【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第 6 頁(yè) 第三章 硬件電路模塊方案 硬件電路模塊主要有： 電源與接口模塊 對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)供電是首要的，沒(méi)有供電什么都無(wú)法運(yùn)行，所以做好電源并且保證他能給我們的系統(tǒng)和模塊提供更高的電源質(zhì)量是非常重要的 。 整個(gè)系統(tǒng)采用 大賽指定的 2020mAh NiCd 蓄電池作為系統(tǒng)能源，并且通過(guò)降壓穩(wěn)壓電路分出 6v， 5v 分別給舵機(jī)和單片機(jī)以及無(wú)線模塊和傳感器模塊供電使用 。 核心控制模塊采用組委會(huì)提供的HC9S12XS128 模塊，他提供了 128 個(gè)接口插槽。我們沒(méi)有全部用到，但是要把所要用到的口引出來(lái)，所以我們決定把電源降壓和接口集成在一塊轉(zhuǎn)接板上。來(lái)實(shí)現(xiàn)供電和接口轉(zhuǎn)接的功能模塊。 在下章節(jié)里我再詳細(xì)介紹接口電路與電源電路集成模塊?，F(xiàn)在先介紹我們?cè)陔娫茨K實(shí)現(xiàn)的方案。 大賽指定 2020mAh NiCd 蓄電池，我們所要設(shè) 計(jì)的變壓有 6V， 5V 其中舵機(jī)6V 傳感器編碼電機(jī)跟無(wú)線模塊，最小系統(tǒng)供電都為 5V。系統(tǒng)供電圖如下圖 所示： 圖 XX 學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 7 頁(yè) 能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的 5V， 6V 的穩(wěn)壓電路很多，我們需要的是一個(gè)穩(wěn)定的電壓給模塊供電當(dāng)電池電壓變得很低時(shí)也能正常工作的電路，在試驗(yàn)中我們必須知道什么是我們最需要的。找到各樣的穩(wěn)壓管參數(shù)進(jìn)行比較。 例如：我們比較 LM2940 和 7805 以及 TL431 之間的區(qū)別，同樣是穩(wěn)壓管 LM2940 比7805 的轉(zhuǎn)換效率高。 7805 直接輸入不接輸出的情況下，其內(nèi)部還會(huì)有 3mA 的電流消耗（靜 態(tài)電流）。而 LDO 元件的靜態(tài)電流就比它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小得多了 ,2940 就屬于 LDO 元件。 TL431的負(fù)載能力很弱，輸出電流很小，因此常作為參考電壓源使用。 LM2940 才是專(zhuān)為大功率供電使用的。 通過(guò)類(lèi)似這樣的篩選，我們確定用 LM2940 作為 5V 穩(wěn)壓電路，用 LM1117作為 6V 穩(wěn)壓電路。 LM1117 是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在 輸出，負(fù)載電流為 800mA時(shí)為 ， LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過(guò) 2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn) ～ 輸出電壓范圍。因?yàn)榭紤]到我們的舵機(jī)為了提高其工作效率，可能會(huì)采取提高 電壓的方式，所以外部電阻采用可調(diào)的精密電位器調(diào)節(jié)電壓達(dá)到 6V 的輸出。 傳感器模塊 傳感器應(yīng)該算是硬件部分的主導(dǎo)技術(shù)了，一輛車(chē)能否跑快取決于它如何去分辨這條道路，分辨率越高你就越能看清楚前方道路，也就能做到最好的判斷。更加完美的完成，所以這里也是本論文的重點(diǎn)，如果說(shuō)攝像頭組是給汽車(chē)裝了個(gè)眼睛的話，那我們的光電組也能算上蝸牛的觸角了。 光電傳感器一般由兩部分組成：發(fā)射管和接收管。發(fā)射管發(fā)射光線，光線經(jīng)過(guò)賽道的反射，由接收管接收到，通過(guò)不同的光強(qiáng)接收管的狀態(tài)不同，實(shí)現(xiàn)賽道信息的采集。因?yàn)榘咨秃谏珜?duì)于光 線的反射系數(shù)不同，反射回的光線強(qiáng)度也不同，被不同的接收單元接收到后，表現(xiàn)出不同的狀態(tài)（如電阻值的變化，或者電流或電壓的變化）。 