【文章內容簡介】 機械特性及調節(jié)特性線性好，且速度平穩(wěn)； （3）電機有很硬的負載特性且過載能力較大，可保證速度不受負載沖擊的影響；（4）響應速度快，可滿足復雜變化速度的情況；（5）可以長時間的處于停轉狀態(tài)而不會燒毀電機。 電機驅動電路電機驅動電路要求不僅能夠使電機在所需轉速轉動，而且要求能夠實現(xiàn)反轉的功能，所以需要使用H橋對電機驅動。H橋驅動電路因其形狀酷似英文字母H而得名，其電路包含4個三極管和一個電機，三極管位于H的4個垂直腿，電機則位于H的橫杠上。如要使電機轉動，就要使位于對角上的三極管導通，根據(jù)導通情況不同，電流會從左至右或從右至左的流過電機，從而達到對單片機的正反控制。通過調節(jié)電機導通的時間，達到控制電機轉速的目的，當無需電機轉動時，讓四個三極管都不導通即可。但需要注意的是同側三極管不能一起導通，否則會導致短路。4個三極管的安排應該是上面兩個位同種，下面兩個位另一種[20]。H橋示意圖如圖37所示。圖37 H橋驅動電路示意圖現(xiàn)在市場集成H橋電機驅動芯片有3388BTS7960等，因為小車電機內阻大約為430毫歐，而飛思卡爾公司的33886內部的每個MOSET導通電阻都在120毫歐以上，會大大增加電樞回路總電阻，導致直流電機轉速下降，驅動電路的效率也隨著降低，所以在本次設計中不采用33886芯片。選用BTS7960作為主控芯片。BTS7960是Novalithic系列的三個獨立芯片的一部分，它是一般用于電機驅動的大電流半橋集成芯片。其內部含有一個N溝道的低邊MOSFET、一個P溝道的高邊MOSFET和一個驅動IC，驅動IC具有電流診斷、邏輯電平輸入、斜率調節(jié)和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護等功能。BTS7960電源輸入為5～25V，通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅動電流可達43A。使用兩片BTS7960構成電機全橋驅動，一片就相當于一側的半橋。當INH引腳為高電平時，便可使能BTS7960，反之，芯片邊進入睡眠狀態(tài)，所以設計中將兩芯片的這一引腳連接在一起。將IN腳與單片機的PWM輸出口連接，當IN為高電平且INH為高電平時，高邊MOSET三極管導通，OUT引腳輸出高電平；當IN為低電平且INH為高電平時，低邊MOSET三極管導通，OUT引腳輸出為低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調節(jié)MOS管導通和關斷的時間，具有防電磁干擾的功能，該電阻越大則三極管延遲時間就越大，但開關變化率就會越小，綜合考慮開關變化率和死區(qū)時間，選取該電阻阻值為10K。由于電機在進行PWM調制時三極管開關速率較快，導致電路產(chǎn)生較大的紋波電壓，所以在電源與地之間連接一個470uF的電容。電機驅動電路如圖38所示。圖38 電機驅動電路圖中RRR5和R6為電路的限流電阻，起保護電路的作用，防止過大的感應電壓對芯片內部邏輯電路造成傷害，根據(jù)實驗選用阻值10K比較理想。IS引腳是電流檢測輸出引腳，正常情況下片內電流源與該引腳直接相連。 視頻采集電路 視頻采集模塊主要有攝像頭、視頻分離電路以及單片機AD模塊組成，攝像頭輸出的視頻信號，一路傳給分離電路，分離出相應的場行同步信號；一路傳給單片機AD口，便于有用信號的采集，即視頻信號是AD采集的基礎。 CCD攝像頭的工作原理攝像頭有彩色和黑白之分，因為本次設計利用攝像頭的目的是采集道路中心線和信號燈方向，所以只需提取畫面的灰度信息即可，而不需要知道其色彩信息，也就是說黑白攝像頭就可以滿足設計要求。攝像頭的主要組成部分有鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路。其最重要的部分是圖像傳感芯片，該芯片需要與外圍電路配合才能正常工作，單板就是圖像傳感芯片與外圍電路的總稱，單板上通常的三個端子是電源端、地端和視頻信號端，部分板子上還有一個音頻信號端。