【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)是一個有機的整體，所以任何一部分的改進(jìn)都能提高小車的性能。 系統(tǒng)所用的傳感器包括編碼器和攝像頭，它們可以完成賽道信息的采集和小車行駛參數(shù)的獲取，算法部分主要涉及到 PID 控制算法。系統(tǒng)硬件位于底層，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)則根據(jù)硬件和控制需求來制定。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 7 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 硬件電路的設(shè)計 飛思卡爾 單片機簡介 本次智能車 設(shè)計 中，所使用的單片機是飛思卡爾 MC9S12DG128， MC9S12DG128 是飛思卡爾半導(dǎo)體公司的汽車電子類產(chǎn)品，早在飛思卡爾還沒有從摩托羅拉分離出來前就已經(jīng)誕生了。它隸屬于飛思卡爾單片機的 S12 系列，其內(nèi)核為 CPU12 高速處理器。MC9S12DG128 擁有豐富的片內(nèi)資源， flash 達(dá) 128kb，加入裁減過的 uCOS 都沒有問題，所以對于參加全國大學(xué)生智能車競賽或者其他中等復(fù)雜程 度的控制系統(tǒng)它不用擴充片外存儲器。 MC9S12DG128 有 16 路 AD 轉(zhuǎn)換，精度最高可設(shè)置為 10 位；有 8 路8位 PWM 并可兩兩級聯(lián)為 16 精度 PWM，特別適合用于控制多電機系統(tǒng)。它的串行通信端口也非常豐富，有 2 路 SCI， 2 路 SPI 此外還有 IIC， CAN 總線等端口，并且采用了引角復(fù)用功能，使得這些功能 引腳 也可設(shè)置為普通的 IO 端口使用。此外它內(nèi)部還集成了完整的模糊邏輯指令，可大大簡化我們的程序設(shè)計。 MC9S12DG128 的封裝有兩種，一種為 80 引腳的，它沒有引出擴展總線，且 AD 轉(zhuǎn)換只引出了 8 路；一種為 112 引腳的，兩種都采用了表面貼片式封裝。在設(shè)計中，使用的是 112 引腳。 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計包括：時鐘電路設(shè)計、濾波電路設(shè)計、電源電路設(shè)計、 IO接口電路設(shè)計以及復(fù)位電路設(shè)計。 下面我來介紹 本次設(shè)計中所使用 的引腳功能： PORTB： LED 狀態(tài)指示 ； PAD0：攝像頭數(shù)據(jù)采集輸入 AD 轉(zhuǎn)換口； PT0：行同步信號輸入端口； PT1：場同步信號輸入端口； PORTK：采用 40193 硬件測速的 8位輸入端口； PP1：電機控制口； PP3：舵機控制口； PP5：電機 控制口； 電源模塊 為了保證各個部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，需要對發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。單片機系統(tǒng)、攝像頭、車速傳感器電路等各個電路的工作電壓不同，需要想辦法來使得電壓滿足各自的要求，一種方法是利用升壓或降壓的芯片來達(dá)到它們的要求，另一種方法是利用雙電源供電的方法，來實現(xiàn)各模塊的不同需要，由于電路模塊較多，該方案中仍需要升壓或降壓芯片。實際應(yīng)用中，我們確定采用升壓降壓芯片等來實現(xiàn)對各個模塊的供電要求。而且，在電路設(shè)計中，考慮到由于電機 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 8 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 驅(qū)動所引起的電源不穩(wěn)定，在電源輸入端 ，各芯片電源引腳都加入濾波電路。 