下面列舉各種傳感器實(shí)現(xiàn)方案： 紅外管與紅外接收管 紅外管可以分為兩總組合方式，分離式和對(duì)管，分離式就是說(shuō)發(fā)射管和接收管是分開(kāi)的，他們的發(fā)射接收角是可變的，可以自動(dòng)的調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳效果。 原理如圖 所示： XX 學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 8 頁(yè) 圖 由上圖能看出分離式光電接收管可以有更好的前瞻性，但是由于慢反射的角度可變，而且非常小，如果接收管沒(méi)有很好的 靈敏度，在區(qū)分黑白賽道顏色時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)就會(huì)很小只有 2050mV 的壓差，不能用做信號(hào)輸出。所以角度的調(diào)整和接收管的挑選時(shí)很困難的事情，而且貴州地區(qū)能買(mǎi)到的只有很少型號(hào)的接收管。 另外的就是光電對(duì)管了，也就是我們最后采用的實(shí)現(xiàn)方式，它的發(fā)射管和接收管方向是平行的，封裝在一起，接收管的定向性比較好，而且比分離的接收管靈敏度高很多，安裝也方便。但是由于平行安裝，如果與地面角度過(guò)于小就會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)數(shù)字變小。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量光電管與地面保持 700 左右的角度最為合適。只有的方式只要是能保證對(duì)管能有較高的區(qū)分電壓能達(dá) 到 12V 就達(dá)到信號(hào)輸出標(biāo)準(zhǔn)了。如下圖 所示： 圖 光電對(duì)管反射 XX 學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 9 頁(yè) 聚光 LED 燈與光敏電阻 聚光 LED 與光敏電阻搭配，其實(shí)與紅外光管分離式是一樣的原理，但是由于比賽場(chǎng)地大多都用大功率的鈉燈照明，所以考慮到可見(jiàn)光對(duì)光敏電阻干擾過(guò)大，所以我們?cè)跍?zhǔn)備初期就不取用這種方法了。 激光管與激光接收管 激光管和激光對(duì)管其實(shí)電路實(shí)現(xiàn)是一樣的，同樣是通過(guò)接收管的電壓或者電流變換得到的信號(hào)。不同的是他采用了透鏡成像原理，能探測(cè)到更遠(yuǎn)的距離，如果調(diào)試好的話可以達(dá)到一般攝像頭的距離。這是 一個(gè)突破增強(qiáng)了前瞻性，車(chē)子可以預(yù)先準(zhǔn)備，可以更好的控制速度，速度可以更快。透鏡成像原理如下圖 所示： 圖 透鏡成像原理 這里物象可以用激光接收管來(lái)做，當(dāng)在一定范圍內(nèi)，激光點(diǎn)打在賽道上成像的倒影會(huì)打在接收管上。要注意的是這個(gè)物象是倒影，在對(duì)焦和固定透鏡的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大麻煩。每對(duì)管子都必須對(duì)焦，預(yù)防交叉干擾。 綜合上述的方案，我們選擇性能更加可靠的紅外光電對(duì)管，當(dāng)然激光是個(gè)不錯(cuò)的選擇但是我們第一次做比賽，不得不選擇更加安全保險(xiǎn)的方式。而且時(shí)間不夠，我們掌握激光透鏡原理調(diào)試要花費(fèi)很多時(shí) 間。況且紅外對(duì)管的穩(wěn)定性好，也方便調(diào)試。具體實(shí)現(xiàn)方法將在第四章介紹。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 目前有兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，用飛思卡爾專(zhuān)用的 33886，和自己制作的 MOSFET 電路。由于實(shí)踐證明光電組的速度沒(méi)有達(dá)到要用 MOSFET 來(lái)供電的范疇，所以我們只考慮的33886 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 測(cè)速模塊 速度測(cè)量反饋回來(lái)的信號(hào)用于控制速度，可以提供變速的條件依據(jù)。這里可以用做測(cè)速的可以用紅外對(duì)管，也可以用霍爾元件來(lái)自己制作，但是精度不夠，影響速度控制，XX 學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 10 頁(yè) 而且需要制作編碼盤(pán)，打孔。