【文章內(nèi)容簡介】 位或者拼接成 4路 16位 ,2個(gè) 10位 8通道 A/D轉(zhuǎn)換器， 8通道輸入捕捉 /輸出 比較定時(shí)器， 2 個(gè)異步串行通信接口 SCI,1個(gè)同步串行通信接口 SPI,1個(gè) 1 Mb/s的 CAN總線模塊，兼容 A/B等等。利用片內(nèi)資源結(jié)合具體模塊的功能要求具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線如下： （ 1)電源管理：核心板最小系統(tǒng)供電、傳感器供電、舵機(jī)供電和直流電機(jī)供電。要求：（ a) 低壓差，實(shí)現(xiàn) ～ 電池到 5V轉(zhuǎn)換；（ b)可提供足夠電流輸出，驅(qū)動(dòng)發(fā)射光電管，并考慮一定的安全余量；（ c) 考慮芯片散熱的問題，提供熱關(guān)斷、短 路保護(hù)和安全操作保護(hù)等功能。 （ 2)舵機(jī)控制：模塊化模型舵機(jī)利用信號(hào)輸入端的占 空比不同調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角，可以通過單片機(jī)芯片內(nèi)置 PWM模塊配合編程實(shí)現(xiàn)。 （ 3)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)：采用 PWM 驅(qū)動(dòng)。要求：（ a) 開斷電流能力強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)功率大，質(zhì)量可靠；（ b) 具有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、熱關(guān)斷的能力，各種功能使用方便。結(jié)合集成功率芯片選擇要求和直流電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，選用大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ZNCD1043 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 電源模塊的設(shè)計(jì) 電源是一個(gè)智能車系統(tǒng)得以運(yùn)行的關(guān)鍵及動(dòng)力所在。根據(jù) “ 硬件設(shè)計(jì)最簡 ”的原則，需要完善電源設(shè)計(jì)方案。整個(gè)智能車的電源是由一塊 2020mAh Nicd蓄電池 提供，為了使 智能車系 統(tǒng)各部件能正常的工作，故需對(duì) 2020mAh Nicd蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。其中，中央控制系統(tǒng)（最小系統(tǒng)）、路徑識(shí)別的光電傳感器和接收器電路、需要 5V電壓，伺服電機(jī)工作電壓范圍 6V根據(jù)多次調(diào)試決定使用 5V電源給供電，直流電機(jī)可以使用 2020mAh Nicd蓄電池直接供電。 電源供電部分關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，由于采用的是鎳鎘電池供電，內(nèi)阻比較大，電機(jī)啟動(dòng)或者突然加速的瞬間，電池輸出的電流很大，電池兩端電壓突然會(huì)降低。為了保證單片機(jī)和其他模塊工作正常，所以在對(duì)電源供電的設(shè)計(jì)方面，要求電路工作效率高，輸出電壓穩(wěn)定。而且隨著車子在跑道上跑，隨著電池電量的消耗，電池兩端的電壓也會(huì)慢慢降低，這就要求穩(wěn)壓芯片的選取要工作壓差小。本系統(tǒng)所需電壓有 5V、 ，其中 ，可由電池直接提供； 5V 部分為路徑識(shí)別模塊，舵機(jī)控制模塊，串口通信模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊等。 系統(tǒng)電源供電分配 如圖 32 所示： 7 . 2 V 蓄 電 池L D O 低 壓 差 穩(wěn) 壓 芯 片 L M 2 94 0高 效 率 開 關(guān) 電 源 穩(wěn)壓 芯 片 L M 2 5 9 6直 流 電 機(jī)單 片 機(jī) 最 小 系 統(tǒng) 模 塊 ，串 口 通 信 模 塊 ， 速 度 測(cè)量 模 塊 等路 徑 識(shí) 別 模 塊 ， 舵機(jī) 控 制 模 塊 等 圖 32 系統(tǒng)電源供電分配框圖 5V電源是整個(gè)智能車系統(tǒng)電源模塊中電流需求最大的一個(gè)部分。要求大電流、低壓差 、低噪聲等特性。在此將根據(jù)各種不同穩(wěn)壓芯片的特性選款符合此智能小車各個(gè)模塊的工作要求。 根據(jù)不同的工作原理可將電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源。 線性穩(wěn)壓電源： 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 一般的線性穩(wěn)壓電源的輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差大，穩(wěn)壓電源內(nèi)部的調(diào)整管上的損耗大，效率低。但近年來開發(fā)出各種低壓差（ LDO）的新型線性穩(wěn)壓器 IC，效率也有較大的提高，線性穩(wěn)壓電源還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是外圍元件最少、輸出噪聲最小、靜態(tài)電流最小，價(jià)格也便宜。 開關(guān)穩(wěn)壓電源： 開關(guān)穩(wěn)壓電源中有一個(gè)工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管（一般是 MOSFET），故稱為 開關(guān)電源開關(guān)管工作于飽和導(dǎo)通及截止兩種狀態(tài)，所以開關(guān)管管耗小并且與輸入電壓大小無關(guān)，相對(duì)于線性穩(wěn)壓電源一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是工作效率高，一般可達(dá)80%～ 95%。 穩(wěn)壓芯片選擇： 方案一：普通常用穩(wěn)壓芯片 LM7805。