【正文】 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇： 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí)，不要忘記Intel和Philips的歷史功績(jī)。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。它所涉及的領(lǐng)域都與對(duì)象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。在開(kāi)創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒(méi)。 （Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機(jī)或其它可編程邏輯器件上。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱(chēng)前冠以形容詞——“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等。它在整個(gè)裝置中，起著有如人類(lèi)頭腦的作用，它出了毛病，整個(gè)裝置就癱瘓了。顧名思義，這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。還有一類(lèi)計(jì)算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。不過(guò)，這種電腦，通常是指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)PC機(jī)。一樣的道理，如果把巨型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用PC上來(lái)運(yùn)行，家用PC的也是承受不了的。一個(gè)可視化高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會(huì)達(dá)到幾十K的尺寸！對(duì)于家用PC的硬盤(pán)來(lái)講沒(méi)什么，可是對(duì)于單片機(jī)來(lái)講是不能接受的。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。 它是一種在線(xiàn)式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線(xiàn)式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線(xiàn)式計(jì)算機(jī)的（比如家用PC）的主要區(qū)別。 單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類(lèi)似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線(xiàn)，還有和硬盤(pán)作用相同的存儲(chǔ)器件，不同的是它的這些部件性能都相對(duì)我們的家用電腦弱很多，不過(guò)價(jià)錢(qián)也是低的，一般不超過(guò)10元即可......用它來(lái)做一些控制電器一類(lèi)不是很復(fù)雜的工作足矣了。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。汽車(chē)上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類(lèi)的數(shù)量還要多。手機(jī)、電話(huà)、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有12部單片機(jī)。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專(zhuān)用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過(guò)300MHz，性能直追90年代中期的專(zhuān)用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端[1]的型號(hào)也只有10美元。隨著INTEL i960系列特別是后來(lái)的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開(kāi)始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢(xún)r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)。 早期的單片機(jī)都是8位或4位的。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。45參考文獻(xiàn)[1][J]..[2][D].東北大學(xué),2009.[3]張茜,楊旭海,[J].電子元器件應(yīng)用,2012,(Z1):1216.[4]高金源,[M]..[5]擺玉龍,楊利君,[J].測(cè)控技術(shù),2011,(11):5964.[6][D].天津工業(yè)大學(xué),2007.[7][J].. 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Mizumoto PID type fuzzy controller and parameters adaptive method, Fuzzy Sets and Systems, no. 78, 1996.附錄A 譯文單片機(jī)單片機(jī)也被稱(chēng)為微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫(xiě)MCU表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。其次，要向在設(shè)計(jì)中給過(guò)我?guī)椭椭更c(diǎn)的學(xué)長(zhǎng)和同學(xué)表示感謝，是他們的幫助讓我取得了很大的進(jìn)步，是我收獲了很多。致謝首先感謝張國(guó)軍老師，本設(shè)計(jì)是在張國(guó)軍老師的指導(dǎo)下完成的，從課題選擇到論文完成的整個(gè)過(guò)程，張老師對(duì)此傾注了心血。首先，可以繼續(xù)在模糊控制算法上進(jìn)行深入，也可以引入記憶算法的研究。目前，主要試過(guò)的路面檢測(cè)傳感器是電磁傳感器，賽車(chē)以檢測(cè)通以20KHZ、100mA的導(dǎo)線(xiàn)的電磁場(chǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)單片機(jī)采集到的磁感應(yīng)電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)賽車(chē)的轉(zhuǎn)向控制，進(jìn)而識(shí)別賽道達(dá)到路徑尋跡的目的。