【正文】 工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)定電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。主要為單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、紅外對(duì)管以及部分接口電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定且噪聲小，電流容量大于 500mA。 其電路圖如圖 42： ， 2021mAh 鎳鎘電池 LM7805 5V MC9S12 最小系統(tǒng) 紅外 發(fā)射 紅外 接收 轉(zhuǎn)速傳 感器 LM7806 6V MC33886 舵機(jī) 電動(dòng)機(jī) 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 5VIN13OUT2GNDU0L7805CV12P1Header 21uFC1Cap2100pFC0Cap2 圖 42 LM7805 電路圖 2） 6V 電壓。 6V 低壓 降采用型號(hào)為 7806 的三端線性穩(wěn)壓器， 7806 穩(wěn)壓電路把 的電池電壓轉(zhuǎn)換為 6V 的電壓，供給舵機(jī)使用。這部分直接取自電池兩端電壓，主要為后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供電源。本設(shè)計(jì)采用的是光電傳感器實(shí)現(xiàn)智能車路徑識(shí)別功能。 光電傳感器 光電傳感器是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。光電傳感器的基本組成如下： 圖 51 光電傳感器的基本組成 光電傳感器發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì) 本項(xiàng)目中，選用的是紅外對(duì)管 RPR220作 為傳感元件。 它有如下三大特點(diǎn) 物理量 光學(xué)元件 調(diào)制件 或 被測(cè)件 光學(xué)元件 光電元件 測(cè)量 電路 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 傳 感器電路如下圖 52 所示： 圖 52 單對(duì)紅外傳感器電路圖 工作原理： 當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號(hào)被 黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。 路徑識(shí)別傳感器布局設(shè)計(jì) 通過 分析可知：尋跡傳感器模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)智能小車設(shè)計(jì)中的最重要的一部分，其作用相當(dāng)于人的眼睛和耳朵，采集外部路面的信息并將其送入 MCU微控制安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其能否正常工作直接影響著小車對(duì)路面的判 斷以及小車下一步的行動(dòng)，因而其布局的合理性與有效性對(duì)小車穩(wěn)定而又快速的行駛起著至關(guān)重要的作用。 一般尋跡傳感器的布局常見的有以下幾種方案 ： 方案一：一字形布局 反射式光電傳感器在小車前方一字形簡(jiǎn)單排布。考慮到弧度信息采集的連貫性，非均勻布局的理論依據(jù)是等角度分布原則，即先確定一合適的定點(diǎn)，從頂點(diǎn)依次等角度畫射線，射 線與傳感器水平線相交的位置即為傳感器的位置。 方案二： M形布局 傳感器呈 M形排布。 方案三：活動(dòng)式傳感器布局 前面兩種方案都是固定的布局方式，使傳感器對(duì)賽道有一定的依賴。這種方案的布局思路是傳感器在安裝板上的 位置是可調(diào)的，先將傳感器排布成為矩形點(diǎn)陣，根據(jù)不同的賽道情況而靈活地作出調(diào)整，就可以設(shè)計(jì)出不同的布局方式而適應(yīng)不同的賽道。但這種方案可調(diào)性大，臨時(shí)調(diào)節(jié)較難，其次機(jī)械設(shè)計(jì)中體積較大，增加了小車的重量，不利于加減速。通過比較，得到的結(jié)論是：對(duì)第一種、第二種和第三種方案進(jìn)行綜合考慮，由于本次比賽的賽道相關(guān)參數(shù)已知，安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 而且賽道只有直道和彎倒兩種，可以在測(cè)試中對(duì)賽道進(jìn)行模擬，賽道變化不大，因此沒有必要采取比較復(fù)雜的第二種和第三種方案。通過對(duì)速度的檢測(cè)，可以對(duì)車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。車速檢測(cè)一般是通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。它的工作原理是霍爾效應(yīng)， 它是德國(guó)物理學(xué)家霍爾于 1879 年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 通過對(duì)一定時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)數(shù)量的捕捉可以計(jì)算出車輪的轉(zhuǎn)速。 2. 測(cè)速電機(jī) 測(cè)速電機(jī)實(shí)際上是一種微型直流發(fā)電機(jī)，其輸出電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比， 測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)具有斜率高、特性成線性、無信號(hào)區(qū)小或剩余電壓小、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)輸出電壓不對(duì)稱度小、對(duì)溫度敏感低等特點(diǎn)。 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。具有體積小，精度高，工作可靠 ,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn) ，但是安裝需要體積較大，在小車上安裝不方便。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 第 6 章 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊包含直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 模型車后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用型號(hào)為 RS380 的電機(jī)，其工作在 電壓下，空載電流為 ，轉(zhuǎn)速為 16200r/min。 電機(jī)的工作原理 通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩端電壓可以使模型車加速運(yùn)行，也可對(duì)模型車進(jìn)行制動(dòng)。由于設(shè)計(jì)的智能車沒有倒車功能，所以電機(jī)只工作在正轉(zhuǎn)方向上做功與發(fā)電兩種狀態(tài)。 MC33886為典型的 H 橋式驅(qū)動(dòng)電路，通過控制輸入的信號(hào)，可以控制兩個(gè)半橋的通斷來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的順轉(zhuǎn)與倒轉(zhuǎn)。下面介紹一下 H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路 圖 61中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。 4個(gè)三 極管組成 H 的 4條垂直腿，而電機(jī)就是 H 中的橫杠（注意：圖 61及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來）。