【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)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(gè)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(lái)制定。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 38頁(yè) 第 7 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 飛思卡爾 單片機(jī)簡(jiǎn)介 本次智能車 設(shè)計(jì) 中，所使用的單片機(jī)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(lái)前就已經(jīng)誕生了。它隸屬于飛思卡爾單片機(jī)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(duì)于參加全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽或者其他中等復(fù)雜程 度的控制系統(tǒng)它不用擴(kuò)充片外存儲(chǔ)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(jí)聯(lián)為 16 精度 PWM，特別適合用于控制多電機(jī)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(jiǎn)化我們的程序設(shè)計(jì)。 MC9S12DG128 的封裝有兩種，一種為 80 引腳的，它沒有引出擴(kuò)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(jì)中，使用的是 112 引腳。 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、濾波電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)、 IO接口電路設(shè)計(jì)以及復(fù)位電路設(shè)計(jì)。 下面我來(lái)介紹 本次設(shè)計(jì)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(hào)輸入端口； PT1：場(chǎng)同步信號(hào)輸入端口； PORTK：采用 40193 硬件測(cè)速的 8位輸入端口； PP1：電機(jī)控制口； PP3：舵機(jī)控制口； PP5：電機(jī) 控制口； 電源模塊 為了保證各個(gè)部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，需要對(duì)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(jī)系統(tǒng)、攝像頭、車速傳感器電路等各個(gè)電路的工作電壓不同，需要想辦法來(lái)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(lái)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(lái)實(shí)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(shí)際應(yīng)用中，我們確定采用升壓降壓芯片等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的供電要求。而且，在電路設(shè)計(jì)中，考慮到由于電機(jī) 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 38頁(yè) 第 8 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 驅(qū)動(dòng)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(duì)電流的需求很大 ,因此在電源的選擇方面通常會(huì)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(duì)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(gè)好的智能汽車控制系統(tǒng) ,要求有強(qiáng)大的動(dòng)力 ,并且電源能夠提供一強(qiáng)大的電流給電機(jī)。就飛思卡爾智能小車而言其后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作時(shí) ,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(gè)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(duì)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(jì)之前我們應(yīng)先對(duì)系統(tǒng)電源的需求進(jìn)行一個(gè)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(duì)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(jī)內(nèi)進(jìn)行處理 ,由微控制器發(fā)出指令來(lái)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(jī)和后輪電機(jī)模塊。 對(duì)于飛思卡爾組委會(huì)提供的智能小車模型 ,其舵機(jī)的正常工作電流為 700mA 左右。電壓為 6 V。在設(shè)計(jì)過程中 ,剛開始用 7806 組成穩(wěn)壓電路 ,后發(fā)現(xiàn)舵機(jī)工作時(shí)會(huì)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(jī)不能正常工作。于是接著便把該舵機(jī)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(gè)大功率硅二極管 ,因?yàn)楣韫?的額定壓降為 0 . 7 V ,串接兩個(gè)硅管 ,其兩端壓 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 38頁(yè) 第 9 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 降則達(dá) 1 . 4 V ,因此電源電流從硅管過來(lái)時(shí) ,輸出端的電壓就被降到了 6 V 左右 ,這也就滿足了舵機(jī)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(jī)能夠正常工作。另外還在電源端接上了一個(gè) 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(dòng)電機(jī)在正常工作時(shí)電流達(dá)到 1. 5 A 左右 ,堵轉(zhuǎn)時(shí)達(dá) 2 A 以上 ,且該電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)上。保證了電機(jī)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(diǎn)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(shí)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(shí) ,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(hào) ,改善電路的暫態(tài)響應(yīng) ,因?yàn)榇笕萘侩娊怆娙萦幸欢ǖ姆植茧?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(lái)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(lái)介紹自己使用的兩種電源： 1） 5v 電源 市場(chǎng)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(duì)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(huì)讓單片機(jī)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(jì)（論文）說明書 共 38頁(yè) 第 10 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 當(dāng)穩(wěn)壓器離電源濾波器有一定距離時(shí) Cin 是必須的， Co 對(duì)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(duì)最大額定值 符號(hào) 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(chǔ)存溫度 65 到 150 ℃ 2） 6V 電源 舵機(jī)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(jī)的供電采用其工作上限電壓 +6V，舵機(jī)的工作電壓為 46v 因此，為了穩(wěn)定起見我們給舵機(jī)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(jì)（論文）說明書 共 38頁(yè) 第 11 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 PN MOS 管 H 橋原理 所謂的 H 橋電路就是控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的。下圖就是一種簡(jiǎn)單的 H 橋電路，它由 2 個(gè) P 型場(chǎng)效應(yīng)管 Q Q2 與 2個(gè) N型場(chǎng)效應(yīng)管 Q Q3組成，所以它叫 PNMOS 管 H橋。 橋臂上的 4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于四個(gè)開關(guān)， P 型管在柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通，高電平時(shí)關(guān)閉； N型管在柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)閉。場(chǎng)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?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，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(shí)， Q Q4 關(guān)閉， Q Q3 導(dǎo)通，電機(jī)左端低電平，右端高電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)。設(shè)為電機(jī)正轉(zhuǎn)。 控制臂 1 置低電平、控制臂 2 置高電平時(shí)， Q Q3 關(guān)閉， Q Q4 導(dǎo)通，電機(jī)左端高電平，右端低電平，所以電流沿箭頭方向流動(dòng)。設(shè)為電機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)控制臂 2 均為低電平時(shí)， Q Q2 導(dǎo)通， Q Q4 關(guān)閉，電機(jī)兩端均為高電平，電機(jī)不轉(zhuǎn)； 當(dāng)控制臂 2均為高電平時(shí)， Q Q2關(guān)閉， Q Q4導(dǎo)通，電機(jī)兩端均為低電平，電機(jī)也不轉(zhuǎn) ， 所以，此電路有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)論控制臂狀態(tài)如何（絕不允許懸空狀態(tài)）， H 橋都不會(huì)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(dòng)電路，因?yàn)閱纹瑱C(jī)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