【文章內(nèi)容簡介】 DIS 圖 電機驅(qū)動原理圖 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 6 圖 電機驅(qū)動實物圖 傳感器模塊 磁感應(yīng)傳感器 小車需要通過檢測道路中心的通有 100mA 導(dǎo)線的磁場來實現(xiàn)路徑識別，使用的交變電流頻率為 20kHz，那么磁場檢測就顯得尤為重要了?，F(xiàn)在測量磁場的方法很多，可以通過電感、磁 阻、霍爾元件等交變磁場傳感器來測量磁場 。我使用的是 10mH 工字型電感 ，如 圖 所示。 圖 10mH 工字型電感 選頻電路設(shè)計 電感切割磁場會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，但是這個感應(yīng)電動勢信號太弱，只有幾十毫伏，而且噪聲很多，會受到周圍不同 頻率的磁場的干擾。因此，電感切割磁場產(chǎn)生的電動勢需要進行選頻 ， 減少其他干擾信號的影響 。 利用 電感電容 即可 組成簡單的并聯(lián)諧振電路來實現(xiàn)選頻電路，諧振頻率要求為 20kHz，則可以通過公式 11計算出 C的值。 （ 式 11） 將 L=10mH， f=20xx0Hz 代入公式，可以得到 C= nF 左右，在市場上能夠買到北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 7 的最為接近 電容的標稱電容為 。電路圖如圖 所示。 圖 并聯(lián)諧振電路 放大電路設(shè)計 選頻后的信號還是很弱，因此為了能夠更加準確地獲得賽道信息，還需要對感應(yīng)電壓進行進一步的放大，這也是信號檢測最主要的部分?？梢赃x用運算放大器進行電壓放大，運放在選型上應(yīng)該選擇低噪音、動態(tài)范圍大、高速、單電源、增益帶寬積較高的運放。運放的選擇有很多，我們試過由 TI 公司生產(chǎn)的 LMV358，雖然 LMV358 價格便宜，容易購買，但是其增益帶寬積僅有 1MHz，在 20kHz 的信號頻率下，開環(huán)增益僅有 50 倍，而一般放大倍數(shù)要大于 100 倍，所以性能一般。在運放芯片的不斷嘗試中，我們最終選擇了性能卓越的 OPA2350，也是 TI 公司生產(chǎn)的高速、單電源、至軌運放，其增益帶寬積達到了 38MHz，在 20KHz 頻率下開環(huán)增益達到了 1900 倍，這足以看出來 OPA2350 性能非常的出色。 檢波電路設(shè)計 經(jīng)過選頻和放大后的電壓信號仍然是交流信號，如果直接將交流信號接入單片機的 AD 端口，使用單片機直接采樣交變電壓信號的話，采集數(shù)據(jù)的處理方面比較麻煩。所以，一般將交流信號整流為 直流信號再送入 AD 中進行處理。 可以使用肖特基二極管， 對信號進行檢波處理， 以便可以獲得更大的動態(tài)范圍。 磁感應(yīng) 傳感器整體設(shè)計 從電感切割磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢要經(jīng)過選頻、放大、檢波，最后再送入 AD 中。過程如圖 所示。 磁 場 感 應(yīng) 選 頻 放 大 檢 波A D 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 8 圖 放大電路過程 磁感應(yīng) 傳感器的實際電路設(shè)計 放大電路使用的運放芯片是 OPA2350，電感切割磁場產(chǎn)生的電動勢經(jīng)過選頻、放大、檢波等步驟。設(shè)計的電路圖如 圖 所示 ，實物圖如圖 所示。 56784U1B200RR1100KR2C1Cap SemiC2capD1ss1210KR3D2ss12112GNDVCCGNDGND 圖 放大電路原理圖 圖 放大電路實物圖 速度傳感器 小車在自主循跡過程中，速度的控制很重要。小車在直道上加速行駛，進入彎道后減速行駛，否則很容易沖出賽道。而在控制小車速度的環(huán)節(jié)上，首先得獲得小車的當(dāng)前速度，然后才能決定是加速還是減速。用于測速的傳感器通常有霍爾傳感器、光電傳感器、測速電機、編碼器四種，我們選用了測量精度較高，穩(wěn)定性較好的編碼器來進行測速。根據(jù)精度要求，我們購買了 360 線的歐 姆龍編碼器，為數(shù)字量輸出，可供單片機直接采集以獲得速度值。 起跑線檢測傳感器 智能小車除了能夠?qū)崿F(xiàn)自主循跡外，還要有跑完一圈后自動停車功能。電磁組的賽道在起跑線處有永磁鐵，用來檢測起跑線。選擇干簧管來檢測永磁鐵無疑是最簡單北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 9 的方法，干簧管我也試了很多種，有的好用有的不好用，好不好用是以可以檢測的最高高度衡量的，而且有的干簧管外表是玻璃的，很容易打碎，經(jīng)過選擇，發(fā)現(xiàn)了外面有塑料包裝的干簧管，不容易損壞，我最終使用的是這個，檢測高度大約有 ，這個高度已經(jīng)足夠了。