【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且速度平穩(wěn)； （3）電機(jī)有很硬的負(fù)載特性且過(guò)載能力較大，可保證速度不受負(fù)載沖擊的影響；（4）響應(yīng)速度快，可滿足復(fù)雜變化速度的情況；（5）可以長(zhǎng)時(shí)間的處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會(huì)燒毀電機(jī)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要求不僅能夠使電機(jī)在所需轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求能夠?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)的功能，所以需要使用H橋?qū)﹄姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。H橋驅(qū)動(dòng)電路因其形狀酷似英文字母H而得名，其電路包含4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，三極管位于H的4個(gè)垂直腿，電機(jī)則位于H的橫杠上。如要使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，就要使位于對(duì)角上的三極管導(dǎo)通，根據(jù)導(dǎo)通情況不同，電流會(huì)從左至右或從右至左的流過(guò)電機(jī)，從而達(dá)到對(duì)單片機(jī)的正反控制。通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)導(dǎo)通的時(shí)間，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，當(dāng)無(wú)需電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，讓四個(gè)三極管都不導(dǎo)通即可。但需要注意的是同側(cè)三極管不能一起導(dǎo)通，否則會(huì)導(dǎo)致短路。4個(gè)三極管的安排應(yīng)該是上面兩個(gè)位同種，下面兩個(gè)位另一種[20]。H橋示意圖如圖37所示。圖37 H橋驅(qū)動(dòng)電路示意圖現(xiàn)在市場(chǎng)集成H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片有3388BTS7960等，因?yàn)樾≤囯姍C(jī)內(nèi)阻大約為430毫歐，而飛思卡爾公司的33886內(nèi)部的每個(gè)MOSET導(dǎo)通電阻都在120毫歐以上，會(huì)大大增加電樞回路總電阻，導(dǎo)致直流電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，驅(qū)動(dòng)電路的效率也隨著降低，所以在本次設(shè)計(jì)中不采用33886芯片。選用BTS7960作為主控芯片。BTS7960是Novalithic系列的三個(gè)獨(dú)立芯片的一部分，它是一般用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋集成芯片。其內(nèi)部含有一個(gè)N溝道的低邊MOSFET、一個(gè)P溝道的高邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC，驅(qū)動(dòng)IC具有電流診斷、邏輯電平輸入、斜率調(diào)節(jié)和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)等功能。BTS7960電源輸入為5～25V，通態(tài)電阻典型值為16mΩ，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43A。使用兩片BTS7960構(gòu)成電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)，一片就相當(dāng)于一側(cè)的半橋。當(dāng)INH引腳為高電平時(shí)，便可使能BTS7960，反之，芯片邊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)中將兩芯片的這一引腳連接在一起。將IN腳與單片機(jī)的PWM輸出口連接，當(dāng)IN為高電平且INH為高電平時(shí)，高邊MOSET三極管導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；當(dāng)IN為低電平且INH為高電平時(shí)，低邊MOSET三極管導(dǎo)通，OUT引腳輸出為低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能，該電阻越大則三極管延遲時(shí)間就越大，但開關(guān)變化率就會(huì)越小，綜合考慮開關(guān)變化率和死區(qū)時(shí)間，選取該電阻阻值為10K。由于電機(jī)在進(jìn)行PWM調(diào)制時(shí)三極管開關(guān)速率較快，導(dǎo)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(gè)470uF的電容。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖38所示。圖38 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖中RRR5和R6為電路的限流電阻，起保護(hù)電路的作用，防止過(guò)大的感應(yīng)電壓對(duì)芯片內(nèi)部邏輯電路造成傷害，根據(jù)實(shí)驗(yàn)選用阻值10K比較理想。IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳，正常情況下片內(nèi)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(jī)AD模塊組成，攝像頭輸出的視頻信號(hào)，一路傳給分離電路，分離出相應(yīng)的場(chǎng)行同步信號(hào)；一路傳給單片機(jī)AD口，便于有用信號(hào)的采集，即視頻信號(hào)是AD采集的基礎(chǔ)。 CCD攝像頭的工作原理攝像頭有彩色和黑白之分，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)利用攝像頭的目的是采集道路中心線和信號(hào)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(shuō)黑白攝像頭就可以滿足設(shè)計(jì)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(gè)端子是電源端、地端和視頻信號(hào)端，部分板子上還有一個(gè)音頻信號(hào)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(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。具體過(guò)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(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)端就輸出一低于最低視頻信號(hào)電壓的電平，并保持一段時(shí)間，即緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后都會(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。因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的方式，所以攝像頭跳過(guò)一行后，就開始掃描新的一行，如此下去直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)。之后就會(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，在這些消隱脈沖中，有個(gè)脈沖遠(yuǎn)寬于其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái)，但是場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在下一場(chǎng)的開始部分和上一場(chǎng)的結(jié)尾部分，只有等場(chǎng)消隱區(qū)過(guò)去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來(lái)[21]。攝像頭輸出信號(hào)如圖39所示。圖39 攝像頭視頻信號(hào)我國(guó)的電視標(biāo)準(zhǔn)為PAL制式，黑白視頻信號(hào)規(guī)定每幀圖像共625行，，有一些行要用作場(chǎng)消隱，是不包含視頻信號(hào)的，按照CCIR656標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行編號(hào)方法，[22]。 攝像頭每秒掃描25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場(chǎng)，先奇場(chǎng)后偶場(chǎng)，奇場(chǎng)時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場(chǎng)時(shí)則只掃描偶數(shù)行，故每秒掃描50 場(chǎng)圖像，每行需要64微妙，但在實(shí)際測(cè)量中每行的時(shí)間為40微妙。經(jīng)示波器測(cè)試有效視頻信號(hào)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(hào)，首先要分離出信號(hào)中的行同步脈沖，消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖?，F(xiàn)在進(jìn)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(guò)單片機(jī)AD提取，因?yàn)樾型矫}沖、消隱脈沖或場(chǎng)同步脈沖信號(hào)的電平低于視頻信號(hào)電壓，可以在軟件上設(shè)置一個(gè)電壓閥值，通過(guò)對(duì)采集信號(hào)判斷出各種同步信號(hào)；硬件方法是利用外部芯片提取出攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場(chǎng)同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的速度有限，而一些脈沖的間隔時(shí)間又較短，為了減輕其處理負(fù)擔(dān)，這里采用了硬件的方法進(jìn)行信號(hào)的處理，選用芯片LM1881作為電路核心，其和外圍電路構(gòu)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(hào)輸入端，在其之前接一個(gè)電容濾除雜波，與此同時(shí)視頻信號(hào)也接入單片機(jī)的AD0口；VSYNC引腳（即3腳）為場(chǎng)同步信號(hào)輸出端，與單片機(jī)輸入捕捉端口PT1連接，當(dāng)攝像頭信號(hào)的場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)，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(hào)輸出端，與單片機(jī)輸入捕捉端口PT0連接，當(dāng)信號(hào)中的行同步脈沖到來(lái)時(shí)，該端將變?yōu)榈碗娖?；ODD引腳為奇偶同步信號(hào)輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場(chǎng)時(shí)，該端為高電平，當(dāng)處于偶場(chǎng)時(shí)，為低電平。