【正文】 V 電源電路設(shè)計 5V 電源模塊是對 電池進行電壓調(diào)節(jié)，主要為單片機、視頻分離電路以及輔助電路提供穩(wěn)定電壓，所以要求電壓穩(wěn)定、噪聲小、電流容量大。 LM2940 穩(wěn)壓芯片的典型 壓降只有 ，其最大輸出輸出電流可達 1A，并且具有短路保護的特點。 圖 34 5V 穩(wěn)壓電路圖 12 6V 電 源電路設(shè)計 6V 電源只給前輪舵機提供工作電壓。 LM2941 是一種可調(diào)式低壓穩(wěn)壓器，其優(yōu)勢主要在于： 典型壓降為 ；最大輸出電流為 ；輸出電壓范圍為 0～ 20V，最大輸出電壓可達 26V；具有短路保 護、熱過載保護和自我保護功能。當(dāng)輸出電流為 1A 并且輸入輸出壓差為 5V 時 ,靜態(tài)電流僅為 30mA。 圖 35 6V 穩(wěn)壓電路圖 當(dāng)引腳 ON/OFF 為高電平時，芯片被關(guān)閉，引腳 OUTPUT 輸出電壓為 0V， 反之當(dāng)其接低電平時 ， 芯片 被 開啟 ， 有電壓輸出。 )/1( 12 RRVV REFO UT ??? （ 31） 從上式可以看出 LM2941 輸出電壓的大小取決于 R2 與 R1 比值的大小， 其中它的基準電壓 VREF 的大小為 ，實際電路中 R1 通常取 1K，根據(jù)輸出電壓為 6V 計算出R2 的大小為 [18]。需要注意的是電路中的電源濾波電容在布線時要原理調(diào)節(jié)端。 MC34063 是一塊高效的開關(guān)型 DC/DC 變換控制電路，內(nèi)部含有直流 13 到直流變換器所要求的主要功能，即具有溫度補償?shù)幕鶞孰妷涸春捅容^器、具有激勵電流限制的占空比可控的振蕩器和驅(qū)動器以及大電流輸出開關(guān)等。 MC34063 片內(nèi)的恒流源不斷對接在 CT 引腳上的定時電容進行充電和放電，從而使振蕩器產(chǎn)生震蕩波。當(dāng)振蕩器對外充電 時，片內(nèi)與門的 C 輸入端呈現(xiàn)為高電平，反之，則呈現(xiàn)出低電平。當(dāng) C 端和 D 端都為高電平時，片內(nèi)觸發(fā)器被置為高電平，從而使輸出開關(guān)管導(dǎo)通。 通過判斷連接在 5V 電源與 SI 檢測口的電阻上的壓降來完成電流限制的功能。 12V 穩(wěn)壓電路如圖 36所示。這里選用電阻 R1R2 的大小分別為 2K 和 18K，具體計算方法按式 32 所示。電路中選用 歐姆的電阻作為檢測電阻 RSC，將電感 L的大小設(shè)置為 100uH。直流電機運行時靜止不動的部分稱為 定子 ，定子的主要作用是產(chǎn)生 磁場 ，組成部分有機座、主 磁極 、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等。 電機是小車動作的主要執(zhí)行機構(gòu)，在這我們選用 RS380 直流電機作為驅(qū)動電機。電機 RS380 的額定電壓為 ,工作電壓范圍3～ 8V，空載轉(zhuǎn)速在 時可達 30000 轉(zhuǎn)。其 在很多方面有優(yōu)越性，具體如下： （ 1）較大的轉(zhuǎn)矩能夠克服傳動裝置的摩擦和負載轉(zhuǎn)矩； （ 2）電機速度調(diào)整范 圍寬且精度高，機械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且速度平穩(wěn)； （ 3）電機有很硬的負載特性且過載能力較大，可保證速度不受負載沖擊的影響； （ 4）響應(yīng)速度快，可滿足復(fù)雜變化速度的情況； （ 5）可以長時間的處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會燒毀電機。 H 橋驅(qū)動電路因其形狀酷似英文字母 H 而得名，其電路包含 4 個三極管和一個電機，三極管位于 H 的 4 個垂直腿，電機則位于 H 的橫杠上。通過調(diào)節(jié)電機導(dǎo)通的時間，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的，當(dāng)無需電機轉(zhuǎn)動時，讓四個三極管都不導(dǎo)通即可。 