基于MC9S12单片机的智能车硬件设计.doc

分类号 TP24 单位代码 11395 密 级 学 号 学生毕业设计（论文）题 目基于MC9S12单片机的智能车硬件设计作 者院 (系)能源工程学院专 业测控技术与仪器指导教师答辩日期2014 年 5 月 24 日榆 林 学 院毕业设计（论文）诚信责任书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 论文作者签名: 年 月 日榆林学院本科毕业设计（论文）摘要随着信息技术的飞速发展，嵌入式系统作为智能产品控制系统已在我们生活中发挥着重要作用。由于计算机技术的广泛应用，单片机的应用领域也不断扩大深化，也使传统的控制检测技术不断飞速更新。单片机经常被作为控制器的核心部件，然而只依靠单片机相关方面的知识实现智能化是远远不够的，还需要结合硬件的具体结构，并且和针对具体应用特点的软件结合，使其结构和功能更加完善。本设计系统以MC9S12单片机技术和传感器技术为基础，制定出系统设计方案，利用MC9S12单片机作为核心控制器件，采用模块化的设计方法，主要包括微控制器模块、传感器模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、道路检测模块、电源模块及辅助调试模块等，经过红外反射式传感器检测小车的具体方位和行驶方向，检测小车的速度依靠的是光电编码器，通过PID的控制算法来调节发电机的转动速率速和舵机的转动方向，其完成了对小车的运动速度和转动方向的闭环控制。基于MC9S12单片机的智能车系统设计完成后，可以在无人操作下完成自动导航，而且还拥有很好的抗干扰特性，舵机旋转快，发电机的运转恒定，具有极佳的运作性能。所以其对智能小车技术的研究和开发工作具有极为重要的意义。关键词：MC9S12单片机；红外反射式传感器；光电编码器；自主寻迹Based On MC9S12 Microcontroller Hardware Design 0f Smart Car ABSTRACTWith the rapid development of information technology, the embedded system as control system of intelligent products plays an important role in our life. Due to the wide application of computer technology, MCU is applied more widely and let the traditional control test technology constantly updated rapidly. MCU is often as a core component of the controller, but only rely on the knowledge about it to realize intelligent is not enough, also need to combined with the structure of hardware, and according to the characteristics of specific application software, so as to further perfect its structure and function.This design system based on the MC9S12 and sensor technology, to develop a system design scheme of using MC9S12 as core control device, adopting the modular design method, main including micro controller module, sensor module, motor driver module, servo driver module, road detection module, power module and auxiliary debugging module, etc., through specific orientation reflecting type of infrared sensor to detect the car and driving directions to test the speed of the car depends on the photoelectric encoder, by PID control algorithm to adjust the speed of the motor