【正文】 因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。 Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì)，將MCS51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。 （Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。 單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段?，F(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。這種計(jì)算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱微控制器）。 可以說(shuō)，二十世紀(jì)跨越了三個(gè)“電”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國(guó)50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來(lái)搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國(guó)70年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別！只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過(guò)你編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機(jī)對(duì)成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級(jí)匯編語(yǔ)言，它是除了二進(jìn)制機(jī)器碼以上最低級(jí)的語(yǔ)言了，既然這么低級(jí)為什么還要用呢？很多高級(jí)的語(yǔ)言已經(jīng)達(dá)到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡(jiǎn)單，就是單片機(jī)沒(méi)有家用計(jì)算機(jī)那樣的CPU，也沒(méi)有像硬盤那樣的海量存儲(chǔ)設(shè)備。我們現(xiàn)在用的全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！......它主要是作為控制部分的核心部件。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。 單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。最后，還要感謝我的家人，感謝他們的默默付出和對(duì)我的支持。其次，還可以考慮仿真平臺(tái)的搭建，這對(duì)算法調(diào)試來(lái)說(shuō)是很有意義的，但是性能仿真這一塊，由于缺乏精確的數(shù)學(xué)模型，只能對(duì)模型車系統(tǒng)性能進(jìn)行初步的仿真.，仿真結(jié)果只能作為設(shè)計(jì)參考。2）硬件傳感器方面。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)和摸索是提高成績(jī)的根本，只有經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能得到可靠的算法。③ 賽車實(shí)際速度獲取速度檢測(cè)是為了反饋小車當(dāng)前速度，了解當(dāng)前狀態(tài)并決定控制策略的一個(gè)環(huán)節(jié)。在實(shí)際賽道測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整算法參數(shù)，可以很好地彌補(bǔ)響應(yīng)延時(shí)。由于賽車高速運(yùn)行，控制算法頻率為50Hz，因此每20ms，就需向舵機(jī)發(fā)送一次控制命令。2）開發(fā)所遇到問(wèn)題及分析解決在整個(gè)車模開發(fā)過(guò)程中，并不是一帆風(fēng)順的，期間遇到了各種軟硬件問(wèn)題。每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都是經(jīng)過(guò)查閱資料、科學(xué)論證、方案驗(yàn)證、電路設(shè) 塊的性能得以優(yōu)化和完善。1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)① 系統(tǒng)總體概述及主要部件的標(biāo)定從總體上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的論述，主要說(shuō)明系統(tǒng)的主要構(gòu)成模塊。實(shí)時(shí)記錄各個(gè)電磁傳感器信號(hào)、車速信號(hào)、電池電壓信號(hào)、舵機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)，以分析各種控制策略的好壞及控制參數(shù)的優(yōu)劣。在系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，不同階段都會(huì)有不同情況的調(diào)試，系統(tǒng)的調(diào)試主要包括系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)試。所以本設(shè)計(jì)對(duì)汽車的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其職能汽車的自動(dòng)道路識(shí)別也是對(duì)智能汽車這個(gè)大的方向研究的一個(gè)方面，即具有很強(qiáng)的理論性，也包含現(xiàn)況的要求。最后對(duì)系統(tǒng)的初始化進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。 TSCR1_TFFCA = 1。 TSCR2 = 0X07。 PERT = 0XFF。 ATD0CTL5=0x30。 ATD0CTL1=0x20。另外，還能夠配置A/D外部觸發(fā)功能。ATD模塊共有20個(gè)外部引腳，其中有4個(gè)電源相關(guān)引腳和16路模擬量輸入引腳。PWMPER45 =3200。PWMPER01 =20000。 //通道7開始高電平PWMCTL =0xFC。通過(guò)配置寄存器可設(shè)置PWM 的使能、每個(gè)通道脈沖極性、輸出脈沖的對(duì)齊方式、時(shí)鐘源以及通道位數(shù)（8位通道或者16位通道）。 //vcoclk頻率和目標(biāo)頻率的誤差已在允許的范圍內(nèi) CLKSEL_PLLSEL =1。 //鎖相環(huán)電路允許SYNR =0XC7。時(shí)鐘的倍、分頻關(guān)系由SYNR、REFDV 兩寄存器決定。舵機(jī)被放置在車體的最前方，控制前輪的轉(zhuǎn)向。%時(shí)舵機(jī)指向90176。到90176。 舵機(jī)控制策略舵機(jī)的連接方式為三線連接法既黑線為地線、紅線為電源線()、白線為信號(hào)線(PWM信號(hào))。