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 圖 61 H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 62 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖 63所示為另一對(duì)三極管 Q2和 Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 63 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) MC33886介紹 驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886 內(nèi)部具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。由 CPU 發(fā)出 PWM 波通過 MC33886 驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)的電壓 . PWM3 輸出 PWM波，經(jīng)由 IN1 口輸入。通過預(yù)設(shè)的 DUTYCYCLE對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)解。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比α ＝ 1 時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。而目前使用的大多數(shù)單片機(jī)都可以直接輸出這種 PWM 波形，或通過時(shí)序模擬輸出，最適合小車的調(diào)速。單片機(jī)有 多 個(gè) I/O 口， 內(nèi)部設(shè)有 2 個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調(diào)節(jié)的 PWM 信號(hào)輸出，用以控制電 機(jī)調(diào)速。若車速太快，則在 轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費(fèi)時(shí)間。 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。 其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 舵機(jī)的控制工作原理如圖 65 所示： 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 圖 65 舵機(jī)工作原理示意圖 舵機(jī)接口一般采用三線連接方法，黑線為電源地線，紅線為電源線，一般采用兩種標(biāo)準(zhǔn)： 和 6V。控制信號(hào)是周期在 20ms 左右的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的寬度決定舵機(jī)輸出舵盤的角度。下面的 圖 67描述了在不同占空比的條件下，轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)所轉(zhuǎn)過的角度 ，而圖 67給出了量化后的結(jié)論。在了解了轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制方法后，利用單片機(jī)的PWM 通道產(chǎn)生相應(yīng)頻率和占空比的 PWM 波形即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車轉(zhuǎn)向的控制。在單片機(jī)總線頻率為 24MHz 的時(shí)候，設(shè)置級(jí)聯(lián) PWM 周期常數(shù)為 60000，對(duì)應(yīng) PWM 周期為 20ms， PWM 占空比常數(shù)為 4500 對(duì)應(yīng)輸出為 。 在本次設(shè)計(jì)中，采用 SRM102 型舵機(jī)，工作電源為 6V。 該舵機(jī)的控制模塊為系統(tǒng)提供舵機(jī)控制功能，包括舵機(jī)初安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 始化子程序，舵機(jī)停止控制子程序，舵機(jī)轉(zhuǎn)向角度控制子程序；系統(tǒng)通過在主程序里調(diào)用這 些子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。 舵機(jī)停止控制子程序用來停止舵機(jī)動(dòng)作，并恢復(fù)其到初始狀態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)方法為設(shè)定通道輸出 PWM波的高電平時(shí)間為 ，并延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)閉 PWM輸出。 ~0176。 下圖 69 表示了舵機(jī)控制模塊的工 作過程 ： 圖 69 舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制模塊程序流程圖 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 第 7 章 智能車軟件的設(shè)計(jì) 車輛之所以能實(shí)現(xiàn)智能行駛，自動(dòng)駕駛，居于核心地位是控制算法。 本設(shè)計(jì)采用的是基于光電傳感器的設(shè)計(jì)方案。其中定時(shí)中斷用于檢測(cè)小車當(dāng)前速度，作為小車速度閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。 以下列出幾種初始化代碼： 1. 鎖相環(huán)初始化 鎖相環(huán)即 PLL 技術(shù)，通過設(shè)置鎖相環(huán)可以改變單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。 //選定外部時(shí)鐘，為 1 時(shí)選擇鎖相環(huán)時(shí)鐘 時(shí)鐘選擇寄存器初始化 CLKSEL=0 。 //鎖相環(huán)電路禁止； PLLCTL_PRE=1。 //允許看門狗 PLLCTL_AUTO=1。 //探測(cè)到外部時(shí)鐘失效時(shí)產(chǎn)生自給時(shí)鐘信號(hào) SYNR=8。 //時(shí)鐘分頻寄存器初始化 與上句為做實(shí)驗(yàn)時(shí)確定的參數(shù)與理論參數(shù)有差距，可重新設(shè)置 //CLKSEL_PLLSEL=1 。 //時(shí)鐘監(jiān)控允許 鎖相環(huán)控制寄存器初始化 PLLCTL_PLLON=1。 //選定鎖相環(huán)時(shí)鐘 } 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 2. PWM 初始化 PWM 初始化主要包括以下 6 個(gè)步驟：禁止 PWM；選擇時(shí)鐘；選擇極性；選擇對(duì)其模式；對(duì)占空比和周期編程；使能 PWM 通道。參考中文 PPT { PWME=0。 //01 通道被禁止 PWMCTL_CON01=1。 //分別組成 8 位通道 分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的輸入口 PWMCTL_PSWAI=1。 //不準(zhǔn)許冷結(jié)模式下 PWM 波形輸出 PWMPOL=0X03。 //0 45 分頻 PWMPRCLK=0X03。 // 比例因子寄存器設(shè)置 PWM 寄存器的工作頻率 SA_CLOCK=A_CLOCK/2*15=100KHZ PWMCAE=0X00。 //初始化時(shí)可任意設(shè)置 PWMPER01=2021。 //設(shè)置 PWM4 頻率為 5KHZ PWMPER5=20。 PWMDTY4=15。 //使能 PWM } 安放：基于光電傳感器的自動(dòng)循跡智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 3. 定時(shí)器初始化 定時(shí)器初始化主要用于產(chǎn)生周期中斷以進(jìn)行速度采集，其初始化主要包括：設(shè)定預(yù)訂分頻系數(shù)；定時(shí)器溢出中斷使能；定時(shí)器使能。 // 128 預(yù)分頻 TIOS=0b00000100； TCTL2=0b00010000； //設(shè)置通道 2 為輸出模式 TCTL4=0b000010