由此可知，不僅場(chǎng)同步信號(hào)可以作為換場(chǎng)的標(biāo)志，ODD引腳也可作為信號(hào)與單片機(jī)PT1腳相連[23]。 舵機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)中使用舵機(jī)對(duì)小車前進(jìn)方向控制，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)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(jī)是一種學(xué)名，它其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。通常舵機(jī)有紅色、黑色和白色三個(gè)引出線，其中紅色引線是舵機(jī)的電源線，為電機(jī)提供工作電壓；黑線是地線；白色引線是舵機(jī)控制信號(hào)的輸入端。舵機(jī)的控制是智能車尋跡行走的關(guān)鍵，要求舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有準(zhǔn)確的角度控制和快速響應(yīng)的能力。所用舵機(jī)接線如圖311所示。圖311 舵機(jī)接線圖單片機(jī)的PWM控制信號(hào)傳給舵機(jī)的紅色端口，通過(guò)占空比的不同來(lái)控制舵機(jī)的位置?？刂菩盘?hào)由舵機(jī)內(nèi)部接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，經(jīng)比較獲得直流偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部含有一個(gè)基準(zhǔn)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(jìn)行比較獲得電壓差輸出，最后電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[24]。在這選用的舵機(jī)型號(hào)是S3010。由舵機(jī)的特性可知，在實(shí)際中PWM的周期也為20ms，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為0；，舵機(jī)向右打輪90度；，舵機(jī)向左打輪90度。由此可推導(dǎo)出舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與脈沖寬度的計(jì)算公式，如果要求舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)X度，則脈沖高電平時(shí)間T的計(jì)算如式33所示。 （33）由上式可知舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1度時(shí)。一般舵機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè)，脈沖控制精度為2us（2ms/1024）。但在實(shí)際小車安裝硬件中，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍只有左右30度。 紅外對(duì)管電路 紅外線是光譜中波長(zhǎng)從760至400微米的電磁波，其是不可見光線，人眼無(wú)法識(shí)別，紅外線可用于檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是受其他光線影響較小。紅外對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而光電三極管不僅將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，又將其電流進(jìn)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(gè)特殊材料的PN結(jié)，在結(jié)構(gòu)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(jié)面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結(jié)的結(jié)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(shí)，反向電流很?。ǎ?，稱為暗電流。在有紅外線光照時(shí)，攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大，這種特性稱為光電導(dǎo)。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(fù)載，負(fù)載上的電壓信號(hào)就會(huì)隨之光強(qiáng)度的變化而變化。在本次實(shí)驗(yàn)中選用的3個(gè)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(cè)車庫(kù)接受管的信號(hào)引腳與單片機(jī)PT2口連接，左側(cè)車庫(kù)接受管的信號(hào)引腳與單片機(jī)PT3口連接，十字路口接收管的信號(hào)引線與單片機(jī)PT4口連接。紅外接受與單片機(jī)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(gè)1K左右的上拉電阻可直接接單片機(jī)的IO口，當(dāng)紅外接收管沒有檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，其信號(hào)輸出端在上拉電阻的作用下呈現(xiàn)高電平；當(dāng)有紅外信號(hào)射向接收管時(shí)，其輸出端呈現(xiàn)為低電平。