【文章內(nèi)容簡介】 中，整個電路的核心——S12芯片的供電放在首位，首先應(yīng)保證他電源供給的安全穩(wěn)定。根據(jù)S12的技術(shù)資料，其供電電壓為 ，因此需要一個降壓芯片為S12芯片供電。以下為芯片選用論證：（1）在平時設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的穩(wěn)壓器為LM7805來完成電壓轉(zhuǎn)換。由于蓄電池隨著電量的釋放造成電壓逐漸降低，當(dāng)降低到一定程度的時候就不能持續(xù)提供+5V的電壓，造成智能電動車控制系統(tǒng)不能正常地工作。LM7805穩(wěn)壓器比較常見的是線性穩(wěn)壓芯LM7805。雖然這種線性穩(wěn)壓器具有輸出電壓恒定或可調(diào)、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其線性調(diào)整工作方式在工作中會造成較大的“熱損失”(其值為V壓降I負(fù)荷)，導(dǎo)致其電源利用率不高、工作效率低下，不易達(dá)到便攜式設(shè)備對低功耗的要求。由于直流電機(jī)在高速運(yùn)行時的電流達(dá)到 4A。當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)行半個小時左右，測得的電源電壓在+～+， 而微處理器的輸入電壓要求為穩(wěn)定的+5V， 如果選用7805線性電源管理芯片，也就是如果使7805輸出+5V 電壓，那么輸入電壓至少在+，否則不易保證穩(wěn)定的+5V電壓輸出，也就很難保證微處理器的正常工作。由于其高壓差因素，如果使用7805，那么還應(yīng)該考慮電源散熱問題，使得整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜且不能保證系統(tǒng)的有效工作時間。（2）LM25765V該芯片為單片降壓式開關(guān)電壓調(diào)整器， ；最大輸出電流 3A ；具有熱關(guān)閉和限流保護(hù)功能。 因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低 ，其平均工作效率可達(dá) 70% ～ 90% 。然而LM25765 ～40V 之間， ，所以該芯片易出現(xiàn)輸出電壓低于5V的情況，不符合單片機(jī)供電的要求。（3）低壓降穩(wěn)壓塊LM2940，高負(fù)載時壓降為40mV，典型值壓降為350mV輸出電流為1A，靜態(tài)電流為240uA。該芯片較 LM25765 而言，能夠在低壓差的情況下穩(wěn)定的工作 ，故該芯片給MCU 供電是個不錯的選擇。鑒于單片機(jī)和光電傳感器總電流過大，用兩個2940芯片并聯(lián)。 5V穩(wěn)壓電路因此我們選擇了低失穩(wěn)電壓穩(wěn)壓器LM2940來設(shè)計(jì)電源。此外，還具有靜態(tài)電流降低電路，當(dāng)輸入與輸出的電壓差大于3V時，可以自動降低靜態(tài)電流。該穩(wěn)壓器也具有一般穩(wěn)壓器的短路保護(hù)和熱過載保護(hù)等功能，該穩(wěn)壓器原為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有電池反接或兩電池對接的保護(hù)功能。在輸出負(fù)載降壓60V時穩(wěn)壓器將自動關(guān)閉以保護(hù)內(nèi)部電路。電容值的選擇：為了保證電源電路的穩(wěn)定性，輸出端的電解電容至少為22uF。為保持瞬變時的調(diào)整率，電容量可以無限制增加，位置盡可能靠近穩(wěn)壓器。該電容必須額定在于穩(wěn)壓器相同的工作溫度內(nèi)，而ESR是嚴(yán)格要求的。 6V穩(wěn)壓電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)測的舵機(jī)最大輸出電流約為100mA左右，而7806芯片的輸出電流是500mA至1A，能夠滿足舵機(jī)的要求。另外查7806的芯片資料。 6V穩(wěn)壓電路 舵機(jī)的安裝與控制舵機(jī)本身是一個位置隨動系統(tǒng)。它由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成。通過內(nèi)部的位置反饋，使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號。在負(fù)載力矩小于其最大輸出力矩的情況下，它的輸出轉(zhuǎn)角正比于給定脈沖寬度。此舵機(jī)的工作原理：控制信號輸入→控制電路板→電極轉(zhuǎn)動→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動→位置反饋電位計(jì)→控制電路板反饋。舵機(jī)的控制線有三根，其中紅色為電源線，輸入電壓為6V，黑色為地線，藍(lán)色（黃色）為信號線，應(yīng)通過控制線的顏色區(qū)分電源線和地線。