如圖 31所示電源模塊的組成： 圖 31 電源模塊組成框圖 智能汽車控制系統(tǒng) ,其電源通常在 7. 2 V 左右 ,系統(tǒng)電路對電流的需求很大 ,因此在電源的選擇方面通常會選擇能夠提供較大工作電流的鎳鎘電池。智能汽車各工作系統(tǒng)對電壓電流的需求不一樣 ,有的需要將電源降壓或升壓 ,有的需要大功率器件。一個好的智能汽車控制系統(tǒng) ,要求有強大的動力 ,并且電源能夠提供一強大的電流給電機。就飛思卡爾智能小車而言其后輪驅(qū)動電機正常工作時 ,要求有 1 . 4 A 左右的 電流 ,其堵轉(zhuǎn)是電流達(dá)到 2 A 以上。這就是說要使該智能汽車有一個很好的表現(xiàn)就必須要求電源及其電源電路至少能提供 2 A 以上的電流。下面就以飛思卡爾智能小車為例對智能小車的系統(tǒng)電源電路進(jìn)行探討和研究。 （ 1） 電源需求的總體規(guī)劃 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計之前我們應(yīng)先對系統(tǒng)電源的需求進(jìn)行一個總體規(guī)劃 ,以飛思卡爾智能小車為例 ,進(jìn)行相應(yīng)的說明。飛思卡爾智能尋跡小車以飛思卡爾公司 16 位微控制器 MC9S12DG128為核心 ,對小車進(jìn)行全程控制 ,通過采用 CMOS傳感器 ,霍爾元件等傳感器等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,并送入單片 機內(nèi)進(jìn)行處理 ,由微控制器發(fā)出指令來控制穩(wěn)壓集成電路 LM317， LM317 其輸入電壓可調(diào) ,理論上已經(jīng)完全能滿足電路的需要。 （ 2） 舵機和后輪電機模塊。 對于飛思卡爾組委會提供的智能小車模型 ,其舵機的正常工作電流為 700mA 左右。電壓為 6 V。在設(shè)計過程中 ,剛開始用 7806 組成穩(wěn)壓電路 ,后發(fā)現(xiàn)舵機工作時會把 7806 三端穩(wěn)壓管的輸出 6 V 電壓拉低到了 4V 左右。導(dǎo)致舵機不能正常工作。于是接著便把該舵機的電源電路進(jìn)行了調(diào)整 ,把調(diào)壓電路去掉 ,只要在電路中串接了兩個大功率硅二極管 ,因為硅管 的額定壓降為 0 . 7 V ,串接兩個硅管 ,其兩端壓 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 9 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 降則達(dá) 1 . 4 V ,因此電源電流從硅管過來時 ,輸出端的電壓就被降到了 6 V 左右 ,這也就滿足了舵機的電壓要求。既提供了穩(wěn)定的電壓 ,也保證了充足的電流 ,使舵機能夠正常工作。另外還在電源端接上了一個 0. 1μ F 的小電容 ,以去除電路中的高頻雜波干擾。由于后輪驅(qū)動電機在正常工作時電流達(dá)到 1. 5 A 左右 ,堵轉(zhuǎn)時達(dá) 2 A 以上 ,且該電機可以工作在 7. 2 V 的電壓下 ,因此可以直接把電源電壓接到電機驅(qū)動上。保證了電機需要的盡可能大的工作電流。 （ 3） 電路布線及節(jié)能問題 在搭建電路的過程中 ,值得注意的是需要大電流的地方 ,其外接電源線的直徑應(yīng)盡可能大。比如在總電源與電路板的連接點應(yīng)用較粗的銅線連接 ,以盡可能減小線電阻的作用保證大電流的順利通過。在電路板布線時其電源線和地線應(yīng)盡量布寬。通常在穩(wěn)壓電路中 ,當(dāng)穩(wěn)壓器距離整流濾波電路比較遠(yuǎn)時 ,在輸入端必須接入一小電容器 (比如 0. 33μ F ) ,以抵消線路的電感效應(yīng) ,防止產(chǎn)生自激振蕩。輸出端也須接一小電容 (0. 1μ F)用以濾除輸出端的高頻信號 ,改善電路的暫態(tài)響應(yīng) ,因為大容量電解電容有一定的分布電 感 ,易引起自激振蕩 ,形成高頻干擾 ,所以穩(wěn)壓器的輸入、 輸出端常并入瓷介質(zhì)小容量電容用來抵消電感效應(yīng) ,抑制高頻干擾。