【文章內(nèi)容簡介】 機械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且速度平穩(wěn)； （3）電機有很硬的負(fù)載特性且過載能力較大，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）可以長時間的處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會燒毀電機。 電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動電路要求不僅能夠使電機在所需轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，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驅(qū)動。H橋驅(qū)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(zhuǎn)動，就要使位于對角上的三極管導(dǎo)通，根據(jù)導(dǎo)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(diào)節(jié)電機導(dǎo)通的時間，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的，當(dāng)無需電機轉(zhuǎn)動時，讓四個三極管都不導(dǎo)通即可。但需要注意的是同側(cè)三極管不能一起導(dǎo)通，否則會導(dǎo)致短路。4個三極管的安排應(yīng)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(qū)動電路示意圖現(xiàn)在市場集成H橋電機驅(qū)動芯片有3388BTS7960等，因為小車電機內(nèi)阻大約為430毫歐，而飛思卡爾公司的33886內(nèi)部的每個MOSET導(dǎo)通電阻都在120毫歐以上，會大大增加電樞回路總電阻，導(dǎo)致直流電機轉(zhuǎn)速下降，驅(qū)動電路的效率也隨著降低，所以在本次設(shè)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(qū)動的大電流半橋集成芯片。其內(nèi)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(qū)動IC，驅(qū)動IC具有電流診斷、邏輯電平輸入、斜率調(diào)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(qū)動電流可達43A。使用兩片BTS7960構(gòu)成電機全橋驅(qū)動，一片就相當(dāng)于一側(cè)的半橋。當(dāng)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(shè)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(dāng)IN為高電平且INH為高電平時，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，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(guān)變化率就會越小，綜合考慮開關(guān)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(diào)制時三極管開關(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470uF的電容。電機驅(qū)動電路如圖38所示。圖38 電機驅(qū)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(yīng)電壓對芯片內(nèi)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(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(yīng)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(chǔ)。 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(shè)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(shè)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(dāng)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(zhuǎn)換成與灰度成一一對應(yīng)關(guān)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(dāng)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(yīng)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(biāo)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(fù)合消隱脈沖，在這些消隱脈沖中，有個脈沖遠(yuǎn)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(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(fù)擔(dān)，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(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(dāng)攝像頭信號的場同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖?，一般維持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(dāng)信號中的行同步脈沖到來時，該端將變?yōu)榈碗娖剑籓DD引腳為奇偶同步信號輸出端，當(dāng)攝像頭信號處于奇場時，該端為高電平，當(dāng)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(biāo)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(qū)動電路本設(shè)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(qū)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(xué)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(guān)鍵，要求舵機驅(qū)動的轉(zhuǎn)向機構(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(nèi)部接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，經(jīng)比較獲得直流偏置電壓。舵機內(nèi)部含有一個基準(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行比較獲得電壓差輸出，最后電壓差的正負(fù)輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)出舵機轉(zhuǎn)動角度與脈沖寬度的計算公式，如果要求舵機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電信號，而光電三極管不僅將光信號轉(zhuǎn)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(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，反向電流很?。ǎQ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(jié)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(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(cè)車庫接受管的信號引腳與單片機PT2口連接，左側(cè)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(dāng)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(dāng)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(shè)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(wù)是對系統(tǒng)進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(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，執(zhí)行自動循跡子程序，通過單片機內(nèi)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(diào)整小車的狀態(tài)；當(dāng)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(zhuǎn)向。當(dāng)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(zhuǎn)角，至此整個程序運行結(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 鎖相環(huán)初始化設(shè)計單片機一般采用內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部總線時鐘達到40MHz[27]。與鎖相環(huán)相關(guān)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(biāo)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(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(nèi)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(nèi)部總線的時鐘頻率，內(nèi)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(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的值由時鐘合成寄存器的后5位決定，設(shè)計中要求內(nèi)部總線的時鐘頻率達到40MHz，所以這里設(shè)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(shè)計MC9S12XS128單片機內(nèi)部設(shè)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(zhǔn)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(yù)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(guān)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）、