【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電路原理如圖34所示。圖34 MC34063的電路原理圖振蕩器通過恒流源對(duì)外接在CT 管腳(3腳)上的定時(shí)電容不斷地充電和放電以產(chǎn)生振蕩波形。充電和放電時(shí)電流都是恒定的，振蕩器的振蕩頻率僅僅由外接定時(shí)電容的容量決定。在振蕩器對(duì)外部定時(shí)電容充電過程中，與門的C 輸入端為高電平，并且在比較器的輸入電平低于閾值電平時(shí)D 輸入端為高電平，此時(shí)C 和D輸入端都變成高電平，觸發(fā)器被置為高電平，輸出開關(guān)管導(dǎo)通。在振蕩器在定時(shí)電容放電期間，C 輸入端變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)器的R端變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)器被復(fù)位，觸發(fā)器的Q端變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)。電流限制通過檢測(cè)連接在VCC和5 腳之間電阻上的壓降來完成功能。當(dāng)檢測(cè)到7腳之間電阻上的電壓降接近超過300 mV 時(shí)，芯片將啟動(dòng)內(nèi)部過流保護(hù)功能，電流限制電路開始工作。實(shí)際設(shè)計(jì)的DCDC升壓電路如下圖35所示，升壓得到的12V電壓作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電源，該升壓電路采用大電流升壓控制，輸出電流能滿足電機(jī)所需的電流要求。圖35 DCDC升壓電路（） TPS7350Q穩(wěn)壓電路9S12XSMAA最小系統(tǒng)和OV7620攝像頭的供電電壓均為5V，由于單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，因此單片機(jī)供電電源的穩(wěn)定性尤其重要，并且考慮到單片機(jī)和攝像頭的額定電流較小，所以采用TPS7350Q搭建穩(wěn)壓電路專為9S12XSMAA最小系統(tǒng)和OV7620攝像頭進(jìn)行供電。[6]這樣既可以有效抑制電源紋波，又可以消除9S12XSMAA最小系統(tǒng)和OV7620攝像頭的供電電源與其他元件供電模塊之間產(chǎn)生干擾，保證其工作的穩(wěn)定性。圖36 TPS7350Q穩(wěn)壓電路（） LM2940穩(wěn)壓電路，正常工作電流為200mA，具有堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，堵轉(zhuǎn)電流為800mA，舵機(jī)在堵轉(zhuǎn)后3s開始啟用保護(hù)功能，降低電流，保護(hù)馬達(dá)和電板?？紤]到舵機(jī)的堵轉(zhuǎn)問題，本電路采用兩片LM2940芯片搭建兩個(gè)5V穩(wěn)壓電路。利用一個(gè)穩(wěn)壓電路專門用于舵機(jī)SD5供電，另一個(gè)5V穩(wěn)壓電路則用于給液晶、藍(lán)牙、撥碼開關(guān)等其他外設(shè)及芯片的供電。圖37 LM2940穩(wěn)壓電路（） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于智能車的速度控制有著至關(guān)重要的作用，較好的制動(dòng)能力和加速對(duì)于提高小車的速度有著很大的幫助。電機(jī)的速度與施加在電機(jī)上的電壓成正比，輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的電流成正比。因?yàn)樵谥悄苘囆旭傔^程中要改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用一個(gè)PWM（脈寬調(diào)制）方波，施加在直流電機(jī)上的PWM波的占空比對(duì)應(yīng)著智能車所需的速度，電機(jī)起到一個(gè)低通濾波器的作用，將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效的直流電平。PWM信號(hào)可以由9S12XSMAA單片機(jī)產(chǎn)生，用精準(zhǔn)的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且要優(yōu)化PWM信號(hào)的頻率，以防止電機(jī)抖動(dòng)。更換直流電機(jī)的電流方向，可以控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。智能車采用了540電機(jī)，該電機(jī)的工作電壓為12V。利用IR公司的MOS管IRLR783和MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR2104搭建了H橋驅(qū)動(dòng)電路。H橋驅(qū)動(dòng)電路主要包括4個(gè)MOS管和兩片MOS管驅(qū)動(dòng)芯片，MOS管具有內(nèi)阻小、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且方便加散熱片。MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)器件，使用N溝道增強(qiáng)型MOS管，其導(dǎo)通電阻小，當(dāng)柵極電壓大于源極電壓時(shí)MOS管導(dǎo)通。如圖38所示，要是電機(jī)M轉(zhuǎn)動(dòng)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)MOS管，根據(jù)不同的MOS管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或者從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。圖38 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)過Q1管從左至右流過電機(jī)，再由Q4流回到電源負(fù)極，此時(shí)電機(jī)將順指針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Q2管和Q3管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)過Q3管從右至左流過電機(jī)，再由Q2流回到電源負(fù)極，此時(shí)電機(jī)將逆指針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于9S12XSMAA單片機(jī)P口驅(qū)動(dòng)能力不夠大，所以要加MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR2104來驅(qū)動(dòng)MOS管。，最大允許連續(xù)源極電流為161A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)能滿足要求，并且IRLR7843具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。IR2104外接自舉電路，輸出驅(qū)動(dòng)電壓在10V到20V，具有剎車使能功能，能夠較好的保護(hù)，并且具有恰當(dāng)?shù)乃绤^(qū)，外接電路也較為簡(jiǎn)單。具體的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖39所示。圖39 實(shí)際H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 速度反饋模塊為了使智能車能夠平穩(wěn)的沿著賽道行駛，需要測(cè)試智能車的速度，同過測(cè)速模塊得到智能車的實(shí)際速度，將其與給定速度進(jìn)行比較，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車速度的控制，從而使智能車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)不會(huì)因?yàn)樗俣冗^快而沖出賽道。