第四章 軟件設(shè)計(jì) 主函數(shù)主函數(shù)是整個(gè)程序的入口，實(shí)現(xiàn)軟件功能的主體，這里主要完成的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化及在不同條件下調(diào)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(shí)初始化、PWM初始化以及AD初始化。通過(guò)輸入捕捉功能檢測(cè)單片機(jī)PT2口、PT3口和PT4口電平的高低變化，從而改變程序調(diào)用參數(shù)cx的數(shù)值，根據(jù)cx的大小決定主函數(shù)調(diào)用各子函數(shù)。當(dāng)cx的值為0時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)循跡子程序，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部AD對(duì)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(jī)1子程序，調(diào)整小車的狀態(tài)；當(dāng)cx的值為1時(shí)，說(shuō)明小車已經(jīng)行駛到十字路口，同樣用AD將信號(hào)燈的數(shù)據(jù)采集出來(lái)，通過(guò)辨別信號(hào)燈的指向，確定小車的轉(zhuǎn)向。當(dāng)cx的值為2時(shí)，說(shuō)明智能車已經(jīng)行至車庫(kù)，則執(zhí)行入庫(kù)程序，這里主要利用單片機(jī)的定時(shí)器功能，通過(guò)定時(shí)來(lái)控制電機(jī)方向和舵機(jī)轉(zhuǎn)角，至此整個(gè)程序運(yùn)行結(jié)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(shè)計(jì) 鎖相環(huán)初始化設(shè)計(jì)單片機(jī)一般采用內(nèi)部振蕩的方式為其提供時(shí)鐘源，振蕩器時(shí)鐘二分頻后作為MCU內(nèi)部總線時(shí)鐘。如果想要系統(tǒng)有更加快速的運(yùn)行速率，那么可以通過(guò)提高內(nèi)部總線時(shí)鐘頻率的方法實(shí)現(xiàn)，但過(guò)高的外部時(shí)鐘容易受到干擾，同時(shí)其也會(huì)影響其他器件的正常工作。MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部集成了時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，可利用外部穩(wěn)定的振蕩器頻率，鎖定內(nèi)部更高的壓控振蕩器頻率作為系統(tǒng)時(shí)鐘，其鎖相環(huán)時(shí)鐘可達(dá)80MHz，即使內(nèi)部總線時(shí)鐘達(dá)到40MHz[27]。與鎖相環(huán)相關(guān)的寄存器有時(shí)鐘分頻寄存器（REFDV）、時(shí)鐘合成寄存器（SYNR）、鎖相環(huán)控制寄存器、時(shí)鐘產(chǎn)生標(biāo)志寄存器、時(shí)鐘后分頻寄存器以及時(shí)鐘選擇寄存器。其中后分頻寄存器用于設(shè)定?VCOCLK與?PLLCLK之間的頻率比例，一般比例為1，?VCOCLK為內(nèi)部壓控振蕩器頻率，?PLLCLK為鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率；時(shí)鐘選擇寄存器用于控制總線時(shí)鐘的選擇，這里選擇鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率的二分頻作為內(nèi)部總線的時(shí)鐘；鎖相環(huán)控制寄存器用于確定鎖相環(huán)的功能；時(shí)鐘分頻寄存器和時(shí)鐘合成寄存器用于確定鎖相環(huán)與內(nèi)部總線的時(shí)鐘頻率，內(nèi)部總線時(shí)鐘頻率?BUSCLK的計(jì)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(shí)鐘分頻寄存器的后5位確定，為了使鎖相環(huán)穩(wěn)定，應(yīng)該選擇盡可能大的REFDV，綜合考慮到其他因素，程序中設(shè)置其值為1；SYNR的值由時(shí)鐘合成寄存器的后5位決定，設(shè)計(jì)中要求內(nèi)部總線的時(shí)鐘頻率達(dá)到40MHz，所以這里設(shè)置時(shí)鐘合成寄存器的值為0x44，即SYNR的值為4。 TIM模塊初始化設(shè)計(jì)MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置有定時(shí)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(cè)量輸入波形、產(chǎn)生輸出波形、統(tǒng)計(jì)脈沖或邊沿個(gè)數(shù)，還可用于作為時(shí)間基準(zhǔn)使用。TIM模塊的主要組成部分有1個(gè)16位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器、1個(gè)16位脈沖累加器和8個(gè)16位輸入捕捉/輸出比較通道，通過(guò)可編程預(yù)分頻器為其提供時(shí)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(guò)捕捉16位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器的計(jì)算值來(lái)檢測(cè)外部事件和輸入變化的。捕捉端口PTO用于檢測(cè)視頻的行同步信號(hào)，捕捉端口PT1用于檢測(cè)視頻的場(chǎng)同步信號(hào)，捕捉端口PT2用于檢測(cè)交叉口的對(duì)管信息，捕捉端口PT3用于檢測(cè)右車庫(kù)信息，捕捉端口PT4用于檢測(cè)左車庫(kù)信息。與輸入捕捉功能相關(guān)的寄存器有定時(shí)器系統(tǒng)控制寄存器1（TSCR1）、定時(shí)器輸入捕捉/輸出比較選擇寄存器（TIOS）、定時(shí)器控制寄存器3（TCTL3）、