4 個三極管的安排應(yīng)該是上面兩個位同種，下面兩個位另一種 [20]。 圖 37 H 橋驅(qū)動電路示意圖 現(xiàn)在市場集成 H 橋電機驅(qū)動芯片有 3388 BTS7960 等，因為小車電機內(nèi)阻大約為430 毫歐，而 飛思卡爾公司的 33886 內(nèi)部的每個 MOSET 導(dǎo) 通電阻都在 120 毫歐以上，會大大增加電樞回路總電阻，導(dǎo)致直流電機轉(zhuǎn)速下降，驅(qū)動電路的效率也隨著降低，所以在本次設(shè)計中不采用 33886 芯片。 BTS7960 是 Novalithic系列的三個獨立芯片的一部分，它是一般用于電機驅(qū)動的大電流半橋集成芯片。BTS7960 電源輸入為 5～ 25V，通態(tài)電阻典型值為 16mΩ，驅(qū)動 電流可達 43A。當(dāng) INH 引腳為高電平時，便可使能 BTS7960，反之，芯片邊進入睡眠狀態(tài)，所以設(shè)計中將兩芯片的這一引腳連接在一起。 SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié) MOS 管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間，具有防電磁干擾的功能，該電阻越大則三極管延遲時間就越大， 但開關(guān)變化率就會越小，綜合考慮開關(guān)變化率和死區(qū)時間，選取該電阻阻值為 10K。電機驅(qū)動電路如圖 38 所示。 IS 引腳是電流檢測輸出引腳，正常情況下片內(nèi)電流源與該引腳直接相連，根據(jù)計算可得該電阻阻值為。 CCD 攝像頭的工作原理 攝像頭有彩色和黑白之分，因為本次設(shè)計利用攝像頭的目的是采集道路中心線和信號燈方向，所以只需提取畫面的灰度信息即可，而不需要知道其色彩信息，也就是說黑白攝像頭就可以滿足設(shè)計要求。其最重要的部分是圖像傳感芯片，該芯片 需要與外圍電路配合才能正常工作，單板就是圖像傳感芯片與外圍電路的總稱， 單板上通常的三個端子是電源端、地端和視頻信號端，部分板子上還有一個音頻信號端 。 攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點， 17 當(dāng)掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。當(dāng)掃描完一行，視頻信號端就輸出一低于最低視頻信號電壓的電平，并保持一段時間，即緊接著每行圖像對應(yīng)的電壓信號之后都會有一個電壓凹槽，此凹槽叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標志。之后就會出現(xiàn)一段場消隱區(qū)，此區(qū)中有若干個復(fù)合消隱脈沖，在這些消隱脈沖中，有個脈沖遠寬于其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標志。攝像頭輸出信號如圖 39 所示。 攝像頭每秒掃描 25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，奇場時只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時則只 掃描偶數(shù)行，故每秒掃描 50 場圖像，即每場需要 秒，每行需要 64 微妙，但在實際測量中每行的時間為 40 微妙。 視頻分離電路 為了提取出視頻電壓中的有用信號，首先要分離出 信號中的行同步脈沖，消隱脈沖和場同步脈沖。因為單片機的速度有限，而一些脈沖的間隔時間又較短，為了減輕其處理負擔(dān)，這里采用了硬件的方法進行信號的處理，選用芯片 LM1881作為電路核心，其和外圍電路構(gòu)成的攝像頭圖像采集電路如圖 310所示。由此可知，不僅場同步信號可以作為換場的標志， ODD引腳也可作為信號與單片機 PT1腳相連 [23]。通常舵機有紅色、黑色和白色三個引出線，其中紅色引線是舵機的電源線，為電機提供工作電壓；黑線是地線；白色引線是舵機控制信號的輸入端。所用舵機接線如圖 311所示。