舵機(jī)在模型車(chē)相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向性能需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，隨著車(chē)速的提高，舵機(jī)在過(guò)彎的時(shí)候不能及時(shí)執(zhí)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作，而導(dǎo)致模型車(chē)沖出賽道的情況，因此，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度是有待解決的問(wèn)題；模型車(chē)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要作進(jìn)一步的調(diào)整，模型車(chē)在相對(duì)高速運(yùn)行時(shí)有時(shí)前輪會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象，從而影響模型車(chē)的整體性能，因此需要從汽車(chē)?yán)碚摰慕嵌葋?lái)分析車(chē)輛重心分布、前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面對(duì)模型車(chē)驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向性能的影響。具體來(lái)說(shuō)，還可以在以下幾方面繼續(xù)探索：1）小車(chē)機(jī)械性能方面。 展望通過(guò)對(duì)模型車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及研究，取得了一定的成果，但仍然有需要改進(jìn)的地方，展望未來(lái)，在軟硬件方面可以進(jìn)行更多的嘗試。除了尋線(xiàn)傳感器獲取到的車(chē)身偏移量，賽車(chē)運(yùn)行速度是車(chē)身運(yùn)動(dòng)控制算法中的重要參數(shù)。由于賽車(chē)沒(méi)有安裝剎車(chē)機(jī)構(gòu)，車(chē)輛減速只能依靠永磁電機(jī)特性和運(yùn)動(dòng)負(fù)載減速，因此賽車(chē)減速特性較差，需要預(yù)留足夠長(zhǎng)的減速距離，完成入彎減速。② 賽車(chē)彎道速度控制問(wèn)題實(shí)際賽道測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如果不控制賽車(chē)在彎道時(shí)的速度，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足的問(wèn)題。其次，增加力臂長(zhǎng)度，以加快舵機(jī)響應(yīng)。而參考舵機(jī)說(shuō)明書(shū)，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)響應(yīng)延時(shí)大于20ms，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)控制命令。大賽組委會(huì)所提供的轉(zhuǎn)向舵機(jī)，在實(shí)際賽道測(cè)試時(shí)，遇到了嚴(yán)重的響應(yīng)延時(shí)問(wèn)題。在此，對(duì)一些重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行一下說(shuō)明。對(duì)于路徑識(shí)別模塊設(shè)計(jì)了基于傳感器離散分布的連續(xù)路徑識(shí)別算法；對(duì)于速度檢測(cè)模塊應(yīng)用了編碼器；對(duì)于電機(jī)控制采用了PI控制算法，舵機(jī)采用PD控制算法。③ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是基于相應(yīng)的硬件系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。硬件設(shè)計(jì)主要包括核心控制模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別、舵機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、速度檢測(cè)模塊等模塊。通過(guò)對(duì)主要部件的標(biāo)定，以更為深入的了解各個(gè)系統(tǒng)及器件的特性，為后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及控制算法和控制策略的制定和選擇奠定基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)更加精確和可靠的設(shè)計(jì)?；仡櫛敬卧O(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行一下總結(jié)。智能小車(chē)在該跑道上進(jìn)行綜合測(cè)試時(shí)，直線(xiàn)上行駛過(guò)程中小車(chē)不會(huì)出現(xiàn)圍繞中心銅線(xiàn)左右擺動(dòng)的情況，能夠全速前進(jìn)；在彎道時(shí)小車(chē)能夠及時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，并且沿著內(nèi)彎行駛，不會(huì)沖出賽道或者沿外圈行駛。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)試是調(diào)試系統(tǒng)的重點(diǎn)，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)智能模型車(chē)系統(tǒng)在不同控制策略及不同控制參數(shù)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試主要是對(duì)各個(gè)傳感器輸出特性的一致性檢測(cè)，以及在使用過(guò)程中，傳感器可能會(huì)被損壞，通過(guò)模型車(chē)開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以很方便的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。系統(tǒng)的調(diào)試效率，對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)開(kāi)發(fā)進(jìn)度有很大的影響。由于本設(shè)計(jì)是在參加第八屆飛思卡爾智能汽車(chē)的背景上設(shè)計(jì)的小車(chē)，所以本設(shè)計(jì)對(duì)未來(lái)智能汽車(chē)的發(fā)展前景是提供智能汽車(chē)的雛形，為智能汽車(chē)的全智能化提供基礎(chǔ)。智能汽車(chē)的研究和發(fā)展是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)，隨著目前石油的價(jià)格上漲，以及石油自身?xiàng)l件的影響，以后燃燒汽車(chē)的原料將原越來(lái)越緊缺，這必將增加人們向汽車(chē)新的能源的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，以及對(duì)汽車(chē)燃料的節(jié)省。5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 本設(shè)計(jì)致力于智能汽車(chē)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上，設(shè)計(jì)的過(guò)程中從硬件電路的搭接，調(diào)試，保證硬件電路無(wú)任何的機(jī)械方面的故障和性能方面的不匹配，以及軟件的編程和調(diào)試。