and the rotation direction of steering gear, its finished to the car speed and rotation direction of the closed loop control.When the intelligent car system design is finished based on MC9S12, can be done under the unmanned automatic navigation, but also has good anti-interference characteristics, steering gear rotate faster, constant generator operation and excellent operating performance. So the digital car technology research and development work has very important significance.Key words: MC9S12 microcontroller; The infrared reflection type sensor; Photoelectric encoder; Autonomous tracingI榆林学院本科毕业设计（论文）目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论11.1本课题研究的目的和意义11.2智能车的现状和发展趋势11.3本课题研究的内容22基于MC9S12单片机智能车总体设计32.1系统设计要求32.2系统设计方案32.3机械调整42.3.1地盘的调整42.3.2前轮的调整42.3.3后轮距及后轮差速的调整52.3.4齿轮传动机构的调整52.3.5舵机的改装53系统硬件设计73.1概述73.1.1微控制器模块73.1.2传感器模块73.1.3电机驱动模块83.1.4电源模块83.1.5舵机驱动模块83.1.6速度检测模块83.1.7道路检测模块83.1.8辅助调试模块83.2微处理器模块93.2.1单片机的选型93.2.2MC9S12DG128B单片机的内部资源93.2.3MC9S12DG128B单片机最小硬件系统113.3道路检测模块143.3.1传感器选型及工作原理143.3.2数据采集处理153.3.3系统工作原理163.3.4传感器的布局163.3.5消除干扰173.4电机驱动模块183.4.1驱动电机183.4.2 H桥驱动电路183.5舵机驱动模块193.5.1舵机的结构193.5.2舵机的工作原理193.6速度检测模块223.6.1速度传感器的选择223.6.2速度检测方法233.7电源模块243.7.1系统总电源电路设计243.7.2单片机电源电路设计253.7.3舵机电源电路设计254系统软件设计275系统调试295.1电源管理问题295.1.1稳压芯片的选择295.1.2各供电模块相互干扰295.2电机电磁干扰问题296总结31参考文献33致谢35附录A 电路原理图37附录B PCB电路图39III 1榆林学院本科毕业设计（论文）1绪论1.1本课题研究的目的和意义随着计算机技术和信息技术的快速发展，近年来，人们在享受汽车等交通工具给我们带来便捷和舒适的同时，也开始为其带来的诸多安全问题而担忧，随着生活水平提高，汽车数量不断攀升，道路拥挤，交通事故频发，由国家公路交通安全局的一份调查报告所示，大多数的碰撞和近距离碰撞与驾驶员的注意力不集中有很大关系，这可能是因为驾驶疲劳，使用移动电话和其他因素使其分心有关，由此可见，与汽车性能、车载娱乐、燃油消耗速率相比较安全驾驶已经是人们追求和迫切期盼。因此，小车的智能化，为交通安全问题提供了一条解决方案，智能车系统是多功能系统中的一种，拥有路径识别、规划道路、智能导航的功能；它将远程监测、模式识别、计算机调试技术和智能控制等技术相融合，使智能小车成为多种学科技术的融合体。针对上述情况，设计构思控制方案以期实现小车的自主寻迹，硬件设计部分采用模块化的设计方法，主要设计包括微控制器模块、传感器模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、速度及道路检测模块、电源模块及辅助调试模块的设计，最终实现智能车的硬件设计及调试，与以往的智能车设计相比较，本次使用的是飞思卡尔提供的微控制器MC9S12DG128B，其具有充沛的内部资源。