控制信號由舵機內(nèi)部 接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，經(jīng)比較獲得直流偏置電壓。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機停止轉(zhuǎn)動 [24]。由舵機的特性可知，在實際中 PWM的周期也為 20ms，當(dāng)脈沖高電平的時間為 ，舵機轉(zhuǎn)動的角度為 0；當(dāng)脈沖高電平時間為 ，舵機向右打輪 90度；當(dāng)脈沖高電平時間為，舵機 向左打輪 90度。 90/ XT ?? （ 33） 由上式可知舵機轉(zhuǎn)動 1度時，所需脈沖高電平時間為 。但在實際小車安裝硬件中，舵機的轉(zhuǎn)動范圍只有左右 30度。紅外對管是紅外線發(fā)射管和紅外線接受管或紅外線接收頭的總稱，其中紅外線接收管又可分為光電二極管和光電三極管，光電二極管是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，而光電三極管不僅將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，又將其電流進行放大了。紅 外線接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。 在有紅外線光照時， 攜帶能量的紅外線光子進入 PN 結(jié)后，把能量傳給 共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對 。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生 的電流叫光電流 [25]。 在本次實驗 中選用的 3個是 NPN常開型紅外接收三極管，發(fā)射管是紅外發(fā)射二極管，其有效距離是 50厘米。紅外接受與單片機的連接如圖 312所示。 21 第四章 軟件設(shè)計 主函數(shù) 主函數(shù)是整個程序的入口，實現(xiàn)軟件功能的主體，這里主要完成的任務(wù)是對系統(tǒng)進行初始化及在不同條件下調(diào)用各種函數(shù) [26]。通過輸入捕捉功能檢測單片機 PT2 口、 PT3 口和 PT4 口電平的高低變化，從而改變程序調(diào)用參數(shù) cx 的數(shù)值，根據(jù) cx 的大小決定主函數(shù)調(diào)用各子函數(shù)。當(dāng) cx 的值為 2 時，說明智能車已經(jīng)行至車庫，則執(zhí)行入庫程序，這里主要利用單片機的定時器功能，通過定時來控制電機方向和舵機轉(zhuǎn)角，至此整個程序運行結(jié)束。 NNNYYY開 始系 統(tǒng) 初 始 化參 數(shù) c x = 0小 車 自 動 入 庫車 道 信 息采 集 及 處 理交 通 燈 信 息采 集 及 處 理舵 機 控 制 1舵 機 控 制 2參 數(shù) c x = 1參 數(shù) c x = 2 圖 41 主程序流程圖 22 初始化程序設(shè)計 鎖相環(huán)初始化設(shè)計 單片機一般采用內(nèi)部振蕩的方式為其提供時鐘源，振蕩器時鐘二分頻后作為 MCU內(nèi)部總線時鐘。 MC9S12XS128 單片機內(nèi)部集成了時鐘產(chǎn)生模塊，可利用外部穩(wěn)定的振蕩器頻率，鎖定內(nèi)部更高的壓控振蕩器頻率作為系統(tǒng)時鐘，其鎖相環(huán)時鐘可達 80MHz，即使內(nèi)部總線時鐘達到 40MHz[27]。其中后分頻寄存器用于設(shè)定 ?VCOCLK 與 ?PLLCLK 之間的頻率比例，一般比例為 1， ?VCOCLK為內(nèi)部壓控振蕩器頻率， ?PLLCLK 為鎖相環(huán)時鐘頻率；時鐘選擇寄存器用于控制總線時鐘的選擇，這里選擇鎖相環(huán)時鐘頻率的二分頻作為內(nèi)部總線的時鐘；鎖相環(huán)控制寄存器用于確定鎖相環(huán)的功能；時鐘分頻寄存器和時鐘合成寄存器用于確定鎖相環(huán)與內(nèi)部總線的時鐘頻率，內(nèi)部總線時鐘頻率 ?BUSCLK 的計算方法入式 41 所示。 