通常我們所見的攝像頭就是單板與鏡頭、外殼、引線和接頭組裝在一起而成的。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樣圖像上的點，當掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉換成與灰度成一一對應關系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體過程是攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號，該電壓信號的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當掃描完一行，視頻信號端就輸出一低于最低視頻信號電壓的電平，并保持一段時間，即緊接著每行圖像對應的電壓信號之后都會有一個電壓凹槽，此凹槽叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標志。因為攝像頭是隔行掃描的方式，所以攝像頭跳過一行后，就開始掃描新的一行，如此下去直到掃描完該場的視頻信號。之后就會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)，此區(qū)中有若干個復合消隱脈沖，在這些消隱脈沖中，有個脈沖遠寬于其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標志。場同步脈沖標志著新的一場的到來，但是場消隱區(qū)恰好跨在下一場的開始部分和上一場的結尾部分，只有等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號才真正到來[21]。攝像頭輸出信號如圖39所示。圖39 攝像頭視頻信號我國的電視標準為PAL制式，黑白視頻信號規(guī)定每幀圖像共625行，，有一些行要用作場消隱，是不包含視頻信號的，按照CCIR656標準規(guī)定的行編號方法，[22]。 攝像頭每秒掃描25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，奇場時只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時則只掃描偶數(shù)行，故每秒掃描50 場圖像，每行需要64微妙，但在實際測量中每行的時間為40微妙。經(jīng)示波器測試有效視頻信號的電壓范圍為2～3V。 視頻分離電路 為了提取出視頻電壓中的有用信號，首先要分離出信號中的行同步脈沖，消隱脈沖和場同步脈沖。現(xiàn)在進行分離的方法可以分為硬件和軟件兩種：軟件方法是直接通過單片機AD提取，因為行同步脈沖、消隱脈沖或場同步脈沖信號的電平低于視頻信號電壓，可以在軟件上設置一個電壓閥值，通過對采集信號判斷出各種同步信號；硬件方法是利用外部芯片提取出攝像頭信號的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖以供單片機作控制之用。因為單片機的速度有限，而一些脈沖的間隔時間又較短，為了減輕其處理負擔，這里采用了硬件的方法進行信號的處理，選用芯片LM1881作為電路核心，其和外圍電路構成的攝像頭圖像采集電路如圖310所示。圖310 攝像頭圖像采集電路如上圖所示CVBS引腳（即2腳）為視頻信號輸入端，在其之前接一個電容濾除雜波，與此同時視頻信號也接入單片機的AD0口；VSYNC引腳（即3腳）為場同步信號輸出端，與單片機輸入捕捉端口PT1連接，當攝像頭信號的場同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖剑话憔S持230us，然后重新變回高電平；CSYN引腳（即2腳）為行同步信號輸出端，與單片機輸入捕捉端口PT0連接，當信號中的行同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖?；ODD引腳為奇偶同步信號輸出端，當攝像頭信號處于奇場時，該端為高電平，當處于偶場時，為低電平。由此可知，不僅場同步信號可以作為換場的標志，ODD引腳也可作為信號與單片機PT1腳相連[23]。 舵機及舵機驅動電路本設計中使用舵機對小車前進方向控制，舵機是一種位置伺服的驅動器，可以用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，舵機是一種學名，它其實是一種伺服馬達。通常舵機有紅色、黑色和白色三個引出線，其中紅色引線是舵機的電源線，為電機提供工作電壓；黑線是地線；白色引線是舵機控制信號的輸入端。舵機的控制是智能車尋跡行走的關鍵，要求舵機驅動的轉向機構具有準確的角度控制和快速響應的能力。所用舵機接線如圖311所示。圖311 舵機接線圖單片機的PWM控制信號傳給舵機的紅色端口，通過占空比的不同來控制舵機的位置?？刂菩盘栍啥鏅C內部接收機的通道進入信號調制芯片，經(jīng)比較獲得直流偏置電壓。舵機內部含有一個基準電路，它可以產(chǎn)生周期為20ms，將電位器電壓與直流偏置電壓進行比較獲得電壓差輸出，最后電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動[24]。在這選用的舵機型號是S3010。由舵機的特性可知，在實際中PWM的周期也為20ms，舵機轉動的角度為0；，舵機向右打輪90度；，舵機向左打輪90度。由此可推導出舵機轉動角度與脈沖寬度的計算公式，如果要求舵機轉動X度，則脈沖高電平時間T的計算如式33所示。 （33）由上式可知舵機轉動1度時。一般舵機的位置等級有1024個，脈沖控制精度為2us（2ms/1024）。但在實際小車安裝硬件中，舵機的轉動范圍只有左右30度。 紅外對管電路 紅外線是光譜中波長從760至400微米的電磁波，其是不可見光線，人眼無法識別，紅外線可用于檢測的優(yōu)點是受其他光線影響較小。紅外對管是紅外線發(fā)射管和紅外線接受管或紅外線接收頭的總稱，其中紅外線接收管又可分為光電二極管和光電三極管，光電二極管是將光信號轉換為電信號，而光電三極管不僅將光信號轉換為電信號，又將其電流進行放大了。紅外接收管的工作原理是：紅外線接收管核心部件是一個特殊材料的PN結，在結構上與普通二極管相比有很大的改變，為了能夠更多更大面積的接受入射光線，紅外線接收管PN結面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結的結深很淺，一般小于1微米。紅外線接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。在沒有光照時，反向電流很?。ǎ?，稱為暗電流。在有紅外線光照時，攜帶能量的紅外線光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大，這種特性稱為光電導。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流[25]。如果外電路上存在負載，負載上的電壓信號就會隨之光強度的變化而變化。在本次實驗中選用的3個是NPN常開型紅外接收三極管，發(fā)射管是紅外發(fā)射二極管，其有效距離是50厘米。右側車庫接受管的信號引腳與單片機PT2口連接，左側車庫接受管的信號引腳與單片機PT3口連接，十字路口接收管的信號引線與單片機PT4口連接。紅外接受與單片機的連接如圖312所示。圖312 紅外接受管電路由紅外接受管的特性可知，在輸出和正極之間串連一個1K左右的上拉電阻可直接接單片機的IO口，當紅外接收管沒有檢測到信號時，其信號輸出端在上拉電阻的作用下呈現(xiàn)高電平；當有紅外信號射向接收管時，其輸出端呈現(xiàn)為低電平。第四章 軟件設計 主函數(shù)主函數(shù)是整個程序的入口，實現(xiàn)軟件功能的主體，這里主要完成的任務是對系統(tǒng)進行初始化及在不同條件下調用各種函數(shù)[26]。