此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化我们的程序设计，它的易用性和多功能性受到了广大好评，强大的功能，较低的功耗均符合这次设计的要求，因此，本次设计中的路经检测和速度控制功能，可以给人们的生活，工作带来方便，当驾驶员处于疲劳驾驶，或者接听电话时，小车的智能化可以辅助驾驶员进行辅助驾驶，避免交通事故的发生，而且智能小车还可以减轻交通混乱的情况，避免很多不必要的情况发生，所以，汽车智能化已经成为一种必然趋势，通过它我们可以实现一些高难度工作，比如地质勘探，危险探寻，科学研究，此外，其也有潜在的军用价值。1.2智能车的现状和发展趋势随着科学技术的发展，智能交通系统的研究对象在IT技术、通信技术迅速发展的前提下，已经从人、车、路为传统的考虑重点演变为智能道路、智能小车和所有交通人员为考虑重点，在解决交通问题时，考虑到完全割断交通系统中的每个部分已出现问题，所以目前国内外研究的热点和目标是将车路信息相互融合并在智能车路系统中找出道路交通系统的运行规律。鉴于GPS导航技术的进步，国内汽车车用GPS导航的数量也在不断攀升，当前这些车用智能器件的用途还在导航、防盗、反劫等领域停滞。但这些器件的安装为以后依据车路系统的智能交通安全提供了设备基础。国家ITS中心从2000年起开始对智能车路系统进行了反复的观察和探究，目前在磁引导智能道路、小车保持车道控制、安全辅助驾驶等方面的研究已经取得了耀眼的成绩。与国内相比较，国外发达国家的汽车智能化发展，不仅可以避开障碍物，按照路况自主提速或减速，还可以实行无人驾驶。举个例子来说明，在北爱尔兰的某家公司，采用领先的激光传感技术可以实现无需人驾驶小车的梦想成真：这辆无需人驾驶智能小车被叫为“shelley”,其可以在错中复杂的城市功能系统中完成无人驾驶。此外，它还能辨别每一种交通标志，确保小车在道路上安全快速行驶，还会在危机情况下自动刹车，也可以自行绕过停靠车辆。总之，车辆的智能化已经成为一种趋势，是人们追求高品质生活不可或缺的。1.3本课题研究的内容本次设计是把MC9S12DG128B单片机作为模型车的唯一微控制中心，同时将已经成熟的传感器技术也应用到智能小车系统中，这样有利于快速的检测，采集和处理信息，从而更好的实现智能小车的自主寻迹。本次设计的主要内容是硬件部分，硬件部分运用模块化的设计方案，其包含微控制器模块，传感器模块，电机驱动模块，电源模块，速度及道路检测模块，舵机模块，及辅助调试模块。本次设计的智能车硬件系统不但具有实时路径、速度采集等功能，而且还可以将采集的路况和速度信息，准确无误的反馈给微控制器模块，经过微控制器模块对路径和速度信息的处理，并给出合适的控制量对舵机和发电机进行控制，从而控制模型车平稳快速运行。2基于MC9S12单片机智能车总体设计2.1系统设计要求（1）小车能够完成自主寻迹，不需要人工干预。（2）小车在直道上正常行驶时，要保证小车能安全、平稳、快速、运行。（3）小车在转弯时要保证小车的安全性，并且也要求小车能平稳的运行。（4）小车在正常行驶状态下，要求小车能对道路形状的突然变化，做出快速 响应，有充分的时间进行转，减速。2.2系统设计方案基于MC9S12单片机的智能车主要功能是自主寻迹，使其在直道上安全，平稳，快速行驶，在转弯时及时减速，并在转弯时不会出现漂移，而其中，直流电机是小车的驱动装置，舵盘用于控制车辆转向，反射式红外传感器和光电旋转编码盘用于接收道路信息和车体速度，微控制器模块是MCU最重要部分，它被用来接收道路、车辆速度和其他方面的信息，并进行快速的分析和处理，输出适当的控制信息给舵机和电动机进行控制；电机和舵机驱动模块实现了小车的驱动和转向；辅助调制模块主要用于调试和运行测试，小车状态监测，设置系统参数和运行策略。硬件设计是本次智能车设计的重点，尤其是功能和技术要求。智能车的整体设计框图如图2-1所示：图2-1 基于MC9S12单片机的智能车整体设计框图2.3机械调整为了使小车适应不同形状的道路，不仅在直道上稳定快速的行驶，而且必须保证小车在转弯时，反应灵敏，迅速，除了由硬件和软件设计来进行解决和处理，我们也应该认识到机械结构对车速和灵敏度的影响，其重要性一点也不比优良的控制方案小，因此我们对小车的机械结构进行了调整。 2.3.1地盘的调整一般来说，底盘的高度越低，即降低车的重心，可以防止小车翻到，所以尽量降低底盘，采取前高后低，车头底盘高度不变的布局，可以使小车在过坡道时不会因为底盘过低而擦到车道，而且也使小车的转向性能变好，行驶的速度变快，此外，还可以在车头安装专用的防撞海绵，在小车撞到赛道和路壁时起到缓冲保护作用。2.3.2前轮的调整前轮的调整有以下几方面：（1）主销后倾角。主销后倾角指的是前轮主销和前轮的垂直中心线之间的夹角，也就是主销上端向后倾斜的角度。它在小车拐弯时会生成与轮子方向相对的回正力矩，使小车回到原来的中间位置。所以，主销后倾角大，速度就高，也使前轮回正的力量变强，但是，太大的回正力矩会使小车转向迟钝。小车的主销后倾角由前齿轮箱底面和底盘间角度决定的，通常主销后倾角值设定为1到3，本次设计我们通过四个小垫子来调节的，设小垫子为2：2（即前2后2）为0,1:3为23。