【正文】 ............. 11 圖 42 LM7805 電路圖 .............................................. 12 圖 43 LM7806 電路圖 .............................................. 12 圖 51 光電傳感器的基本組成 ...................................... 13 圖 52 單對紅外傳感器電路圖 ...................................... 14 圖 53 紅外探測布局的 PCB 圖 ...................................... 16 圖 54 霍爾原理 .................................................. 17 圖 55 霍爾測速電路圖 ............................................ 18 圖 61 H 橋式電機(jī)驅(qū)動電路 ......................................... 20 圖 62 H 橋電路驅(qū)動電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動 ................................. 20 圖 63 H 橋電路驅(qū)動電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動 ................................. 21 圖 64 MC33886 電機(jī)驅(qū)動原理圖 ..................................... 22 圖 65 舵機(jī)工作原理示意圖 ........................................ 24 圖 66 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與控制信號脈寬之間關(guān)系 ........................ 25 圖 67 不同占空比的 PWM 波形控制的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)狀態(tài)圖 .............. 26 圖 68 轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制方法圖 .................................... 27 圖 69 舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制模塊程序流程圖 ................................ 28 圖 71 光電傳感器方案主程序流程圖 ................................ 29 圖 72 典型 PID 控制結(jié)構(gòu) .......................................... 33 圖 73 舵機(jī)控制流程圖 ............................................ 35 圖 74 速度控制流程圖 ............................................ 37 圖 81 創(chuàng)建新的工程窗口 ........................... 40 圖 82 的工程的初始設(shè)置窗口 ........................ 41 圖 83 的編譯窗口 .................................. 42 圖 84 BDM 的 PCB 原理圖 ........................................... 43 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 自動循跡智能車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃 決策、自動駕駛等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。近年來其智能化研究取得了很大進(jìn)展，而其智能主要表現(xiàn)為對路徑的自動識別和跟蹤控制上。這些方法可分為兩類，即傳統(tǒng)控制方法和智能控制方法。隨著近年智能控制論的興起，一些智能控制方法如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等逐步走向完善，尤其是模糊控制理論在很多地方顯示出相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值，以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)新概念的控制器受到人們很大關(guān)注。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及研究意義（價(jià)值） 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人口的急速增加膨脹，從而使得汽車使用率將大大提高。當(dāng)汽車電子得以迅猛發(fā)展時(shí)，智能車產(chǎn)生和不斷探索并服務(wù)于人類的趨勢將不可阻擋。人們在行駛汽車時(shí)，不再只在乎它的速度和效率，更多是注重駕駛時(shí)的安全性，舒適性，環(huán)保節(jié)能性和智能性等。同樣在很多特殊的場合，人員不宜或不便行駛車輛等情況下，智能車都發(fā)揮著它難以替代的作用。 在我國現(xiàn)階段，很多企業(yè)和學(xué)校也都意識到了研究智能車的重大意義和有著廣闊的研究前景，企業(yè)與學(xué)校聯(lián)合研究，共享資源的智能車研究也已有較多的合作項(xiàng)目。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)背景正是依托于往屆舉辦過的“飛思卡爾杯”智能車比賽。本課題包括設(shè)計(jì)供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、以及通信端口，傳感器信號處理電路，電機(jī)驅(qū)動電路，以及相關(guān)控制和存儲軟件設(shè)計(jì)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車智能化技術(shù)正在逐步得到應(yīng)用。 而目前許多高校的學(xué)生和廣大業(yè)余車模愛好者都在努力完成能自主識別道路并高速行駛的智能汽車，收集了汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)、 自動控制以及單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)等各領(lǐng)域?qū)＜业恼撝?，給出了車模的機(jī)械調(diào)整、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、軟件仿真、控制策略以及單片機(jī)開發(fā)等多方面的指導(dǎo)性意見和建議。 相對于智能車設(shè)計(jì)的許多技術(shù)應(yīng)用，本次設(shè)計(jì)的基于光電傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)只是應(yīng)用了其中的一些方面，還有許多技術(shù)有待于我們 去創(chuàng)新和發(fā)展。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 在本次設(shè)計(jì)中，要求所設(shè)計(jì)的小車具有自動尋跡功能并且有路徑記憶的功能，能在指定跑道上高速，穩(wěn)定地運(yùn)行。其背景色為白色，跑道中央有一條黑線作為小車行進(jìn)的依據(jù)。 整體設(shè)計(jì)方案概述 設(shè)計(jì)自動控制器是制作智能車的核心環(huán)節(jié)。 作為能夠自動識別道路運(yùn)行的智能汽車，車模與控制器可以看成一個(gè)自動控制系統(tǒng)。其中，以單片機(jī)為核心，配有傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及它們的驅(qū)動電路構(gòu)成了控制系統(tǒng)的硬件；信息處理與控制算法由運(yùn)行在單片機(jī)中的控制軟件完成。 硬件電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，應(yīng)包括有至少以下四個(gè)部分： （ 1） 單片機(jī)最小系統(tǒng)。 （ 3）道路檢測電路，用于完成對于賽道中心引導(dǎo)線的檢測，主要采用光電檢測 （ 4）舵機(jī)以及后輪電機(jī)驅(qū)動電路。 除了以上四大部分，還包括有車速、車架速度、電池電壓和舵機(jī)位置檢測等電路，增加模型車參數(shù)檢測，從而提高模型車控制性能，也可增加調(diào)試電路方便現(xiàn)場調(diào)試。 而在軟件方面，主要功能包括系統(tǒng)軟件模塊分析以及控制策略算法。 MC9S12XS128 是一款飛思卡爾 16 位的單片機(jī)，其開發(fā)方法和工作特點(diǎn)都與常用的 8051 單片機(jī)有一定的區(qū)別。該 微控制器是 freescale 公司推出的 S12 系列單片機(jī)中具有增強(qiáng)型的 16 位單片機(jī)，該系列單片機(jī)在汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 CPU外部總線頻率為 8MHZ或者 16MHZ，通過內(nèi)部鎖相環(huán) (PLL)，可以使內(nèi)部總線速度可以達(dá)到 25MHZ。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。 CPU12的累加器 A和 B是 8位的，也可以組成 16位累加器 D。 (2)16位尋址寄存器 X和 Y是用來處理操作數(shù)的地址。 (3)堆棧指針 SP是 16位寄存器。它表示下一條指令或下一個(gè)操作數(shù)的地址。 MC9S12XS128是 Freescale公司推出的 S12 系列單片機(jī)中的一款增強(qiáng)型 16 位單片機(jī)，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括 SPI、 SCI、 IIC、 A/D、 PWM 等， 單片機(jī)采用增強(qiáng)型 16 位 HCS12 CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘最高可達(dá) 25MHz；片內(nèi)資源包括 8K RAM、 128K Flash、 2K EEPROM； SCI、 SPI、 PWM 串行接口模塊；脈寬調(diào)制 (PWM)模塊可設(shè)置成 4 路 8 位或者 2 路 16 位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬。本次設(shè)計(jì)所提到的智能車自動控制系統(tǒng)就是基于此芯片設(shè)計(jì)。通過分析，得到系統(tǒng)各主要功能模塊電路及其與微處理器之間的邏輯關(guān)系，系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如下圖 22 所示： 圖 22 智能車控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 黑線識別傳感器 MC9S12XS128 最小系統(tǒng) 電機(jī)驅(qū)動電路 電機(jī) 后輪 前輪 舵機(jī) 測速裝置 安放：基于光電傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 由上頁圖 22 可知，智能車控制系統(tǒng)整體可分為：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動控制模塊、電源管理模塊、 路徑識別 模塊、車速檢測模塊以及模型車控制策略與算法模塊等 。 通過以上的闡述說明和后幾章系統(tǒng)硬件部分各部件的選用說明，可以大體得出以下即為本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖： 圖 23 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 系統(tǒng)軟件模塊分析 圖 24 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 從該結(jié)構(gòu)圖中可以看出，系統(tǒng)的軟件模塊主要有： 1. 單片機(jī)系統(tǒng)的初始化，包括單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、 ATD 模塊的初始化、 PWM 模塊的初始化、增強(qiáng)型時(shí)鐘模塊的初始化，還有一些輸入輸出口的初始化； 2. 光電信號的采集：通過對紅外接收管接收道路反射的紅外光后產(chǎn)生電壓的變化，采集到了有效的智能車位置信號。 4. 舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制：通過控制 PWM 口的信號輸出可以實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)轉(zhuǎn)角和輪速的控制 5. 霍爾輪速傳感信號的輸入：通過對輸入信號的捕捉和計(jì)算實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速的測算。 對舵機(jī)的控制，要達(dá)到的目的就是：在任何情況下，總能給舵機(jī)一個(gè)合適的偏移量，保證小車能始終連貫地沿黑線以最少距離行駛。比例算法簡單有效，參數(shù)容易調(diào)整，算法實(shí)現(xiàn)簡單，不需復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算。 方案二： PID控制 PID控制在比例控制的基礎(chǔ)上加入了積分和微分控制，可以抑制振蕩，加快收斂速度，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)可以 有效地解決方案一的不足。 在考慮選擇中，根據(jù)設(shè)計(jì)的賽道規(guī)則，賽道模型與相關(guān)參數(shù)已給定，即小車運(yùn)行的環(huán)境基本上已經(jīng)確定，可通過不斷調(diào)試來獲得最優(yōu)的參數(shù)。 對驅(qū)動電機(jī)的控制（即速度控制），要達(dá)到的目的就是在行駛過程中，小車要有最有效的加速和減速機(jī)制。為了精確控制速度，同時(shí)對速度進(jìn)行監(jiān)控，本次設(shè)計(jì)中還引入了閉環(huán)控制的思想，所以在硬件設(shè)計(jì)，增加了速度傳感器實(shí)時(shí)采集速度信息。本次設(shè)計(jì)所采用的單片機(jī)是 Freescale 的 HCS12 系列產(chǎn)品中的一款芯片叫MC9S12XS128。 單片機(jī)以及最小系統(tǒng)簡介 隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的 CPU、 RAM、 ROM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器和多種 I/O 接口集成在一塊芯片上，形成芯片級的計(jì)算機(jī)，因此單片機(jī)早期的含義成為 單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer），直譯為單片機(jī)，又稱為微控制器（ Microcontroller）或嵌入式控制器（ Embedded Controller）。 所謂的單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指在單片機(jī)外部增加盡可能少的元件電路，組成一個(gè)讓單片機(jī)可獨(dú)立工作的系統(tǒng)。該最小系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分組成：時(shí)鐘電路、 BDM 接口、供電電路、復(fù)位電路和調(diào)試用的 LED 燈。 BDM 接口允許用戶通過該接口向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。 復(fù)位電路是通過一個(gè)復(fù)位芯片給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號。 安放：基于光電傳感器的自動循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 圖 31 最小系統(tǒng)原理圖和 PCB圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 4 章 電源管理模塊 電源模塊為系統(tǒng)其他 各個(gè)模塊提供所需要的電源。所以說，可靠的電源方案設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于電路中的不同電路模塊所需要的