主要是安裝復(fù)雜，我們?nèi)鄙倌Ｐ椭谱鞴ぞ叩那闆r下，我們選擇購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的編碼電機(jī)，主要可以節(jié)省我們的時(shí)間和精力。 數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機(jī)方案 對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸我們采取了兩種： 有線傳輸 就是直接通過(guò)上位機(jī)串口接單片機(jī)串口傳輸。這樣的方式直接而且成本低，可以對(duì)質(zhì)量較大的串口線做改變，使用一些質(zhì)量較輕的線代替，在小車(chē)行駛中不會(huì)產(chǎn)生太大的干 擾。 無(wú)線傳輸 使用無(wú)線模塊傳輸，就關(guān)電組來(lái)說(shuō)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常少我們采用高頻傳輸?shù)臒o(wú)線模塊，完全能夠傳輸我們采集的數(shù)據(jù)和小車(chē)運(yùn)行參數(shù)。 對(duì)于上位機(jī)的編寫(xiě)有很多方式，有各種的編程軟件都可以實(shí)現(xiàn)，可以選擇 C++,VB，JAVA 等。而對(duì)于控制類(lèi)的編程來(lái)說(shuō)我們使用的是 LabVIEW ，這是一款可視化的專(zhuān)業(yè)控制編程軟件。它所有的控制都是可視化的控件組成，而且可以提供很多圖形模式，能讓我們汽車(chē)運(yùn)行的數(shù)據(jù)看起來(lái)更加的直觀。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 11 頁(yè) 第四章 模塊方案設(shè)計(jì) 在挑選模塊的實(shí)現(xiàn)方式后我們進(jìn)入到最重要 的環(huán)節(jié)，就是模塊電路的實(shí)現(xiàn)。 電源與接口模塊設(shè)計(jì) 電源電路 為了能使智能車(chē)系統(tǒng)能正常工作，需要對(duì)電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識(shí)別傳感器模塊、測(cè)速模塊電路需要 5V 電壓，伺服電機(jī)工作電壓范圍是 到 6V，因此我們給其接到 6v 上。直流電機(jī)是用 的電池直接供電。 根據(jù)方案對(duì)比我們選用了 LM2940 與 LM1117 來(lái)實(shí)現(xiàn) 5V 和 6V 的穩(wěn)壓。下面分別介紹我們?cè)谑褂?LM2940 和 LM1117 的電路。 LM2940 5V 穩(wěn)壓電路 5V 穩(wěn)壓電源模塊不只為 S12 單片機(jī)供電，而且還要為 傳感器和無(wú)線模塊等供電考兩次到小車(chē)可能做頻繁的加速，減速動(dòng)作使得電池兩端電壓會(huì)有較大的波動(dòng)，因此為了確保系統(tǒng)能正常工作避免單片機(jī)意外的重啟，在電源輸入端加上旁路電容。如圖 所示，為了消除來(lái)自電源的干擾，在輸入端分別接入了電容值比較大的的電解電容和瓷片電容。 圖 LM2940 穩(wěn)壓電路 XX 學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 12 頁(yè) LM1117 6V 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓芯片選擇低電壓差的 LM1117。其輸出電壓和輸入電壓差可以低到 ，而電池電壓高于 ,因此 LM1117 滿足 6V 穩(wěn)壓要求。通過(guò)運(yùn)用公式 V=*（ 1+R2/R3）調(diào)節(jié)可變電阻 R2，可以得到輸出電壓穩(wěn)定到 6V。實(shí)驗(yàn)證明 LM1117 能夠?yàn)槎鏅C(jī)提供穩(wěn)定的電壓，在賽車(chē)運(yùn)行中，電壓的波動(dòng)范圍在 之間，能夠很好的維持舵機(jī)的穩(wěn)定工作。下面是 LM1117 原理電路如圖 所示： 圖 LM1117穩(wěn)壓電路 電源模塊介紹完了，基本電路很簡(jiǎn)單。下面介紹接口。 接口電路 我們要用到的單片機(jī)是 S12XS128，他提供 128 個(gè)接口，我們用 PP3 用于舵機(jī)控制， PP1 PP5 用于 33886 OU