舵機(jī)的控制信號可以通過軟件計(jì)數(shù)方式，定時器中斷方式或PWM硬件產(chǎn)生方式產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)中我們采用MC9S12DG128B的脈寬調(diào)制模塊(PWM)產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過檢測，舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)動角度為40度左右。根據(jù)置于汽車前端的識別路徑傳感器的信息來調(diào)整汽車的轉(zhuǎn)向。按照汽車的構(gòu)造與結(jié)構(gòu)，我們把舵機(jī)安裝在汽車的前端，使其正好與兩個前輪相協(xié)調(diào)，使汽車直走。由于舵機(jī)的響應(yīng)時間對于控制非常重要，我們在調(diào)試的過程中一方面通過修改PWM周期獲得，另一方面也通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)響應(yīng)速度。 MC9S12XS128端口分配MC9S12XS128微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機(jī)，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，包括16位中央處理器、128KB的Flash存儲器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型捕捉定時器、兩組8 通道10路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨(dú)立的數(shù)字 I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字 I/O接口、5個增強(qiáng)型CAN總線接口。同時，單片機(jī)內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。 端口解法功能輸入/輸出I/O接口激光傳感器采集信號輸入PBPB3輸出PJPE0、PA0、PAPAPAPEPAPAPAPAPEPJ6光電編碼器輸出PB133886輸出PTPW3舵機(jī)輸出PP1山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 軟件設(shè)計(jì)說明5 軟件設(shè)計(jì)說明在前面硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，輔以實(shí)現(xiàn)智能車控制的軟件，基本上可以實(shí)現(xiàn)汽車的智能控制。在這一部分中，我們主要介紹以下幾塊內(nèi)容：S12單片機(jī)的時鐘初始化；PWM模塊的應(yīng)用；電源與速度的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)及A/D模塊的應(yīng)用；模糊PID控制算法的實(shí)現(xiàn)；增強(qiáng)型定時器模塊捕捉功能的實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)軟件流程圖 系統(tǒng)流程圖通過路徑識別模塊后，利用前瞻的條件判斷路徑是直道還是彎道，通過單片機(jī)構(gòu)成一個隨動閉環(huán)系統(tǒng)，來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)判斷為直道時，車速加速；當(dāng)為彎道時，車速減速。 程序中S12單片機(jī)的時鐘初始化為了提高片內(nèi)CPU運(yùn)行速度，降低外部時鐘的頻率，以提高整個系統(tǒng)的電磁兼容能力，我們使用片內(nèi)集成的鎖相環(huán)電路使片內(nèi)時鐘頻率遠(yuǎn)高于片外振蕩器的頻率，所以在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時，就需要對片內(nèi)鎖相環(huán)電路作初始化。本設(shè)計(jì)中首先選定鎖相環(huán)時鐘，設(shè)置寄存器SYNR值為2，寄存器REFDV值為1。鎖相環(huán)產(chǎn)生的時鐘頻率的計(jì)算公式為： 式（）在程序中我們用到總線時鐘頻率為40MHZ的。 所用PWM模塊說明PWM經(jīng)過低通濾波就可以變成模擬電壓輸出，而且成本低、分辨率高、外電路簡單。實(shí)際上在電視機(jī)的遙控部分就普遍采用14位或16位的PWM生成調(diào)諧電壓，此外在伺服電機(jī)位置控制、燈光亮度調(diào)節(jié)及直流電機(jī)的速度控制等方面采用PWM都很容易實(shí)現(xiàn)。