TIM 模塊初始化設(shè)計 MC9S12XS128 單片機內(nèi)部設(shè)置有定時器 TIM 模塊，其全稱是 Timer Module，這部分可以完成輸入捕捉、輸出比較和脈沖累加等功能，可用于測量輸 入波形、產(chǎn)生輸出波形、統(tǒng)計脈沖或邊沿個數(shù)，還可用于作為時間基準使用。這里使用的是 TIM 模塊的輸入捕捉功能，輸入捕捉功能是通過捕捉 16 位自由運行計數(shù)器的計算值來檢測外部事件和輸入變化的。 與輸入捕捉功能相關(guān)的寄存器有定時器系統(tǒng)控制寄存器 1（ TSCR1）、定時器輸入捕捉 /輸出比較選擇寄存器（ TIOS）、定時器控制寄存器 3（ TCTL3）、定時器控制寄存器 4（ TCTL4）及定時器中斷使能寄存器（ TIE）等。 PIT 模塊初始化設(shè)計 周期中斷定時器 PIT 模塊的全稱是 Periodic Interrupt Timer，其主要作用是周期性產(chǎn)生中斷和外設(shè)模塊觸發(fā)，其包含 4 路 24 位定時器，程序中利用 PIT 模塊實現(xiàn)定時功能。 XS128 單片機的這部分有運行、等待、停止和凍結(jié)四種工作模式 [29]。如果 16 位計數(shù)器和 8 位微計數(shù)器對應(yīng)的加載寄存器的值分別是 A 和 B，則定時器定時時間的計算如式 42 所示。此外，其他的寄存器決定了 PIT 的主要工作功能，定時器的定時通道選擇 0，多路選擇寄存器的值設(shè)置為 0x00，即設(shè)定通道 0 連接的微定時基準計數(shù)器也是 0，同時要開啟定時器中斷使能。 S12XS 系列單片機可以通過兩種方式產(chǎn)生 PWM 信號，一種是利用 TIM 模塊的比較功能，另一種是采用 MCU 內(nèi)置的 PWM 模塊實現(xiàn)，前者可通過軟件編程設(shè)定輸出任意脈沖信號，但其不易產(chǎn)生精確的脈沖序列，后者專門用于輸出 PWM 信號，而且占用的 CPU 資源極少。 設(shè)計中用到 3 路 PWM 控制，即舵機控制和電機控制，其中電機要 實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，所以電機需要兩路 PWM 控制。比例因子 A 寄存器和比例因子 B 寄存器的值都為 20，即時鐘 SA 和 SB 的頻率為時鐘 A 和 B 的四十分之一（ ）。 P W M P E RT ?? 時鐘周期 （ 43） 上面已經(jīng)設(shè)置了時鐘周期為 4 毫秒，又因為要求 PWM 周期為 20ms，由此可計算出通道周期寄存器的值為 5000。 %10 0/ ?? P W M P E RP W M D T Y占空比 （ 44） AD 轉(zhuǎn)換初始化設(shè)計 CCD 攝像頭輸出的是模擬信號，而單片機只能接受數(shù)字量進行計算，所以需要將CCD 的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 MC9S12XS128 內(nèi)部包含 16 路模擬輸入通道，轉(zhuǎn)換位數(shù)有 8 位、 10 位 和 12 位三種，具有數(shù)據(jù)對齊方式、單次 /連續(xù)轉(zhuǎn)換、結(jié)果比較等多種轉(zhuǎn)換方式 [31]。 AD 的轉(zhuǎn)換時鐘可由控制寄存器 4 來確定，計算如式45 所示。此外，設(shè)置 AD 模塊在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下工作，其轉(zhuǎn)換結(jié)果從結(jié)果寄存器的第一位開始依次存放，用到最后一個結(jié)果寄存器，再返回到第一個接著 存放。因為在 AD 初始化中設(shè)置其為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，所以采集每行點的數(shù)據(jù)值依次存放在 AD的 16 個結(jié)果寄存器中，這就要求在提取數(shù)據(jù)的過程中也要依 次讀取這 16 個寄存器。而在采集信號燈的過程中并不需要對采集的數(shù)據(jù)進行二值化處理。攝像頭采集數(shù)據(jù)程序流程 如圖 42