【正文】 塊電路圖 5V 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)：市場(chǎng)上 5V的穩(wěn)壓芯片有很多，例如 LM29 LM780開關(guān)型 LM257 LM2596，其中 2940 和 7805 轉(zhuǎn)換效率比較低，只有 40%左右，但是輸出紋波很小，對(duì)于單片機(jī)這種對(duì)電源要求比較高的元件而言很適合，而 2575 和 2596 是開關(guān)型的穩(wěn)壓芯片，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 75%甚至 80%以上，但是輸出有紋波，很可能讓單片機(jī)出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路 由 CPU 發(fā)出 PWM 波通過 33886 驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)的電壓 ， PWM5 輸出 PWM 波，經(jīng)由 IN1 口輸入， OUT 輸出電機(jī)調(diào)速信號(hào)。 MC33886 內(nèi)部集成有兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)中，因?yàn)橹恍杩刂菩≤嚽斑M(jìn)的速度不需要控制運(yùn)行電機(jī)反轉(zhuǎn)，因此不需要采用全橋驅(qū) 動(dòng)運(yùn)行電機(jī)。 圖 各接口模塊電路 如圖 所示為 S12 單片機(jī)的各接口模塊。 STM32F103 芯片外部擴(kuò)展的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用 L298 芯片控制，其基本電路圖如圖。表 是 I/O 端口狀態(tài)與電機(jī)制動(dòng)對(duì)照表。在 L298 與電機(jī)之間加入二極管，以保護(hù)電路。通過低電平觸發(fā)方式，使小車實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的避障功能。觸角傳感電路與 STM32F103 引腳連接圖如圖 。 根據(jù)不同地面對(duì)紅外光不同的反射狀況，紅外探測(cè)器接收管接收不同反射，當(dāng)尋到黑跡時(shí)，紅外光被吸收，輸出高電平；在光滑地面時(shí)則紅外光被大部分反射接收，輸出低電平。 圖 本次設(shè)計(jì)中，紅外發(fā)射與接收都由主控芯片 STM32F103 控制， STM32F103 的 PEPE2 實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射電路的控制； PD PD6 與紅外接收相連，實(shí)現(xiàn)紅外接收信號(hào)的檢測(cè) 。具體電路設(shè)計(jì)如圖 所示。紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當(dāng)遇到物體以后，光束 會(huì)反射回來，如圖 所示。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 4 小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，只有對(duì)硬件進(jìn)行合理有效的編程，才能實(shí)現(xiàn)智能小車的特定功能和應(yīng)用。本文在智能小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中使用模塊化編程，各部分相對(duì)獨(dú)立，為日后的軟件更新和后續(xù)升級(jí)提供了便利。 MDKARM 軟件為基于 CortexM、 CortexR ARM ARM9處理器設(shè)備提供了一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境。完美支持 CortexM、 CortexR ARM7和 ARM9系列器件。Keil MDKARM 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows界面。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。目標(biāo)文件可由 LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng) L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件 (.ABS） 。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 Keil MDKARM 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil MDKARM 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。 圖 Keil MDKARM主界面 程序設(shè)計(jì)思路及部分模塊程序 程序設(shè)計(jì)思路 智能小車的控制主程序的主要任務(wù)是完成系統(tǒng)的啟動(dòng)前行、處理紅外傳感器測(cè)距、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)等等。 整個(gè)小車控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用模塊化的編程思想，整個(gè)主程序的流程圖如圖。 紅外距離傳感器模塊 人們見到的紅外遙控系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩部分。 常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為 940nm 左右，外形與普通φ 5mm 發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。