PWM(Pulse Width Modulate)即脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制波是一種可用程序來控制波形占空比、周期、相位的波形。本設(shè)計(jì)采用MC9S12DG128B的PWM模塊的2個16位的通道，分別用來控制舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動。首先，舵機(jī)控制是智能車系統(tǒng)中很重要的一個環(huán)節(jié)，舵機(jī)控制的好壞也直接影響了小車的控制效果，舵機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號，相對應(yīng)舵盤的位置為0180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，如果只使用單個PWM通道，精度只有1/255，舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角細(xì)分精度遠(yuǎn)不能滿足調(diào)試需要。例如PWM0用SA時鐘源，8位，舵機(jī)中位為14，但在測試中發(fā)現(xiàn)舵機(jī)設(shè)為11和17時已經(jīng)到達(dá)舵機(jī)極限轉(zhuǎn)角，中間調(diào)節(jié)的余地非常小，不能滿足控制要求。因此在實(shí)際應(yīng)用時，將PWM0和PWM1合并為16 位（級聯(lián)），用SA作時鐘源，%，足以滿足精度要求。在程序中我們使用鎖相環(huán)時鐘使總線時鐘頻率達(dá)到24MHz，通過設(shè)置PWM模塊的相應(yīng)寄存器使其工作頻率可達(dá)到50KHz，占空比調(diào)整范圍0100%，%，而且輸出極性可選，性能十分優(yōu)異。根據(jù)大賽組委會推薦的舵機(jī)SRM102的控制方法，通過設(shè)置相應(yīng)的PWM模塊的周期寄存器和占空比寄存器的值，分別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向舵機(jī)直走、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎的控制。通過光電檢測和小車車速的關(guān)系調(diào)節(jié)PWM的占空比用于驅(qū)動芯片MC33886DH。其次，PWM控制驅(qū)動電機(jī)。根據(jù)PWM調(diào)速原理，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變占空比的值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由硬件部分?jǐn)⑹隹芍琈C9S12XS128單片機(jī)PT5與MC33886的IN1管腳相連，通過控制PWM3的占空比就可以控制平均輸出電壓，從而可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度。PWM 初始化步驟總結(jié)：（1）禁止PWM PWME = 0（2）選擇時鐘 PWMPRCLK，PWMSCLA，PWMSCLB，PWMCLK（3）選擇極性 PWMPOL（4）選擇對齊方式 PWMCAE（5）選擇占空比和周期PWMDTYx， PWMPERx 模糊PID控制算法的實(shí)現(xiàn) PID控制原理 PID(Proportion, Integral, Differential Coefficient)控制是自動控制系統(tǒng)中最普遍的一種控制方法，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。下面簡要介紹一下PID的控制原理。PID控制是20世紀(jì)30年代提出并實(shí)現(xiàn)的控制機(jī)理。 PID控制系統(tǒng)框圖其控制規(guī)律是： 式（）是控制器的輸出；是控制器的輸入，是偏差值，即給定值與被控參數(shù)實(shí)際輸出的差值： 式（）是比例系數(shù)；是積分時間常數(shù)；是微分時間常數(shù)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。在本次智能小車控制系統(tǒng)中采用的是數(shù)字PID控制器再根據(jù)相應(yīng)的算法，經(jīng)過編程，由執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠?。其變換過程如下： 式（） 式（）式中，T為采樣周期，k為采樣序號。公式2改寫為： 式（）()式表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，如閥門的開度，所以被稱為數(shù)字PID位置型控制算式。由于在位置式PID控制算法中，每次的輸出與控制偏差e過去整個變化過程相關(guān)，這樣由于偏差的累加作用很容易產(chǎn)生較大的累積偏差，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，使控制系統(tǒng)出項(xiàng)不良的超調(diào)現(xiàn)象?？