我们使用3:1使后倾角变为-2-3。如此便能减小回正力矩，使小车运行灵活，然而这也会降低回正速率。（2）主销内倾角。主销内倾角是指从小车前方观察轮胎时，主销轴向内倾斜的角度，内倾角增大时回正力矩也增大，考虑到主销后倾角为 -2-3，会使回正变慢，可以通过增加主销内倾角来解决，但是增大主销内倾角也会增大小车与路面的滑动，在小车转弯时加速车轮的损坏，鉴于轮胎对地的吸附力有利于防止侧滑，如果造成车胎磨损则事倍功半，因此将内倾角设置为0。（3）前轮外倾角。前轮外倾角是前轮的上端向外倾斜的角度。其对小车转弯时的性能有直接影响，其应用时提高前轮转向的安全性和转向的灵活性。在小车的横向平面内，车胎表现“八”的形状时叫做“负外倾”，而表现“V”的形状时叫做正外倾。由于前轮外倾时能抵消因车重使轮子内倾的情况，从而减轻小车机件的磨损与重量，因此设计将轮子校偏一个外倾的角度，设为1左右，其减轻了承载轴承负荷，使零件的使用寿命变长，也使汽车的安全性能提高。（4）前轮前束。前轮前束是指车前面的轮子前方向内偏斜的角度，当两轮前方相距大后方相距小时称为内八字，相反称为外八字。由于车前轮外倾时，在车轮转动时类似于圆锥的形状导致两轮向外滚开。由于拉杆的原因，车轮不会滚开，但是车轮会出现一边滚动，一边向内侧滑的现象，加剧车轮的磨损，因此，前轮的外八字与前轮的内八字相配合，可以抵消前轮外倾的副作用，也可以抵消小车前进由于惯性车轮自然内倾的情况。此外，“外八”形状的使用也可以使小车在拐弯时内侧的车轮比外侧的车轮转动程度更大，则这样可以使内轮比外轮拐弯半径小。转弯方便，更加有利于转向。2.3.3后轮距及后轮差速的调整当车体速度很高时，小车转弯时容易发生侧翻，为了增加小车的平衡性，本次设计把后轮距改为大轮距。拐弯时，因为内侧车轮比外侧车轮转弯半径小，相对于内侧车轮，外侧车轮的转速小，使两个车轮转速有差异，即称为差速。由于差速机构安装在小车的后轮轴上，因此必须调整后轮差速。考虑到差速对转弯性能有很大影响，如果差速过小，即车轮速度非常接近，会使小车在转弯时产生打滑的现象，发生侧滑。然而，当差速过大时，会使小车子在直道行驶时两轮发生打滑，所以差速机构调整要适当，才能使小车驱动能力强，转弯灵敏性高。我们调整差速时，采用的是将小车放在车道上，固定住一个轮使其不动，另一个轮子半滑动时最好的方法。2.3.4齿轮传动机构的调整齿轮传输机构的调节就是指调节发电机输出轴上的齿轮与后轮轴上的齿轮之间的啮合程度。电机输出轴和后轮轴的传动比是9:38，即电机轴上的齿轮数是18，后轮轴传动轮齿轮数为76。当啮合较松时两齿轮之间的缝隙较大，造成在齿轮传动时两齿轮之间的碰撞声较大，增加齿轮磨损。当啮合较紧时，齿轮间的摩察力增大，会使发电机输出的一部分功率用来克服齿轮间的摩察力做功，从而减小了电机对后轮的驱动能力。经过多次调整，我们发现用听齿轮之间声的办法来调节齿轮间的啮合度的方法很有效，当齿轮之间撞击声很大时，是因为两齿轮之间不平或者是齿轮耦合较松，当声音比较沉闷且比较迟滞，我们知道是因为齿轮啮合比较紧，当没有撞击声且没有迟滞时，表示啮合效果最佳。2.3.5舵机的改装因为拐弯时舵机的反应灵敏度是影响车体速度的一个及其重要的因素，为了提高舵机的反应灵敏度，本次我们做了三方面的改进，第一，选用7.2V的电池为舵机直接供电；第二，增加从舵机与连杆之间的距离，使舵机旋转的角度减小，提高了转向的灵敏度；第三，把舵机反过来安装，将其安装于两轮中心，再将连接两轮之间的连杆设置为等长，让其转向时受力均匀，使舵机转向灵活。经过以上改进舵机的反应灵敏度改善很多，为迅速灵活转弯提供了硬件保证，其图如图2-1所示：图2-2 舵机改装后示意图3系统硬件设计3.1概述基于MC9S12单片机的智能车系统的工作原理是，将采集，检测到的路径和车速信息传送给微控制中心进行处理，得到合理的控制量，控制舵机和驱动电机工作。基于MC9S12单片机智能车的硬件系统采用模块化设计方法，可以分为八部分：微控制器模块，传感器模块，电机驱动模块，电源模块，舵机模块，速度检测模块，道路检测及辅助调试模块，其硬件结构框图如图3-1所示：图3-1 基于MC9S12单片机的智能车硬件设计的总体框图3.1.1微控制器模块微控制器模块的控制核心是MC9S12DG128B单片机。MC9S12DG128B单片机拥有很多优良的特性，具有体积较小、功耗较低、扩展极为灵活、控制精度非常高等特点，且拥有丰富的内部资源， 16位的AD，8路8位的PWM可不同两个组成16位，还具有丰富的串行端口，2路的SCI 和SPI，IIC,CAN总线等端口，且具有完整的模糊逻辑指令，可很大程度的简化设计。3.1.2传感器模块传感器模块，根据工能原理可分为两种，有源的和无源的，本次设计使用的是有源传感器，有源传感器不需要外加电源或激励源，它将采集的道路信息和速度信息准确无误的传送给MCU进行处理。