判斷紅外發(fā)光二極管的好壞與判斷普通二極管一樣的方法。紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率需用專用儀器測(cè)定，而業(yè)余條件下，只能憑經(jīng)驗(yàn)用拉距法進(jìn)行粗沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 略判定。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。 本智能小車識(shí)別邊界采用的是紅外測(cè)距傳感器，其流程圖如圖 所示： 開 始傳 感 器 發(fā)出 信 號(hào)時(shí) 差 是 否小 于 ？傳 感 器 接收 信 號(hào)小 車 停 止 行 走是否 圖 紅外距離傳感器模塊流程圖 本智能車在尋找邊界時(shí)，主要利用紅外距離傳感器來進(jìn)行邊界距離判斷。工作時(shí)，信號(hào)發(fā)出器發(fā)出紅外信號(hào)，該信號(hào)遇到邊界反射回來，由信號(hào)接收器接收，然后對(duì)于信號(hào)發(fā)出和接收的時(shí)間差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 在小車車速一定的情況下，即可比較準(zhǔn)確的測(cè)出小車距離邊界的距離。 float sum0=0。t10。 } else if(ADC0_value=32020) { ADC0_value=32020 。 sum0=sum0+。 } 直流電機(jī) PWM 模塊 脈寬寬度調(diào)制式（ PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反 饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的?？梢酝ㄟ^調(diào)整 PWM 的周期、 PWM 的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。圖 和圖 所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的原理框圖和波形圖。語音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù) A，否則輸出 0。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 圖 脈沖寬度調(diào)制原理圖 圖 脈沖寬度調(diào)制波形圖 通過圖 的分析可以看出，生成的矩形脈沖的寬度取決于脈沖下降沿時(shí)刻 t k 時(shí)的語音信號(hào)幅度值。在系統(tǒng)的輸入端插入一個(gè)采樣保持電路可以得到均勻的采樣 信號(hào)，但是對(duì)于實(shí)際中 TskTsk ???t 的情況，均勻采樣和非均勻采樣差異非常小。 然而，如果對(duì)矩形脈沖作如下近似：脈沖幅度為 A，中心在 t = k Ts 處， k? 在相鄰脈沖間變化緩慢，則脈沖寬度調(diào)制波 )(txp 可以表示為： ? ? tntnmAtmxTAt sxp ??? c os)(s i n2)(1)(x 10 0 ?????? （ ） 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 其中， ? ?)(10 tmxTt k ?? ??? ）（。當(dāng) sT??0? 時(shí)，相位調(diào)制部分引起的信號(hào)交迭可以忽略，因此，脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。 圖 數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器的構(gòu)成 在時(shí)鐘脈沖的作用下，循環(huán)計(jì)數(shù) 器的 5 位輸出逐次增大。循環(huán)計(jì)數(shù)器循環(huán)一個(gè)周期后，向寄存器發(fā)出一個(gè)使能信號(hào) EN，寄存器送入下一組數(shù)據(jù)。 PWM 程序： //在 PA8 PB13 產(chǎn)生一個(gè)互補(bǔ)的 PWM 波，頻率為 10KHz,占空比為 1/5 include “” BitAction bbt=0。 int main(void) { u16 InitValue,Pre_Divide,ZKB。 //系統(tǒng)時(shí)鐘初始化 。 //初值 1000 Pre_Divide=1。 //占空比 TIM1_PWM_1_init(InitValue,Pre_Divide,ZKB)。 //修改占空比 } 提升裝置模塊 本智能小車當(dāng)?shù)竭_(dá)邊界時(shí)，通過控制直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升裝置的控制，從而將小車鏟子上的物品清理出場(chǎng)地外，其流程圖如圖 所示。 提升裝置子程序： OK=Rise_SetDutyUS(900)。 //小車電機(jī)停止 Raising_Motor_PutVal(0)。 //打開 AD轉(zhuǎn)換 Delay(10)。 Raising_Motor_PutVal(1)。 //提升延時(shí) Raising_Motor_PutVal(0)。 Delay(19)。 SpeedR_set=35 。 Delay(17)。 Raising_Motor_PutVal(2)。 Raising_Motor_PutVal(0)。 } PID控制算法 控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)偏差的 比例 （ P） 、積分 （ I） 、微分 （ D）進(jìn)行的控制，稱為 PID控制。 數(shù)字 PID 位置型示意圖和數(shù)字 PID 增量型示意圖分別如圖 和 所示： 圖 PID位置型控制示意圖 圖 數(shù)字 PID增量型控制示意圖 單位反饋 e代表理想輸入與實(shí)際輸出的誤差，這個(gè)誤差信號(hào)被送到控制器，控制器算出誤差信號(hào)的積分值和微分值，并將它們與原誤差信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到輸出量 u。 