蓪κ?)進(jìn)一步改進(jìn)。根據(jù)式()不難寫出 式（）其中稱為比例增益；稱為積分系數(shù)； 稱為微分系數(shù)。從增量式PID的算式可知，只要知道現(xiàn)時以前的三次采樣周期內(nèi)的偏差信號，即可計(jì)算出本次采樣周期內(nèi)的控制變量的增量。為了編程方面，可將式(7)整理成如下形式： 式（）其中 模糊PID控制算法模糊PID控制將模糊控制和PID 控制兩者結(jié)合起來, 揚(yáng)長避短, 既具有模糊控制靈活, 適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn), 又具有 PID控制精度高的特點(diǎn)。算法易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。響應(yīng)特性優(yōu)于數(shù)字PID控制，并有較好的魯棒性。特別對具有非線形和時變性的被控對象，可獲得較滿意的控制效果。下面簡要介紹一下模糊PID的控制原理及其在智能小車中的實(shí)現(xiàn)。智能賽車的控制主要是通過經(jīng)模糊PID控制器輸出的MC9S12DG128B的PWM來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向及速度的智能控制。在本控制系統(tǒng)中，我們采用16位的PWM01來控制賽車舵機(jī)SRM102，用16位的PWM45通過電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886DH來控制驅(qū)動電機(jī)以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速。我們采用寄存器A中的8位分別對應(yīng)ATD的8路采集通道，通過比較當(dāng)某采集通道的采集值比其它采集值大時，A中相應(yīng)為1，反之為0。然后通過判斷寄存器A的值就可以確定黑色標(biāo)志線的位置。我們采用一維模糊控制器，設(shè)定好PWM的周期，分別經(jīng)兩個增量型PID控制器計(jì)算得出PWMDTY的值，就可以輸出不同寬度的脈沖，來控制舵機(jī)和驅(qū)動電機(jī)。本系統(tǒng)采用激光管來檢測路徑信息，我們定義位置偏差（賽車相對于黑色標(biāo)志線）E模糊集的7個語言值為其論域劃分為15個等級： 與其對應(yīng)的舵機(jī)的轉(zhuǎn)向偏差模糊集的7個語言值為其論域劃分為15個等級： 電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差模糊集的3個語言值定義為其論域劃分為4個等級（從低速到高速）： 由實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)剛進(jìn)入彎道時，需要減速，當(dāng)舵機(jī)根據(jù)位置偏差已經(jīng)轉(zhuǎn)向預(yù)定角度時，反而需要加速，這樣才能保證賽車在彎道時既不沖出跑道又有足夠高的速度。根據(jù)光電傳感器所獲得的信息，配以不同的和，然后經(jīng)過 增量式PID控制算法，就可以得出控制所需要的PWM信號。由增量式PID控制算法可分別求得控制舵機(jī)和控制驅(qū)動電機(jī)的PWM信號： 式（） 式（）其中：表示當(dāng)前時刻控制舵機(jī)所需要的脈寬 PWMDTY01表示控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角為零（無偏）時的脈寬 分別是有實(shí)驗(yàn)來確定的系數(shù) 分別表示當(dāng)前時刻，前一時刻，前兩時刻所劃分的的不同等級 PWMDTY45表示當(dāng)前時刻控制驅(qū)動電機(jī)所需要的脈寬 PEMDTY45*表示控制電機(jī)最快時的脈寬 I,I,I分別是有實(shí)驗(yàn)來確定的系數(shù)分別表示當(dāng)前時刻，前一時刻，前兩時刻所劃分的的不同等級 PID控制參數(shù)整定本設(shè)計(jì)采用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法和湊試法相結(jié)合來確定PID參數(shù)。給對象一個階躍輸入信號，在曲線上任取一點(diǎn)x0,則增益K為： 式（）時間常數(shù)T及延遲時間t可用作圖法確定：在響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)p作切線，切線與時間軸交于A點(diǎn)，而與響應(yīng)曲線穩(wěn)態(tài)點(diǎn)的漸進(jìn)線交于B點(diǎn)，則0A對應(yīng)延遲時間t，AB對應(yīng)時間常數(shù)T。響應(yīng)曲線對應(yīng)的傳遞函數(shù)為：