2）調(diào)速范圍寬，高精度，機(jī)械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且運(yùn)行速度平穩(wěn)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試與整定，可得PID調(diào)節(jié)的控制參數(shù)基本參數(shù)，記作。三個(gè)參數(shù)選擇的好壞，直接影響到控制效果的好壞，合理的參數(shù)會(huì)使控制效果優(yōu)良，不合理的選擇會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能變差，有時(shí)甚至使系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定。由式(47)可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因?yàn)橐奂悠頴(i)，不僅要占用較多的存儲(chǔ)單元，而且不便于編寫程序，為此可對(duì)式(47)進(jìn)行改進(jìn)，即得數(shù)字PID增量型控制算式為： (49) 增量型算法與位置型相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差或計(jì)算精度問(wèn)題對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，而位置型算法要用到過(guò)去所有誤差的累加值，這樣就容易產(chǎn)生較大的累加誤差。因此連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。 .(42)式中 、 、別為比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間。此外，微分作用也使得系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)變得敏感。增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在有靜態(tài)誤差的系統(tǒng)中有利于減小靜差，加大比例系數(shù)則能減小靜差，卻不能從根本上消除靜差。圖45 小S彎最優(yōu)軌跡 Optimal track for Sangle 舵機(jī)調(diào)節(jié)經(jīng)實(shí)際調(diào)試，舵機(jī)采用PD控制方可確保其閉環(huán)穩(wěn)定性。圖43 賽車最優(yōu)軌跡Fig43 Optimal track for car圖44直角車最優(yōu)軌跡 Optimal track for rightangle當(dāng)智能車通過(guò)小S彎時(shí)，采用直線通過(guò)的形式，這樣既避免了過(guò)彎時(shí)減速，又減少了行駛路徑的長(zhǎng)度，如圖45所示： 控制方法的選擇及分析智能車在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)變換的遇到直道、大S彎、小S彎、急彎、坡道等不同路況，車速需要根據(jù)時(shí)間路況進(jìn)行調(diào)整才能達(dá)到快速穩(wěn)定的目的。規(guī)則規(guī)定，賽道上中心線的最小半徑是50cm，采用中一內(nèi)一外的過(guò)彎路徑可以使賽車實(shí)際行駛的半徑在180176。由物理知識(shí)和Fl賽車的啟發(fā)，賽車在通過(guò)彎道時(shí)選擇外一內(nèi)一外的路徑是合理的，如圖42所示。側(cè)翻現(xiàn)象可以通過(guò)降低汽車重心的辦法來(lái)避免。智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。要進(jìn)行的外部控制輸出有：舵機(jī)轉(zhuǎn)向輸出、驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力輸出、以及調(diào)試用的狀態(tài)信息通過(guò)LCD顯示輸出。 ④ IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。 3）提高敏感器件的抗干擾性能① 布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。③ 電路板合理分區(qū)。② 布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。 3）敏感器件：指容易被干擾的對(duì)象。圖321傳感器電路 Sensor circuit 硬件的抗干擾措施 硬件干擾的基本要素有三個(gè)： 1）干擾源：指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)。上述電路諧振頻率為： 。在檢測(cè)幅值之前必須進(jìn)行有效的放大，放大倍數(shù)一般要大于100倍（40db）。如下圖所示。由于霍爾元件和磁阻傳感器的檢測(cè)精度比較低，價(jià)格比較高。因此在位移0~30cm之間，電動(dòng)勢(shì)差值Ed與位移x是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。根據(jù)上面(35)公式可以知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與成正比[8]。這兩個(gè)線圈的間隔為L(zhǎng)，線圈的高度為h，參見下圖315所示。我們先討論一種最簡(jiǎn)單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測(cè)方案。我們需要選擇適合車模競(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。（4）載流子自旋相互作用磁場(chǎng)測(cè)量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場(chǎng) 傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁滯電阻效應(yīng)）、磁機(jī)械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導(dǎo)體與電子自旋量子力學(xué)效應(yīng)。再根據(jù)導(dǎo)線磁場(chǎng)分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為： (35) 即線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。圓上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，并隨著距離導(dǎo)線的半徑r增加成反比下降。通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向可以反過(guò)來(lái)獲得距離導(dǎo)線的空間位置，這正是我們進(jìn)行電磁導(dǎo)航的目的。 路徑識(shí)別模塊 導(dǎo)線周圍的電磁場(chǎng)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí)，IO讀入高電平，有鍵按下是，IO口讀入低電平，電路如310所示。