使用連續(xù)算法進(jìn)行路徑識(shí)別，有效的提高了路徑識(shí)別的分辨率，使舵機(jī)控制更加連續(xù)。 TSCR1_TEN = 1。 TSCR2_TOI = 1。 TIE_C0I = 0。 TCTL4 = 0X0a。 TIOS = 0X00。其初始化設(shè)置為：DDRT = 0X00。 FATDCLk = [BusClock*]/[PRS+1] =125ns//ATD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率計(jì)算公式 TIM模塊增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊對(duì)端口功能進(jìn)行了擴(kuò)展，ECT模塊能實(shí)現(xiàn)輸入捕捉和輸出比較兩大功能。 ATD0CTL4=0xe3。 ATD0CTL2=0x40。 //禁止數(shù)字輸入緩沖到ANx引腳，該引腳作為模擬量輸入使用ATD0CTL0=0x01。 其具體設(shè)置如下：DDR0AD0 = 0X00。AN15~AN0是模擬量輸入通道15~0，也可配置為數(shù)字I/O口使用。VRH、VRL兩個(gè)引腳為A/D轉(zhuǎn)換提供參考電壓的參考高電壓和參考低電壓。 /*打開(kāi)P1和P3口*/ A/D模塊初始化 A/D模塊由一個(gè)總線(xiàn)時(shí)鐘預(yù)分頻器、逐次逼近寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、比較器和16通道多路開(kāi)關(guān)等部分組成。 PWMDTY45 =0。 PWMDTY23 =STEER_MID_VALUE。 PWMDTY01 =STEER_MID_VALUE。//比例因子B寄存器 PWMSCLA =0。 //01，23,45為16位輸出 PWMCLK =0x08。 //A和B總線(xiàn)時(shí)鐘2分頻PWMPOL =0xAa。初始化設(shè)置如下：PWMCAE =0x00。該模塊有4個(gè)時(shí)鐘源A、SA、B、SB，其中A、SA對(duì)應(yīng)0、5通道，B、SB對(duì)應(yīng)7通道。 //系統(tǒng)時(shí)鐘由PLLCLK分頻（fBUS=fPLL/2） CLKSEL=0X00。 //當(dāng)上電復(fù)位發(fā)生時(shí)PORF置1 系統(tǒng)復(fù)位不受影響 while(!(CRGFLG_LOCK==1))。 REFDV=0X81。 程序如下:PLLCTL_PLLON=1。其計(jì)算公式為：fPLL = 2*fosc*(SYNR+1)/(REFDV+1)。本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了超頻，將總線(xiàn)時(shí)鐘提高到64MHz。 各個(gè)模塊初始化 時(shí)鐘模塊初始化 本設(shè)計(jì)采用16MHz 的外部晶振作為XS128的時(shí)鐘，這樣在默認(rèn)設(shè)置下，其鎖相環(huán)時(shí)鐘、總線(xiàn)時(shí)鐘和內(nèi)核時(shí)鐘分別為128MHz、64MHz和64MHz。之間。由于受車(chē)身結(jié)構(gòu)限制，實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)角度只能在42176。%時(shí)舵機(jī)指向90176?？刂贫艘恢芷趹?yīng)該為50Hz～100Hz的方波，為使其快速響應(yīng)性能好，我們使用100Hz方波控制。可轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為90176。通過(guò)上圖可以看到，隨著脈寬的增加，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角成線(xiàn)性變化，因此可以通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)舵機(jī)的輸出，可直接由單片機(jī)輸出口控制。5）可以長(zhǎng)時(shí)間地處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會(huì)燒毀電機(jī)，一般電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停轉(zhuǎn)時(shí)，穩(wěn)定溫升不超過(guò)允許值時(shí)輸出的最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的電樞電流為連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流。3）具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化。在很多方面有優(yōu)越性，具體來(lái)說(shuō)，它具有以下優(yōu)點(diǎn):1）具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 舵機(jī)和電機(jī)控制策略 賽道信息智能汽車(chē)競(jìng)賽規(guī)則規(guī)定：跑道寬度不小于450mm，跑道表面為白色，中心有連續(xù)銅導(dǎo)線(xiàn)作為引導(dǎo)線(xiàn)。針對(duì)上述問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在尋求控制器參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高性能指標(biāo)的控制要求[12]。所以，探求一種精確的整定方法有著重要的理論意義和工程應(yīng)用意義。但增量型也有其不足之處，如積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。2）增量型算法得出的是控制量的增量，例如閥門(mén)控制中，只輸出閥門(mén)開(kāi)度的變化部分，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動(dòng)作影響大。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量，則應(yīng)該采用增量型PID控制[11]。因此，必須把式(42)變換成差分方程，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)來(lái)代替連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換： (45) (46)式中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。 數(shù)字式PID增量式的PID算法公式如下： (44)由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。也可寫(xiě)作： (43)式中， 、 、 分別稱(chēng)為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。 模擬式PID調(diào)節(jié)比例P積分I微分D被控對(duì)象＋＋－＋r(t)