初始化程序包括參數(shù)初始化、鎖相環(huán)初始化、輸入捕捉初始化、定時初始化、PWM初始化以及AD初始化。通過輸入捕捉功能檢測單片機PT2口、PT3口和PT4口電平的高低變化，從而改變程序調用參數(shù)cx的數(shù)值，根據(jù)cx的大小決定主函數(shù)調用各子函數(shù)。當cx的值為0時，執(zhí)行自動循跡子程序，通過單片機內部AD對CCD攝像頭的數(shù)據(jù)采集，判斷出小車與中心黑線的偏差，將偏差送給舵機1子程序，調整小車的狀態(tài)；當cx的值為1時，說明小車已經(jīng)行駛到十字路口，同樣用AD將信號燈的數(shù)據(jù)采集出來，通過辨別信號燈的指向，確定小車的轉向。當cx的值為2時，說明智能車已經(jīng)行至車庫，則執(zhí)行入庫程序，這里主要利用單片機的定時器功能，通過定時來控制電機方向和舵機轉角，至此整個程序運行結束。主程序流程如圖41所示。圖41 主程序流程圖 初始化程序設計 鎖相環(huán)初始化設計單片機一般采用內部振蕩的方式為其提供時鐘源，振蕩器時鐘二分頻后作為MCU內部總線時鐘。如果想要系統(tǒng)有更加快速的運行速率，那么可以通過提高內部總線時鐘頻率的方法實現(xiàn)，但過高的外部時鐘容易受到干擾，同時其也會影響其他器件的正常工作。MC9S12XS128單片機內部集成了時鐘產(chǎn)生模塊，可利用外部穩(wěn)定的振蕩器頻率，鎖定內部更高的壓控振蕩器頻率作為系統(tǒng)時鐘，其鎖相環(huán)時鐘可達80MHz，即使內部總線時鐘達到40MHz[27]。與鎖相環(huán)相關的寄存器有時鐘分頻寄存器（REFDV）、時鐘合成寄存器（SYNR）、鎖相環(huán)控制寄存器、時鐘產(chǎn)生標志寄存器、時鐘后分頻寄存器以及時鐘選擇寄存器。其中后分頻寄存器用于設定?VCOCLK與?PLLCLK之間的頻率比例，一般比例為1，?VCOCLK為內部壓控振蕩器頻率，?PLLCLK為鎖相環(huán)時鐘頻率；時鐘選擇寄存器用于控制總線時鐘的選擇，這里選擇鎖相環(huán)時鐘頻率的二分頻作為內部總線的時鐘；鎖相環(huán)控制寄存器用于確定鎖相環(huán)的功能；時鐘分頻寄存器和時鐘合成寄存器用于確定鎖相環(huán)與內部總線的時鐘頻率，內部總線時鐘頻率?BUSCLK的計算方法入式41所示。?BUSCLK=?PLLCLK/2=?VCOCLK/2=?OSCCLK?(SYNR+1)/(REFDV+1) （41）上式中?OSCCLK為外部振蕩器的頻率，即?OSCCLK等于16MHz；REFDV的值由時鐘分頻寄存器的后5位確定，為了使鎖相環(huán)穩(wěn)定，應該選擇盡可能大的REFDV，綜合考慮到其他因素，程序中設置其值為1；SYNR的值由時鐘合成寄存器的后5位決定，設計中要求內部總線的時鐘頻率達到40MHz，所以這里設置時鐘合成寄存器的值為0x44，即SYNR的值為4。 TIM模塊初始化設計MC9S12XS128單片機內部設置有定時器TIM模塊，其全稱是Timer Module，這部分可以完成輸入捕捉、輸出比較和脈沖累加等功能，可用于測量輸入波形、產(chǎn)生輸出波形、統(tǒng)計脈沖或邊沿個數(shù)，還可用于作為時間基準使用。TIM模塊的主要組成部分有1個16位自由運行計數(shù)器、1個16位脈沖累加器和8個16位輸入捕捉/輸出比較通道，通過可編程預分頻器為其提供時鐘源[28]。這里使用的是TIM模塊的輸入捕捉功能，輸入捕捉功能是通過捕捉16位自由運行計數(shù)器的計算值來檢測外部事件和輸入變化的。捕捉端口PTO用于檢測視頻的行同步信號，捕捉端口PT1用于檢測視頻的場同步信號，捕捉端口PT2用于檢測交叉口的對管信息，捕捉端口PT3用于檢測右車庫信息，捕捉端口PT4用于檢測左車庫信息。與輸入捕捉功能相關的寄存器有定時器系統(tǒng)控制寄存器1（TSCR1）、定時器輸入捕捉/輸出比較選擇寄存器（TIOS）、定時器控制寄存器3（TCTL3）、