3.1.3电机驱动模块电机驱动模块主要由驱动电路，直流电机和速度传感器组成，传感器把速度信息和道路信息传输给MCU进行处理，形成准确的控制信号，经过驱动电路的功率放大，作用于直流电机，来进行加速或减速。3.1.4电源模块按要求为其他模块正常工作提供所需电压的是电压模块，由于每个模块对工作电压的要求不同，所以电源模块，可由多个稳压电路组成，再者，因为布线时电源线会产生干扰，影响系统稳定性，所以在设计电源模块时，应该考虑多方面因素。3.1.5舵机驱动模块舵机的转向会影响小车行驶的方向，舵机主要由舵盘、用于减速的齿轮组、位置反馈电位计、直流驱动发电机、控制电路板等组成，小车正常运行时，传感器接收道路检测模块和速度检测模块的信息传输给MCU，然后经过MCU计算处理，得到合理的控制信息，作用于舵机，控制车轮转向。3.1.6速度检测模块速度检测模块的功能是准确无误实时的测量小车速度，当前经常使用的速度检测方法有：转角编码盘、霍尔传感器、光电测速传感器、反射式光电检测、速度传感器，红外反射传感器寻线等，本次设计使用的是光电旋转编码器，因为转角编码盘虽然测量更加准确，但成本高，霍尔传感器抗干扰较好，但是安装复杂，光电传感器连续工作时间短，容易出错，受外界光源干扰较大，速度传感器体积较大，增加车体重量，因此此次设计采用光电旋转编码器，它控制的精确度高、反应迅速、抗扰能力强等特点。3.1.7道路检测模块道路检测模块主要功能是在汽车行驶的过程中，能够准确无误的完成对道路路面图像，路面的形状等信息的采集和存储，本次设计是由安装在车前面的反射式红外线采集道路信息，并将道路信息传送给微控制中心，并由其对此信息进行分析和计算。3.1.8辅助调试模块辅助调试模块由LCD显示电路和键盘电路组成，它的作用是在调试过程中将小车状态参数实时显示出来，使小车的设置变得更加直观且不易出错，也能够通过键盘输入来调整参数，对于人机信息交换非常方便，并且可以切换智能车状态。1) LCD显示电路设计显示电路的液晶显示模块使用的是（TS1620-1），它的16位I/O口与MCU相接，有小巧，消耗低，使用简单等特点，其经过对模式选择位发布口令，决定液晶显示器LCD的运行模式，分时对口令和程序进行写入。2）键盘电路设计键盘电路的设计具备模式选择，步进增，步进减，确定，退出的功能，即需要6个按键，这6个按键采取32阵列排列，键盘的设计统一设计为带下拉电阻的形式，其输出口与单片机I/O口相连接，其中工作模式设置为：当无键按下时输出为低，有键按下时输出为高。3.2微处理器模块3.2.1单片机的选型主控单片机使用的是由Free scale提供的单片机MC9S12DG128B。其是一款增强型的S12系列微控制器，有16位，其CPU12有ALU算数逻辑单元，寄存器组和控制单元。外部总线的频率有8或16MHZ两种，通过(PLL)频率合成器可以使内部运算速度高达25MHZ，其寻址方式有16种，其内部寄存器组中的寄存器，变址寄存器和堆栈指针均有16位。单片机的累加器A和B都有8位的，其也可以组合成累加器D（16位）。以下5部分组成CPU12寄存器组：（1）累加器A（8位），B（8位）或D（16位）。（2）寻址寄存器X,Y（16位）用来处理操作数地址。可用于源地址，目的地址的指针型变量运算。（3）16位的堆栈指针SP。（4）16位程序寄存器，它为下一条指令或下一个操作数地址。（5） 条件码寄存器CCR。3.2.2MC9S12DG128B单片机的内部资源MC9S12DG128B具有大量的内部资源，情况如下所示：（1）复位及时钟模块：PLL频率合成器（PLL）；看门狗（COP）；时钟监控；（2）存储器：128KB Flash存储器；2KB的EEPROM；8KB的RAM；（3）两个AD转化器（8路）：精度为10位；有外部触发转化功能；（4）捕捉定时器（增强型）：主计数器（16位），分频系数为7位；入口捕捉通道或出口比较通道（8个）；脉冲计数器分为2个8位或1个16位；（5）脉冲调制（PWM）通道：可编程占空比和周期；8路8位或4路16位PWM；可独立控制每路PWM的周期及占空比；具有左对齐或中间对齐输出功能；可选择频率宽编辑时钟频率；紧急情况可快速关闭输出；（6）MC9S12DG128B的串行接口：两个串行接口模块（SCI）；一个总线接口（IIC）；2个同步串行外设接口（SPI）；（7）2路CAN；（8）网络通讯口（SAE J1850）；MC9S12DG128B 支持在线写，擦除，在线下载。其中编辑程序的根据是，单片机片内的CPU有对片内Flash进行写和清除的功能，用户以串行的方式将命令与数据输送给单片机，其编程接口也能用于应用程序的调试，接口也能在程序运作时，获得CPU寄存器和存储器的值，这就是单片机BDM调试方式。