有可 驅(qū)動 N 溝道高邊功率 MOS 管的電荷泵和內(nèi)部 PWM發(fā)生器，可進(jìn)行速度和方向控制而且功耗很低，同時具有過壓（ 20V） 欠壓（ ） 保護(hù)功能，以及反向電源有源保護(hù)功能。 TD340 內(nèi)含可調(diào)的頻率開關(guān)（ 025Khz） 及待機(jī)模式，且集成有看門狗和復(fù)位電路。除此之外， TD340 芯片還具有 H 橋直流電機(jī)部分和微控制器之間的必要接口，直流電機(jī)的速度和方向第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 12 可由外界輸入的信號給定 [11]。 以下是直流電機(jī) PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖及 TD340和 MOS管組成的 H橋驅(qū)動電路 圖、圖 。 圖 3. 7 直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)框圖 圖 由 TD340 和 MOS 管組成的 H 橋驅(qū)動電路 圖 的 MOS 管采用 STP30NE03L,它的優(yōu)點是開關(guān)速度快，通路電阻低和電壓門信號低，適合于大電流和低電壓運(yùn)行， TD340 用于構(gòu)成 PWM 發(fā)生器，功率放大電路是由 4個 MOSFET 管組成的 H橋電路。 電阻 R1R4 用于控制 MOS 門的升降時間，也有利于避免門電壓的震蕩，門電壓的震蕩通常與門電容處的連接線 的平行電感所引起的。 R1R4 的值通常為10100 歐，電容 C6 用于存儲能量并對通過電橋的電壓進(jìn)行濾波，在電壓上升和下降期間，為了保證系統(tǒng)的可靠性，可在兩個低端 MOS 管的門級各接一個下拉電阻以確保電橋保持關(guān)斷。 采用 Td340 和兩片 MC33886 驅(qū)動能力比較 ,如表 所示。 信號輸入 H 橋功率放大電路 直流電機(jī) 負(fù)載 TD340 第 三 章 硬件的設(shè)計與實現(xiàn) 13 表 用 MC33886 和 MOS 管驅(qū)動電路比較 方案 加速 減速 混合 穩(wěn)定 效率 33886*2 一般 一般 一般 很好 低 Mos 較好 好 好 較差 高 MOS 管數(shù)據(jù)測試全在高速下，但在速度較低情況下，加速性能并不 是很明顯，這次 MOS 管驅(qū)動電路只是個嘗試，和正式競速成績好的隊伍比較，還是有一定缺陷，而且驅(qū)動電路采用分立元件，穩(wěn)定性較差，且重量較重。以后設(shè)計中可以考慮采用集成的 MOS 管，采用多片加速和多片制動的混合策略。由于實驗條件有限，對兩種驅(qū) 動方案無法進(jìn)行定量比較，只能通過實際智能車行駛效果作出定性比較 。綜合考慮比較結(jié)果，本 設(shè)計的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由信號輸入電路、TD340 和 H橋電路組成。 測速模塊設(shè)計 為了使得賽車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，需要控制車速，使賽車在急轉(zhuǎn)彎時速度不至過快而沖出賽道。通過控制驅(qū)動電機(jī)上 的平均電壓可以控制車速，但是如果開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會受很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會造成賽車運(yùn)行不穩(wěn)定。通過速度檢測，對車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運(yùn)行得更穩(wěn)定。 車速檢測初次主要由紅外對管電路和后輪齒輪做編碼盤組成。紅外對管之間的紅外光束被編碼盤擋住時接收管截止，與接收管串聯(lián)的電阻電壓為邏輯 0，當(dāng)紅外光束通過編碼盤的孔時，接收管開通，與接收管串聯(lián)的電阻電壓為邏輯 1。通過輸出比較器定時 T中斷一次去讀取脈沖累加器 PACN32 的所得脈沖數(shù) N而得車速 V。 設(shè)后輪周長為 C、減速齒輪數(shù)為 n。 得車速公式： V=[(C247。 n) N]247。 T。 [13] 公式 31 本次用作測速的光電傳感器型號為 H42B6，在 5V 測試電壓下，上升沿時間和下降沿時間為 15ｕ s。這樣的向應(yīng)時間是夠用的，我們可以粗略估算一下：假設(shè)車速為 4m/s, 即 s/mm。后輪的周長為 170mm,碼盤等分 76*2=152。所以第四屆全國大學(xué)生智能汽車邀請賽技術(shù)報告 14 每等分為 170mm/152=。所以每個時間間隔為： 247。 s/mm＝ s。遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于 H42B6 的反應(yīng)時間。此部分的示意圖