當(dāng)然磁鐵的大小不同，稍微有些差異。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 10 2 機械調(diào)校 舵機的安裝 小車轉(zhuǎn)向是 通過舵機來驅(qū)動的，所以舵機的安裝會影 響到小車轉(zhuǎn)向的角度和靈敏度。由于小車上面的空間有限，為了合理利用，將舵機安裝位置挪到了兩前輪之間。舵機的固定需要支架，使用了鋁合金材料的支架，不僅結(jié)實而且特別輕，不會使小車的重心向前移。舵機的安裝如圖 所示。 圖 舵機的安裝 前瞻的固定 電感的排布 智能小車的前瞻應(yīng)該盡量長點 ，正所謂“站得高看得遠”，足夠的前瞻量能提前獲得賽道的信息以便更好的控制小車。當(dāng)使用多個傳感器的時候，傳感器之間的距離越大，便越能獲得更多的賽道信息。我使用的是兩個電感的方案，兩個電感之間的距離為 25cm 左右，如 圖 所示。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 11 圖 電感的排布 前瞻的 長度 由于 車模不限制長度，所以為了能夠提前獲取賽道信息以便更快的響應(yīng)，我增加了前瞻的長度。當(dāng)然，并不是說前瞻越長越好，而是需要一個合適的長度，與控制算法有關(guān)系，要結(jié)合實際情況。但是，短前瞻效果肯定不好。前瞻的材料使用的是碳纖維桿，為了減輕前瞻的重量，使小車的中心不往前移，我試了不同直徑的碳纖維桿，以小車行駛時前瞻不顫動為標準，選用了直徑為 4*2mm 的規(guī)格。前瞻的固定如圖 所示。 圖 前瞻的固定 編碼器的安裝 編碼器的安裝需要注意的事項就是齒輪的咬合，包含編碼器與差速、差速齒輪與電機。 調(diào)節(jié)齒輪之間的距離，然后打開電機聽聲音可以判斷齒輪咬合的松緊。如果轉(zhuǎn)動聲音尖銳，則表示齒輪咬合的太緊。如果聲音零碎，則表示齒輪咬合的太松。齒輪咬合的太松，容易損壞齒輪，齒輪咬合的太緊，影響電機。所以，調(diào)整齒輪咬合，以松緊合適為準，既不松動，也不卡滯。編碼器的安裝如圖 所示。 圖 編碼器的安裝 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 12 降低重心 為了讓小車 運行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向靈活，過彎時不側(cè)翻，通常會降低小車的重心。小車上最重的就是電池了，所以為了降低小車的重心，我將電池的高度往下降了，并且位置往后移動一點。還去掉了小車上一些無關(guān)緊要的零件，最大限度的減輕小車的重量，使小車運行起來輕便，轉(zhuǎn)向靈敏，加速減速更快。電池的安裝如圖 所示。 圖 電池的安裝 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 13 3 軟件編寫 開發(fā)環(huán)境 Kiis 是基于 ARM Cortex M4 核心的，可以使用飛思卡爾公司推出的面向嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件工具 CodeWarrior（簡稱 CW），還可以選用第三方的開發(fā)環(huán)境，我使用的是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具 IAR。軟件界面如圖 。 圖 IAR 界面 程序下載 程序?qū)懞弥螅€需要下載到單片機中，我們使用的是 USB 接口的 JLINK 下載器，將電腦與單片機通過 JLINK 連接后，在 IAR 界面的右上角有個下載按鈕，點擊下載即可。 IAR 程序下載界面如圖 所示。 圖 IAR 程序下載界面 底層驅(qū)動編寫 Kiis 芯片是首款基于 ARM Cortex M4 內(nèi)核的微控制器，基于飛思卡爾創(chuàng)新的90nm 薄膜存儲器（ TFS）閃存技術(shù)，具有獨特的 Flex 存儲器（可配置的內(nèi)嵌 EEPROM）。北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 14 Kiis 芯片融合了最新的低功耗革新技術(shù)，具有高性能、高精度的混合信號能力，寬廣的互連性，人機接口和安全外設(shè)。 Kiis 系列微控制器第一階段產(chǎn)品 有五個系列，如 圖 所示。 圖 Kiis 微控制器產(chǎn)品組合 GPIO 模塊 GPIO 即輸入輸出端口 ，常用于輸入或輸出邏輯信號。 打開時鐘 使用 GPIO 需要先啟用該端口的時鐘，否則無法使用，而時鐘需要通過 SIM 模塊的 SIM_SCGC5 寄存器設(shè)置， SIM_SCGC5 寄存器圖 所示。 