其还能使用BDM把监控程序输送至闪存，退出BDM，应用RS-232下载程序，进行调试，其结构框图如图3-2所示：图3-2 MC9S12DG128B单片机的结构框图3.2.3MC9S12DG128B单片机最小硬件系统尽管MC9S12DG128B单片机将CPU，ROM，RAM和I/O都集成在一个芯片上，然而其依然需要外围电路给其供应电源，时钟，I/O的驱动，通信口等，使人能与单片机交流，如发布命令给单片机，下载程序，调试程序等等。结合这些基本要素，就可以进行单片机的硬件调试，其中最小系统也称开发板，有以下几部分组成：(1)供电电路。开发板由外部电源供电，通常为+5V，而实际中单片机的工作速度不断提高时，CPU的供电电压也不断降低，通常使用3.3V、2.5V或者更低电压，不仅提高了CPU的运算速度还降低了功耗： I/O电平较高时可以抵抗外界干扰，所以I/O模块使用+5V电压，因为单片机内部电压调整模块可以为单片机内其他模块提供所需电压，因此只需为单片机提供+5V外部电源即可。此外，为了使这不同的电压保持稳定，可以使用外接电容，电容有两种，第一种，电容值相对大的储能电容1uF、10uF等，其消除吞吐数字电路将1变0、0变1，即为三极管导通、截止时电流变化；第二种是电容值较小的去耦电容0.1uF、0.01uF,其作用是去除单片机工作时产生的高频噪声。（2）时钟电路。时钟电路包含石英晶体振荡器、一些电容和电阻，虽然单片机内有RC振荡器，可以产生工作所需的时钟，但其产生的时钟频率不稳定，所以本次设计使用外部晶振，外部晶体振荡器有两种连接方式，一个是串联电路，另一个是并联电路。我们采用并联方式，具体晶振电路如图3-3所示：图3-3 主控制模块晶振电路（3）复位电路。虽然S12单片机内部有上电复位电路，即单片机上电时自动产生复位信号，有时程序的运行会出现不正常情况，因此为了复位方便，可以加上一个手动复位按钮，其中外部复位电路有两种形式，一种是采取按钮加电容，另一种是加专门复位芯片，此次复位电路设计我们使用了一个很简便的方法，按钮加电容组成的电路，在51系列单片机复位电路中C14电容可以为10UF，然而在MC9S12单片机的复位电路中这个电容不能选为10UF，由于其过大时，会导致BDM无法进入BDM工作模式。具体主控制模块复位电路如图3-4 所示：图3-4 主控制模块复位电路（4）RS-232驱动电路。RS-232驱动电路的功能是给RS-232电平提供TTL的电平转换，单片机同PC通信通过异步串行通信协议。RS-232电平转化芯片可以使TTL电平和RS-232电平进行转换，然后通过9芯串行口与PC进行串行通信。（5）BDM调试接口。在单片机进入到调试模式时，PC可以通过BDM接口向单片机下载程序，进行在线调试，BDM方式是单片机最基本的调试方式，如果PC想依靠RS-232向单片机中下载程序，必须先经过BDM向闪存里下载用来监控的程序。BDM接口通讯电路图如图3-5所示：图3-5 BDM接口示意图（6）调试显示。为了调试方便，我们在单片机的PORTK口上接上LED，因为单片机的IO口驱动能力不能达到要求，当IO口电平为低时，其吸收电流的能力比其输出高电平时吸收的能力高，所以将LED接为上拉型，当输出为低时LED亮，当输出为高时LED熄灭，详细的电路设计如图3-6所示：图3-6 LED显示电路设计（7）单片机运作模式的选择。MC9S12系列单片机有两种不同的工作模式，即单片的和扩展的运行模式。单片运行模式是MC9S12单片机最常使用的运行模式，单片运行模式包含普通和特殊两种单片运行模式。当应用程序正常运行时使用普通单片运行模式，特殊运行模式使用在BDM进行调试时，当BDM头插入时，进入特殊模式，不插时，自动进入普通模式。扩展模式指的是CPU的外部总线可扩充为内存，闪存，I/O等。考虑到MC9S12DG128内存资源足够，所以本次设计只需要选择单片模式即可。表3-1为单片机MC9S12DG128B运行模式类型。表3-1 单片机MC9S12DG128运行模式选择PE5=MODAPE6=MODDBKGD=MODC运转形式的选择000特殊单片模式，开启BDM001普通单片模式010特殊测试扩充模式，开启BDM011特别外围，BDM不可运用100窄的竞争扩充模式，BDM禁止101一般窄的扩充模式，开启BDM110宽的竞争扩充模式，开启BDM111普通宽的扩充模式，开启BDM3.3道路检测模块3.3.1传感器选型及工作原理道路检测模块是智能车非常重要的模块之一，据了解目前常用的道路检测技术有：转角编码盘、霍尔传感器、光电感应，速度传感器，电磁感应，CCD摄像图检测，红外反射传感器寻线等。转角编码盘虽然测量较为准确，但成本高，霍尔传感器抗干扰较好，但是安装复杂，光电传感器的连续工作时间短，容易出错，精度非常有限，速度传感器的体积比较大，增加整体重量，电磁感应的最大优点是不受光电的影响，但它必须依靠道路中心线上布置的离散磁道钉为道路参考标记，CCD摄像图检测，利用摄像头获取不断变动的路面信息，并对路面信息进行分析，它具有信息容量大，能量消耗低的优点，但对数据处理相当复杂。