電磁編碼器的安裝精度較高，要求編碼器軸與賽車后軸同軸，通過(guò)齒輪與賽車差速器相聯(lián)。IN=1且INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平。AMS11175穩(wěn)壓芯片有兩個(gè)版本：固定輸出版本和可調(diào)版本，、具有1%精度，發(fā)熱小，穩(wěn)壓需要很小壓差；AMS11175內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。電源系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵所在，其標(biāo)稱容量為2000mAh，該電池可在2A的工作電流下持續(xù)工作1小時(shí)。BDM接口通信示意圖如圖35所示：圖35 BDM下載電路 The circuit of BDM download完成這4部分電路，就可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，可以向單片機(jī)下載程序、調(diào)試程序等，可以在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。而且如果使用上電復(fù)位，容易產(chǎn)生復(fù)位不成功。其外部晶振電路有兩種接線方式，一種是串聯(lián)振蕩電路，另一種是并聯(lián)振蕩電路。由于S12單片機(jī)內(nèi)部集成了電壓調(diào)整器模塊，電壓調(diào)整器模塊產(chǎn)生單片機(jī)內(nèi)部需要的其他電壓，因此只要向S12單片機(jī)提供+5V外部電源就可以了。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個(gè)成員[5]。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機(jī)以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡(jiǎn)稱S12系列，典型的S12總線速度可以達(dá)到25MHZ。本章詳細(xì)介紹了智能小車系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及其硬件設(shè)計(jì)。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本智能車系統(tǒng)采用“飛思卡爾”單片機(jī)MC9S12XS128作為核心控制單元，由安裝在智能車前部的電磁傳感器獲得賽道空間磁場(chǎng)信息并傳到核心控制單元單片機(jī)中，由智能車“大腦”接收并處理從傳感器傳回的信息，PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，通過(guò)輸出不同占空比控制智能車的轉(zhuǎn)向舵機(jī)與直流電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)控制智能車按照規(guī)定賽道行駛。 當(dāng)橡膠的復(fù)合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時(shí)候 ，粘合力就會(huì)占支配地位[4]。應(yīng)該注意的是：當(dāng)輪胎產(chǎn)生少量的橫向滑動(dòng)(通常在5%到15%之間)時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到了最大值。當(dāng)輪胎在壓力下變形，且輪胎接地塊偏離其縱軸運(yùn)動(dòng)，這種情況就會(huì)發(fā)生。舉例說(shuō)：當(dāng)滑動(dòng)量比較大的時(shí)候，變形力就會(huì)大于粘合力，占支配地位。這時(shí)候，輪胎會(huì)有一些橫向滑動(dòng)。而縱軸表示摩擦系數(shù)，在圖中左邊的部分， 發(fā)生于輪胎內(nèi)部的滑動(dòng)處于支配的地位，就是常說(shuō)的“輪胎蠕動(dòng)”。計(jì)算兩個(gè)物體表面之間所產(chǎn)生的摩擦力的公式是： (22)其中是最大摩擦力， N為物體表面所受到的正壓力，μ表示摩擦系數(shù)。經(jīng)過(guò)我們的分析，假設(shè)模型車勻速過(guò)彎，那么它所受到的向心力是不變的，設(shè)為F1，將F1分解為平行于模型車的力F2和垂直于模型車的力F3，如圖25所示： 圖25轉(zhuǎn)彎受力分析 Turn stress analysis 其中F2將影響模型車的前滑力，而F3是阻止模型車側(cè)向滑動(dòng)的力，根據(jù)理論分析，我們認(rèn)為當(dāng)保持模型車過(guò)彎速度不變時(shí)（即保持向心力不變），減小F2即能增大模型車的防側(cè)滑力F3，所以我們建立了一套較好的過(guò)彎算法，詳細(xì)算法見軟件算法一章。前輪定位參數(shù)、車速、輪胎氣壓、載荷和驅(qū)動(dòng)方式都是引起前輪側(cè)滑的因素，但前輪定位參數(shù)中前束值與外傾角匹配是影響前輪側(cè)滑的最主要因素。 防側(cè)滑理論 汽車側(cè)滑分為前輪側(cè)滑、后輪側(cè)滑和四輪側(cè)滑三種情況。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越高。通過(guò)以上理論分析并結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)，我們將汽車模型的重心調(diào)整在前后軸之間五分二左右的位置，并使其靠近前軸，這時(shí)智能車的行駛比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向也比較靈活，行路線平滑。相應(yīng)的具有中性轉(zhuǎn)向特性的汽車，其半保持不變，具有過(guò)多轉(zhuǎn)向特性的汽車其轉(zhuǎn)彎半徑越來(lái)越小。制動(dòng)方向的穩(wěn)定性與前后輪的抱死次序有關(guān)，而抱死次序則與重心位置有關(guān)，若重心靠前，則容易發(fā)生后輪側(cè)滑，對(duì)高速汽車危險(xiǎn)性大；若重心后移，則前輪容易喪失轉(zhuǎn)向能力?？紤]到賽車和賽道的情況，這里只介紹與動(dòng)力性、制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性相關(guān)的理論。舵機(jī)升高之后，直線行駛狀態(tài)下的車輪定位參數(shù)尤其是前束值會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)需要稍微調(diào)整兩根轉(zhuǎn)向拉桿的長(zhǎng)度，將前束值調(diào)整至合理的范圍內(nèi)。 舵機(jī)的安裝與改進(jìn) 舵機(jī)響應(yīng)速度是整車過(guò)彎速度的一個(gè)瓶頸。 前輪外傾前輪外傾角對(duì)汽車的轉(zhuǎn)彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉(zhuǎn)向安全性和轉(zhuǎn)向操縱的輕便性。它使車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。主銷內(nèi)傾角