圖 SIM_SCGC5 寄存器 將 SIM_SCGC5 寄存器的第 1 1 13 位設(shè)置為 1， IO口模塊獲得系統(tǒng)時鐘，然后才能正常工作?？梢允褂煤甓x來實現(xiàn)，不容易出錯。 宏定義的代碼如下： define SIM_SCGC5_PORTA_MASK 0x200u define SIM_SCGC5_PORTB_MASK 0x400u define SIM_SCGC5_PORTC_MASK 0x800u define SIM_SCGC5_PORTD_MASK 0x1000u 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 15 define SIM_SCGC5_PORTE_MASK 0x20xxu SIM_SCGC5 寄存器的設(shè)置代碼如下： SIM_SCGC5|=SIM_SCGC5_PORTA_MASK|SIM_SCGC5_PORTB_MASK|SIM_SCGC5_PORTC_MASK|SIM_SCGC5_PORTD_MASK | SIM_SCGC5_PORTE_MASK。 設(shè)置引腳功能 Kiis 系列的單片機的 IO 口一般都有復(fù)用功能，所以我們只有通過設(shè)置啟用GPIO 功能， IO 口才能使用，所以打開時鐘之后就需要將使用的引腳設(shè)為 GPIO 模塊，通過設(shè)置引腳控制寄存器（ PORTx_PCRn）來實現(xiàn)。該寄存器如 圖 所示。 圖 PORTx_PCRn 寄存器 引腳復(fù)用功能通過設(shè)置 MUX 即可，將 MUX 設(shè)為 1則該引腳 GPIO 功能即啟用。代碼如下： PORTE_PCR0= 0x00000100。//E0 引腳設(shè)置為 GPIO 模式 還可以通過宏定義的方式，宏定義如下： define PORT_PCR_MUX(1) 0x00000100 GPIO 口方向設(shè)置 大多數(shù)單片機的 IO 口都是雙向的，當(dāng)然功能強大的 Kiis 系列的單片機也不例外。在使用 IO 口前，需要設(shè)置 IO 口為輸入或者輸出，可通過設(shè)置 IO 口方向寄存器，即 GPIOx_PDDR 寄存器來確定 IO 口為輸入還是輸出。 GPIOx_PDDR 寄存器如 圖 所示。 圖 IO 口方向寄存器 GPIOx_PDDR 其中， PDD 為引腳方向設(shè)置位， PDDx=1 是將引腳 x 設(shè)置為輸出， PDDx=0 是將引腳 x設(shè)置為輸入。 具體代碼如下： GPIOE_PDDR|=0X00000001。//E0 設(shè)置為輸出 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 16 PIT 模塊 中斷程序的作用是，中斷發(fā)生后 ， 當(dāng)前程序會被立即暫停，然后 進入中斷程序，等中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，再恢復(fù)現(xiàn)場，并回到斷點處繼續(xù)執(zhí)行剛才的程序。不同的中斷源，觸發(fā)中斷的事件也不同。在單片機的應(yīng)用中，經(jīng)常會用到的一種中斷就是定時中斷，當(dāng)定時時間到時則觸發(fā)中斷。定時中斷在智能車中最主要的應(yīng)用就是測速，而 Kiis 中的 PIT 模塊用來做簡單的定時是最簡單的一種。 PIT 模塊即周期定時模塊，主要功能是用來產(chǎn)生定時中斷。定時中斷的原理是通過對總線時鐘進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)遞減到 0 時即產(chǎn)生中斷，我們可以通過給每個計數(shù)器賦予不同的初值來獲得想要的中斷周期，每次中斷后，計數(shù)器便會自動加載我 們自己設(shè)定的初值，如此反復(fù)即實現(xiàn)了定時中斷的功能。 時鐘 設(shè)置 如果要使用定時中斷的話，就需要先打開時鐘。通過寄存器 SIM_SCG6 的設(shè)置可以打開 PIT 模塊的時鐘，將寄存器 SIM_SCG6 的第 12~15 位設(shè)置為 1 即可打開 PIT 時鐘，具體代碼如下： SIM_SCGC6|=SIM_SCGC6_PIT_MASK。//打開 pit 時鐘 其中 SIM_SCGC6_PIT_MASK 為宏定義： define SIM_SCGC6_PIT_MASK 0x800000u 使能 PIT 模塊 開啟 PIT 模塊的時鐘之后，需要使能 PIT 模塊，通過設(shè)置 PIT 模塊控制器即PIT_MCR 來實現(xiàn)， PIT_MCR 寄存器如 圖 所示 。 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Read MDIS FR