所以本次设计最终选择红外反射传感器，经过对多种红外传感器的研究，最后决定选用ST168红外传感器。红外反射传感器的工作原理是，当智能小车在路面是白色的道路上行驶时，由安在车底的红外发射管向出发出红外光，通过反射，被接收管获取，光敏三极管导通，比较器的输出为低，当小车检测到黑色线时，红外线将被路面吸收，则接收管就不能检测到信息，三极管截止，比较器的输出为高，从而完成了红外反射传感器对道路信息的扑捉。将输出的电平信息发送入单片机的I/O口，当I/O口检测到高电平时，表示小车正沿黑线行驶，当输出低电平时，表示小车在白色路面行驶。3.3.2数据采集处理路面信息主要由前方道路中心位置、道路方向和道路弯曲程度组成。在红外传感器对获取线路信息的方法中，安装红外线传感器的个数与排列的方式可影响检测类型与精度。在获得传感器信息后，由软件处理并计算道路信息的状态。（1）道路中心部位获取与插值。考虑到应用红外线传感器获取道路信息的方法得到的路面信息空间分辨率比较低，存在着量化误差，所以本次设计采用插值对空间位置进行量化处理，这包括两种情况：第一种，红外传感器采集到的模拟信号经过电压比较器，转化成为数字信号，然后输出到单片机I/O口，数字采集方式有实时性好，处理速度快等优点，但其只能识别几个点的状态，给出的是离散位置信号，所以其分辨率低，通过布置红外传感器队形间隔及相对路面的高低，使相邻的两个红外光传感器检测的路面范围信息是重叠的。然后通过确定是一个传感器的响应还是邻近的两个传感器的响应，从而使检测到的路面位置接近红外接收管间隔的一半。第二种，红外传感器将检测到的道路轴线与逐个红外光接收管的高低所引起的电压变化是模拟信号，经过滤波器滤波，然后经过单片机A/D口输入，变为数字信号，然后经过插值运算得到更为精准的位置信息。（3）路径方向的估测。路径方向估测对于智能车的设计是不可或缺的，其可以增大运作稳定性，提防小车发生过冲情况，经过反复测试，我们发现，在布置一排传感器时，一个时刻只能得到路面中心轴线的地位信息，而安排两排红外传感器时，则可以依据两排传感器获取的地位偏差，来估测路径方向，避免发生过冲，因为传感器个数有限，这种方法，会使道路空间分辨率降低。（4）道路弯曲程度估计。道路弯曲程度估计是为了用来反映前方路径情况的，判断是直线还是曲线，根据道路弯曲程度估计，来控制小车速度，保证小车在直道上快速安全行驶，在拐弯时减速行驶，虽然可提高运行的稳定性，但是运用红外线传感器获取道路信息时，不易获取弯曲的道路程度信息，所以我们使用软件算法，经过对一段时间内道路中心位置的变化进行统计，来预测并判断前方的路面信息。3.3.3系统工作原理设计中以74LS245芯片为道路检测电路的核心控制芯片。运作时的电压为7V，当输入的电压是7V时，输出是5.5V，其正常运行的温度范围是070。图3-7为它的工作电路原理图。图3-7 74LS245工作原理图3.3.4传感器的布局传感器的横向间隔距离。传感器之间的横向间距即两个传感器中线之间的距离，其是传感器布局时不可忽略的重要部分，因为其对小车行驶的稳定性有很大影响，也决定了控制算法的制定。在布置传感器时，当横向间隔距离比较稀疏时，小车在运行时，为了沿黑线行驶，会不停纠正运行方向，导致小车在黑线附近会出现摆动运行，不利于校车运行的稳定性，所以传感器在布置时，距离不能过大。然而当传感器布置过密时，会带来负面影响，增加了道路检测模块的重量，也使小车的转动惯量增加，对小车转弯无益。同时会将检测空间变窄，不利于小车的稳定行驶。所以，传感器之间的距离应当根据实际情况，做出合理判断，最终确定出最适合的横向间距，考虑到道路中心黑线的宽度是25mm，且经过实验发现，对于某一个传感器，当传感器中心轴线处于黑色线中央18mm内时，才能可以保证能检测到黑色线。所以为了使邻近的某两个传感器能同时获取到黑色线，则必须保证传感器之间的距离小于18mm。经过综合考虑，最总决定将相邻的两个传感器之间的距离设置为16.2mm。传感器的纵向伸出长度。传感器的纵向伸出长度是指红外传感器距离车头的径向探测距离。它是传感器布局的一个重要影响因素，对小车的行驶稳定性和最大车速都有决定作用，它主要影响小车对位置道路的预测能力，从理论上讲，传感器伸出距离越长，预测能力越好，可以使小车提前预知前方道路情况，当有突变发生时，有足够长的时间进行转弯或减速。但是这样做也有缺点，如果长度太大，小车可能会产生重心偏离，造成行驶不稳，出现上下颤动，很容易使传感器跳出有用的监测区域之外，造成干扰。c.布局方案。