鑒于電路板元件的選取 ,建議盡量使用貼片元件 ,以盡可能的減少電能的損耗。 現(xiàn)在我來介紹自己使用的兩種電源： 1） 5v 電源 市場上常用的 5v 芯片有 LM2940， LM7805， LM2575， LM2596。其中 LM2940 和 LM7805轉(zhuǎn)換效率低（ 40%）輸出波紋小 ,而且穩(wěn)定，對于電源要求比較高的元件適合。 LM2575和 LM2596 轉(zhuǎn)換效率高（ 75%~80%）輸出波紋大，可能會讓單片機出現(xiàn)重啟。所以 我們選擇前者而 LM2940 比 LM7805 壓差小，而且更加穩(wěn)定因此我們最終選擇 LM317 可調(diào)電源芯片 作為 5v穩(wěn)壓芯片。原理圖如圖 32所示 圖 32 5V 電源原理圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 當(dāng)穩(wěn)壓器離電源濾波器有一定距離時 Cin 是必須的， Co 對穩(wěn)定性而言不必要；但改進(jìn)瞬態(tài)響應(yīng)： RIRRV id jout V 112 )1( ??? （ 41） 電壓范圍 LM117/LM317 至 37V 連續(xù)可調(diào)。 絕對最大額定值 符號 參數(shù) 值 單位 VIO 輸入－輸出電壓差 40 V IO 輸出電流 內(nèi)部限制 Top 工作結(jié)溫 LM117 55 到 150 ℃ LM217 25 到 150 LM317 0到 125 Ptot 功耗 內(nèi)部限制 Tstg 儲存溫度 65 到 150 ℃ 2） 6V 電源 舵機的響應(yīng)速度與其電源電壓有關(guān)。因此，為了獲得更快的響應(yīng)速度，舵機的供電采用其工作上限電壓 +6V，舵機的工作電壓為 46v 因此，為了穩(wěn)定起見我們給舵機也做了穩(wěn)壓電路，器件選擇的是 LM7806。 原理圖如圖 33 所示： 圖 33 6V 電源 原理圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 38頁 第 11 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 電機驅(qū)動模塊 PN MOS 管 H 橋原理 所謂的 H 橋電路就是控制電機正反轉(zhuǎn)的。下圖就是一種簡單的 H 橋電路，它由 2 個 P 型場效應(yīng)管 Q Q2 與 2個 N型場效應(yīng)管 Q Q3組成，所以它叫 PNMOS 管 H橋。 橋臂上的 4 個場效應(yīng)管相當(dāng)于四個開關(guān)， P 型管在柵極為低電平時導(dǎo)通，高電平時關(guān)閉； N型管在柵極為高電平時導(dǎo)通，低電平時關(guān)閉。場效應(yīng)管是電壓控制型元件，柵極通過的電流幾乎為“零”。 正因為這個特點，在連接好下圖電路后，控制臂 1 置高電平（ U=VCC）、控制臂 2 置低電平（ U=0）時， Q Q4 關(guān)閉， Q Q3 導(dǎo)通，電機左端低電平，右端高電平，所以電流沿箭頭方向流動。設(shè)為電機正轉(zhuǎn)。 控制臂 1 置低電平、控制臂 2 置高電平時， Q Q3 關(guān)閉， Q Q4 導(dǎo)通，電機左端高電平，右端低電平，所以電流沿箭頭方向流動。設(shè)為電機反轉(zhuǎn)。 當(dāng)控制臂 2 均為低電平時， Q Q2 導(dǎo)通， Q Q4 關(guān)閉，電機兩端均為高電平，電機不轉(zhuǎn)； 當(dāng)控制臂 2均為高電平時， Q Q2關(guān)閉， Q Q4導(dǎo)通，電機兩端均為低電平，電機也不轉(zhuǎn) ， 所以，此電路有一個優(yōu)點就是無論控制臂狀態(tài)如何（絕不允許懸空狀態(tài)）， H 橋都不會出現(xiàn)“共態(tài)導(dǎo)通”（短路），很適合 使用。下面是由與非門 74LS00 組成的柵極驅(qū)動電路，因為單片機輸出電壓為 0~5V，而我們小車使用的 H橋的控制臂需要 0V 或