u 接著被送到了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就獲得了新的輸出信號(hào) u ,這個(gè)新的輸出信號(hào)被再次送到感應(yīng)器以發(fā)現(xiàn)新的誤差信號(hào)，這個(gè)過程就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行。一般增大比例系數(shù)能夠減小上升時(shí)間，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。增大微分系數(shù)能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，減小超調(diào)，并且改善瞬時(shí)響應(yīng)。 （ 1）位置式 PID控制算法 用矩形數(shù)值積分代替上式中的積分項(xiàng)，對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用后向差分逼近，得到數(shù)字 PID控制器的基本算式（位置算式）： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 )1(11??????? nknndkinpn TeeTTeTeku （ ） 其中 T是采樣時(shí)間， pk 、 iT 、 dT 為三個(gè)待調(diào)參數(shù)，我們?cè)趯?shí)際代碼實(shí)現(xiàn)算法時(shí)，處理成以下形式： d e r r o rKdI n t e g r a lKie r r o rKpre ***UP ??? （ ） （ 2） 增量式 PID控制算法 對(duì)位置式加以變 換，可以得到 PID算法的另一種實(shí)現(xiàn)形式（增量式）： )]2(1)[(2111 ???? ????????? nnndninnpnnn eeeTTeTeekuuu （ ） 我們?cè)趯?shí)際代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，處理成 )***(P d d e r r o rKde r r o rKid e r r o rKpr e U ???? （ ） 這種算法用來控制步進(jìn)電機(jī)特別方便，對(duì)直流電機(jī)也可以采用，其實(shí)如果對(duì)控制有更高的要求或者干擾因素較多，我們可以對(duì) PID算法做各種改進(jìn)，比如用梯形法做數(shù)值積分以提高精度，將差分改成一 階數(shù)字濾波等等，在實(shí)際調(diào)車的過程中，我們確實(shí)遇到過由于自制碼盤采樣得到的脈沖上升下降沿不夠陡，使得速度采樣出現(xiàn)不穩(wěn)定和失真，但由于這些附加處理比較耗費(fèi)代碼的運(yùn)行時(shí)間，出于代碼效率和實(shí)際效果的比較，我們沒有采用這些改進(jìn)的方案，另外可以考慮加反向器來整波形得到較為理想的方波。 PID整定的方法有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。由于智能車整個(gè)系統(tǒng)是機(jī)電高耦合的分布參數(shù)系統(tǒng)，并且要考慮賽道具體環(huán)境，要建立精確的智 能車運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型有一定難度，而且我們對(duì)車身機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常進(jìn)行不斷修正，模型參數(shù)變化較頻繁，可操作性不強(qiáng)；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單，我們采用了這種方法，同時(shí)，我們先后實(shí)驗(yàn)了幾種動(dòng)態(tài)改變 PID參數(shù)的控制方法。 MotorL_P=(int) ( Kp*(MotorL_ERMotorL_ER1) ) 。 MotorL_D=(int) ( Kd*(MotorL_ER2*MotorL_ER1+MotorL_ER2) )。 if(MotorL_out=0) { MotorL_out=0。 } OK=Motor_left_SetDutyUS(MotorL_out)。 MotorL_ER1 = MotorL_ER。 MotorR_P=(int) ( Kp*(MotorR_ERMotorR_ER1) ) 。 MotorR_D=(int) ( Kd*(MotorR_ER2*MotorR_ER1+MotorR_ER2) )。 if(MotorR_out=0) { MotorR_out=0。 } OK=Motor_right_SetDutyUS(MotorR_out)。 MotorR_ER1 = MotorR_ER。 隨著智能控制技術(shù)與傳感檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為智能機(jī)器人雛形的智能小車在探測(cè)、考古、娛樂各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用， 尤其在足球機(jī)器人研究方面有很好的發(fā)展前景。由于我是初次接觸STM32F10x 系列芯片，對(duì)其先進(jìn)的中斷響 應(yīng)系統(tǒng)未能很好掌握，傳感信號(hào)的接收選擇了一般 I/O 口，不過基于 STM32F103 的高性能，其反應(yīng)速度還是可以滿足設(shè)計(jì)要求，但要充分利用芯片資源及更好的實(shí)時(shí)控制在這部分還有待改進(jìn)；另外，對(duì)于小車轉(zhuǎn)彎過程的車速未做區(qū)別對(duì)待，在本次設(shè)計(jì)中將 PWM 波占空比控制在 1/2 以下，并實(shí)現(xiàn)了 PID閉環(huán)設(shè)計(jì)，使小車