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：效率低，發(fā)熱量大。壓差大，外部供電要在 5V 方案二：開關(guān)穩(wěn)壓芯片 LM2575/LM2596。優(yōu)點(diǎn)：工作效率高，發(fā)熱量小，輸出電流大，約 3A。工作電壓可以低至 。缺點(diǎn)：外圍電路復(fù)雜，成本高，由于是開關(guān)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后的波紋大。 方案三：低壓差線性穩(wěn)壓芯 片 LM2940。優(yōu)點(diǎn)：低壓差，工作壓差可以小于,在電池兩端的電壓降到 5V的電壓，電壓波紋小，可以給單片機(jī)穩(wěn)定的供電。外圍電路簡單，需要的濾波電容小。 經(jīng)過分析，最終決定設(shè)計(jì)兩路 5V穩(wěn)壓電路，其中一路采用 LM2940 穩(wěn)壓后獨(dú)立為單片機(jī)供電，另外一路是為系統(tǒng)其他模塊提供 5V供電，采用了更大的輸出電流的穩(wěn)壓芯片 LM2596。 LM2940 供電電路 LM2940 是一個(gè)輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓 5V；輸出電流 1A；輸出電流 1A 時(shí)，最小輸入輸出電壓差小于 ；最大輸入電壓 26V；工作溫度 40～ +125℃；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路等功能。 其封裝形式有標(biāo)準(zhǔn)的 3 腳直插 TO220 與 3 腳表貼封裝 SOT223 兩種 。 由于穩(wěn)壓芯片 LM2940 是屬于 LDO(低壓差 )線性穩(wěn)壓器，即使電池電壓下降到 5V電壓供給單片機(jī)保證單片機(jī)能正常的工作，使智能車能正常的行駛，同時(shí) LM2940 輸出的電壓紋波也很小，這樣干擾也大大減小 ，能減少單片機(jī)沒必要的復(fù)位， 符合單片機(jī)的供電要求。 同時(shí)由于 LM2940 也能輸出高達(dá) 1A 左右的 電流，故讓此電源同時(shí)給串口通信模塊，測(cè)速測(cè)量模塊等其他模塊給予供電，達(dá)到電源的充分利用。 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 LM2940 供電電路 如圖 33所示 ： 圖 33 LM2940 供電電路 LM2596 供電電路 LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出 3A 的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有 、 5V、12V，可調(diào)版本可以輸出 ～ 37V 之間的各種電壓。 該器件內(nèi)部集成頻 率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為 150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需 4個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了 LM2596 的使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。 其封裝形式包括標(biāo)準(zhǔn)的 5腳 TO220 封裝（ DIP）和 5腳 TO263表貼封裝 （ SMD）。 該器件還有其他一些特點(diǎn)：在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出 電壓的誤差可以保證在 177。4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在 177。15%的范圍內(nèi)；可以用僅80μ A的待機(jī)電流， 實(shí)現(xiàn)外部斷電；具有自我保護(hù) 電路（一個(gè)兩級(jí)降頻限流保護(hù)和一個(gè)在異常情況下斷電的過溫完全保護(hù)電路）。 特點(diǎn) ： ? 、 5V、 12V 的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出 ? 可調(diào)輸出電壓范圍 ～ 37V177。4% ? 輸出線性好且負(fù)載可調(diào)節(jié) ? 輸出電流可高達(dá) 3A ? 輸入電壓可高達(dá) 40V ? 采用 150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小 ? 低功耗待機(jī)模式， IQ的典型值為 80μ A ? TTL 斷電能力 ? 具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能 ? 封裝形式： TO220（ T）和 TO263（ S） 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 ? 外圍電路簡單，僅需 4個(gè)外接元件 ，且使用容易購買的標(biāo)準(zhǔn)電感應(yīng)用 領(lǐng)域 LM2596供電電路 如圖 34所示 ： 圖 34 LM2596供電電路 由于兩排 15 對(duì)光電傳感器與舵機(jī)的功耗太大，因此電源輸出的電流要足夠大才能滿足這些負(fù)載的需求，由于 LM2596 的輸出電流可達(dá) 3A 左右，通過大概計(jì)算符合我們的設(shè)計(jì)要求，故我們選用 LM2596。上圖為 LM2596 輸出的 5V 電源給舵機(jī)供電的截圖。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本設(shè)計(jì) 采用 大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ZNCD1043 對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 。 模塊介紹 ZNCD1043 大功率直 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板專為小型大功率直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，具有內(nèi)阻低，驅(qū)動(dòng)電流大，和發(fā)熱極低等特點(diǎn)， H 橋電路，可使電機(jī)四象限運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電壓范圍為 ，能明顯提高電動(dòng)機(jī)的加速和制動(dòng)效果。