通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)中PWM信號(hào)的占空比來控制電機(jī)的平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速即控制智能車的車速。如果沒有測(cè)速模塊，開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)受到很多因素影響，如電機(jī)傳動(dòng)的摩擦力、道路摩擦力、電池電壓、前輪轉(zhuǎn)向角等。這些因素都會(huì)造成智能車運(yùn)行不穩(wěn)定。使用測(cè)速模塊后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車模速度的閉環(huán)反饋PID控制，就可以消除上述因素對(duì)智能車運(yùn)行所帶來的不利影響，是智能車運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定。檢測(cè)測(cè)速的方法有很多種，例如用測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)、反射式光電檢測(cè)、透射式光電檢測(cè)等。本次采用的是透射式光電編碼器，其內(nèi)部是光電對(duì)管加光柵碼盤構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖310所示。將編碼器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)軸與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，由旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，光源發(fā)出的光透過旋轉(zhuǎn)盤上的長(zhǎng)方形孔被受光元件接收，從而輸出脈沖信號(hào)。通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖310 光電編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 通過光電編碼器測(cè)量出智能車的車速，在軟件中編寫速度控制程序，通過改變PWM波的占空比來調(diào)節(jié)車速。第4章 智能車速度控制軟件設(shè)計(jì)第4章 智能車速度控制軟件設(shè)計(jì) 速度控制整體程序框架智能車速度控制系統(tǒng)的框架圖如圖41所示，9S12XSMAA單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，由單片機(jī)給電機(jī)一個(gè)給定速度即理論速度，建立模糊PID控制器，利用模糊PID控制器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即控制智能車的實(shí)際速度。再利用光電編碼器來測(cè)量智能車的實(shí)際車速，并將實(shí)際車速反饋給模糊PID控制器，形成閉環(huán)負(fù)反饋回路，根據(jù)實(shí)際車速與理論速度的偏差來調(diào)節(jié)由單片機(jī)P口輸出的PWM波的占空比，從而使智能能夠高速平穩(wěn)運(yùn)行。SD5舵機(jī)采用位置式PD控制，舵角控制器對(duì)理論舵角進(jìn)行處理得到舵角增量，通過PWM波傳給SD5舵機(jī)，舵機(jī)通過自帶的控制系統(tǒng)將舵角改變?yōu)榭刂浦?。圖41 控制系統(tǒng)框架圖 編譯開發(fā)環(huán)境CodeWarrior是完整的用于編程應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境。 采用CodeWarrior IDE，開發(fā)人員可以得益于采用各種處理器和平臺(tái)（從Motorola到TI到Intel）間的通用功能性。根據(jù)Gartner Dataquest的報(bào)告，CodeWarrior編譯器和調(diào)試器在商用嵌入式軟件開發(fā)工具的使用率方面排名第一。而這只是流行的CodeWarrior軟件開發(fā)工具中的兩個(gè)。 在整個(gè)開發(fā)調(diào)試過程中，除匯編語言開發(fā)的方式以外，使用Metrowerks公司為 MC9S12系列專門提供的全套開發(fā)工具（Metrowerks CodeWarrior IDE）。CodeWarrior是由Metrowerks 公司開發(fā)的專門面向Freescale所有DSP與MCU嵌入式應(yīng)用開發(fā)的一種軟件工具，它支持摩托羅拉匯編語言、C++語言和ANSI C語言。本系統(tǒng)在軟件開發(fā)過程中使用的是CodeWarrior 。其主要包括集成開發(fā)環(huán)境IDE、全芯片仿真、處理器專家、項(xiàng)目工程管理、可視化參數(shù)顯示工具、C交叉編譯器、專家生成系統(tǒng)、鏈接器、匯編器以及調(diào)試器。CodeWarrior IDE可以自動(dòng)地檢查代碼中的明顯錯(cuò)誤，它利用一個(gè)集成的調(diào)試器和編輯器來掃描代碼，從而找到并減少明顯的錯(cuò)誤，然后編譯并鏈接程序使計(jì)算機(jī)能夠理解并執(zhí)行編輯的程序。每個(gè)應(yīng)用程序都經(jīng)過了使用例如CodeWarrior這樣的開發(fā)工具進(jìn)行編碼、編譯、編輯、鏈接和調(diào)試的過程。其主界面如圖42所示。圖 42 CodeWarrior主界面 控制策略 智能車的車速主要采用增量式PID控制和位置式PD控制，將模糊控制與PID控制相結(jié)合，使智能車能夠在賽道上平穩(wěn)快速的行駛。 經(jīng)典PID控制介紹在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能通過有效的測(cè)量手段來獲取即不能得到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值之間形成偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。[7] PID控制原理圖如下圖43所示。圖43 PID控制器原理框架圖單位反饋e代表理想輸入與實(shí)際輸出的偏差，將偏差信號(hào)e送入控制器，控制器算出偏差信號(hào)e的微分值和積分值，將計(jì)算出來的微分值和積分值與原來的誤差信號(hào)e進(jìn)行線性組合，得到輸出量u。計(jì)算公式如公式（41）所示。 （41） 其中Kp、Ki、Kd分別成為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)；r(t)、 e(t) 、u(t)分別為控制器的輸入信號(hào)、偏差信號(hào)、輸出信號(hào)。在PID控制系統(tǒng)中，比例調(diào)節(jié)是最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)方式，它能夠快速、無滯后的是被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近，并且能及時(shí)克服擾動(dòng)干擾，一般增大比例系數(shù)Kp可以減小上升時(shí)間，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，并且比例系數(shù)Kp過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。微分控制能夠減少超調(diào)量，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，并且改善系統(tǒng)的瞬時(shí)響應(yīng)，微分控制能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，使信號(hào)產(chǎn)生90176。的相角超前，能在偏差信號(hào)變化不是很大之前