它內(nèi)部同 MC33886一樣具備各種保護(hù)措施，該模塊在驅(qū)動(dòng)芯片與信號(hào)輸入端之間加裝了隔離電路，可有效保護(hù)單片機(jī)。 如 表 31 所示， 以下為 ZNCD1043 的具體參數(shù) 。 表 31 ZNCD1043 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具體參數(shù) 通態(tài)內(nèi) 阻 16 毫歐 驅(qū)動(dòng)電 流 043 安培 工作電 壓 工作頻 率 025Khz 驅(qū)動(dòng)類 型 MOSFET 板卡尺 寸 * 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 使用說明 (1)引腳說明 （ a） ZNCD1043的功率接口如圖 35所示 ： 圖 35 ZNCD1043的功率接口 其中電源正接 DCIN，電源負(fù)接 GND，電源電壓不得超過 10V；電機(jī)兩端接 OUT1 和 OUT2，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與 PWM 輸入相對(duì)應(yīng)，該模塊在 OUT1，OUT2 安裝有諧波吸收電容。 （ b） ZNCD1043 的信號(hào)接口如圖 36所示 ： 圖 36 ZNCD1043 的信號(hào)接口 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 其中 IN1,IN2 為 PWM 信號(hào)輸入端， IN1 對(duì)應(yīng) OUT1,IN2 對(duì)應(yīng) OUT2； +5V 和 GND 之間要加 5V 電源以給板上隔離電路供電。 EE1,EE2 為模塊過流或短路報(bào)錯(cuò)輸出信號(hào)， 可不接。 上圖左側(cè) EN 為使能設(shè)置跳線，將 電阻焊至上側(cè)帶圓點(diǎn)處為默認(rèn)使能，焊至下側(cè)則為默認(rèn)不使能，上圖右側(cè) EN 為單片機(jī)控制使能輸入引腳，單片機(jī)輸出高電平則模塊使能，輸出低電平則不能使用。 (2)安裝步驟 首先用信號(hào)線將模塊信號(hào)輸入端子與 5V 電源與單片機(jī) PWM 輸出引腳接好，其次將電池和電機(jī)接線插入功率 接口并用螺絲刀旋緊，注意電池與電池引線線徑要足夠粗以保證大電流順利通過，最后輸出相應(yīng) PWM 信號(hào)即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)。板上有四個(gè) 3mm 標(biāo)準(zhǔn)螺絲孔，可以方便的安裝在平臺(tái)或地盤上，注意安裝時(shí)保證板背面良好的絕緣性和散熱性。 電壓電流測(cè)試結(jié)果 (1)啟動(dòng)波形，電源電壓： 8V，負(fù)載：純阻性 10 歐姆，以下是波形，其中黃線為電壓波形，紫色為電流波形如下圖： 圖 37 ZNCD1043 啟動(dòng)時(shí)的電壓電流波形 (2) 短路波形，電源電壓： 8V，負(fù)載阻抗 歐姆，以下是波形，其中黃線為 負(fù)載電壓波形，紫色為負(fù)載電流波形，藍(lán)色為報(bào)錯(cuò)輸出波形，可以看到模塊短路情況下開始周期的關(guān)斷輸出以防止模塊過熱燒壞，并且在報(bào)錯(cuò)輸出引腳輸出 高電平 。 ZNCD1043 短路時(shí)的電壓電流波形 如圖 38 所示： 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 38 ZNCD1043 短路時(shí)的電壓電流波形 舵機(jī)控制模塊 舵機(jī)主要是用來控制智能車的運(yùn)動(dòng)方向，通過調(diào)節(jié)小車前輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來改變小車運(yùn)動(dòng)方向的。 智能車的角度控制是通過單片機(jī)輸出 PWM 信號(hào)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制的，舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路， 能產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng) PWM 信號(hào)輸入到舵機(jī)時(shí)，舵機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)直流偏置電壓，此電壓與電位器的電壓比較，將獲得電壓差輸出，最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)單片機(jī)輸出一定占空比的 PWM 光電 時(shí)，舵機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。 舵機(jī)的轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系 如圖 39所示： 1 1 0 0 1 5 0 0 1 9 0 0—45 +45脈 寬 — 轉(zhuǎn) 角 （ + 順 時(shí) 針 方 向 ）脈 寬 / u s e c轉(zhuǎn) 角 / （ 度 ） 圖 39 舵機(jī)轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系 江西理工大學(xué) 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 路徑識(shí)別模塊 路徑識(shí)別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識(shí)別 方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。我們組選擇的是光電組。傳感器的收發(fā)距離對(duì)于車子的前瞻性有著直接的影響。參考過往屆光電組的設(shè)計(jì)報(bào)告，發(fā)覺大多數(shù)采用的傳感器都是紅外傳感器，說明相對(duì)于