由于一排红外传感器检测的距离有限，最大检测速度是2m/s，不可能进一步提高，为了克服单排传感器的缺点，提高小车的检测速度，我们采用两排传感器的布局形式，第一排和第二排都布置11个发光二极管和发射管，其布局情况如图3-8所示：图3-8 红外传感器的排列方式经过多次试验证明传感器的纵向伸长距离越大，小车的性能越差，为了在增加纵向距离时又不会使重心偏移，我们在安装时带一定的倾角，一般设置为65，其示意图如图3-9所示：图3-9 倾角安装传感器3.3.5消除干扰因为道路上除了中心线外，还有起跑线和交叉线。信息处理时需要将这些干扰检测出来，并且消除。在反射式红外检测过程中干扰主要有两种：其一：发射管/接收管相邻干扰和噪声干扰。经过反复研究实验，我们可以采取以下措施来解决：（1）选用发射和接受特性比较好的传感器；（2）管上套上黑色特制管，使其只能接收前侧一个指定方向的反射光，在独立的发射管上也安装上长度适中的黑颜色特制管可以避免相邻发射管的干扰。（3）需要保证发射管和接收管波长特性的一致性。因为噪声干扰的主要是环境光线干扰与检测量化误差干扰。通过多次实验，决定采用电路滤波和软件滤波相结合的方法来消除环境光线干扰。道路检测量化误差主要由于传感器个数的有限，检测到的模型车偏移量不是连续取值造成的误差。经过对监测信息进行插值可以消除或降低这种量化的差异。3.4电机驱动模块3.4.1驱动电机本次设计使用的驱动发电机是rs380-st，其传动比为9:38（即后轮轴上齿轮数18，传动齿轮的齿数位76），发电机的最大转速是15300r/min,相应的车速为 9.78318m/s。小车通常运作在发电机转动速度为20004000r/min区域段，因此符合本次设计。RS380-ST直流伺服电机对速度的控制非常精准，它的输出转矩很大，可直接带动负载运动。而且其也可以在收到控制信号后直接控制转速调整。它具有以下优点：（1）具有很大转矩，能消除传动装置的摩擦转矩和负载转矩的影响。（2）它具有很好的线性调节速度特性，调节速度区域宽，控制精确度高，而 且运作速度很快 （3）响应速度快，能适应比较复杂的速度变化。（4）有较大的负载能力，可以保证运行速度不受负载冲击。（5）可以较长时间停转且不会烧坏电机。3.4.2 H桥驱动电路在电机驱动电路的设计中，我们使用几片MC33886芯片并联模式。运用该方法设计电路时，由于芯片的驱动电流很小，内阻比较大，会导致芯片大量发热，所以本次设计我们应用场效应管整建H桥来使发电机合理运作。场效应管拥有电阻较小，开和关迅速等特点。并且非常方便加散热片。本电路的输入电压为59V，电流最大输值为74A，驱动装置采用场效应管，当栅极电压高时可以使场效应晶体管导通，由于单片机P口输出的电压不够大，所以需要添加栅极驱动电路，使用的是COMS和非门，本次设计使用的是CD4011，场效应晶体管N管使用的是IRF3205，P管使用的是IRF4905，因P管电流限制，其最大电流为74A，需加一个散热片在漏极(D)，所以Q1，Q2和Q3，Q4可以连接到漏极。如下图3-10中所示为直流发电机的控制电路：图3-10 H桥原理图3.5舵机驱动模块舵机模块是智能小车最重要的部分构成之一，其作用是保证小车能够一直稳定的沿黑线运行，在转弯时，能够保证小车快速灵敏过弯，因此，本次设计需要对舵机进行改造，来提高响应速度。3.5.1舵机的结构舵机又叫伺服马达，主要由外壳、方向盘、齿轮组、可调电位器（5K）、直流发电机、控制电路板等组成，如图3-11所示：图3-11 舵机机械结构3.5.2舵机的工作原理a. 舵机的基本资料:表3-2 舵机的基本资料S3010 技术规格整体特性介绍主要用途常用伺服器特征成本低，高扭矩基板S256马达TRIOCORE GM1510VRTR133-15其他金属,轴承，引导线长330mm,hornd寸法（L*W*H）40.02038.1mm重量41g直流电流的支出：静态时最大 15mA（无负荷）（4.8V时）动态时13025mA（无负荷）直流电流的支出：静态时最大 15mA （无负荷）(参考值：6.0V时)动态时14530mA（无负荷）输出扭矩6.0V6.51.3Kg.cm运转的速率6.0V0.160.02秒/60转动方向CW脉冲 窄（1520920us）CCW脉冲 宽（15202120us）动作方位CW6010度CCW6010度左，右差最大 10度Dead Band63 us(除去自动检测夹具)静电耐量接触 8KV以上BacklashMAX 0.7 度波动量最大 0.3mm波动最大 1 回/600us微动，不灵敏带动作速度100m/s,不在动作范围电压范围4.06.0V使用温度范围-10+45C保存温度范围-20+60C其余非特定时的测量电压=4.8V舵机其实是一个典型的闭环反馈系统，它的工作原理是：单片机的命令从接收机的管道发送到信号调制芯片里，从而得到直流偏置电压，然后比较直流偏置电压与舵机中的基准电路产生的基准电压（周期为20m/s,宽度为1.5ms），然后给出电差。发电机的驱动芯片根据压差的正和负决定舵机正转或反转。当电机达到某一个特定转速时，电机将带动随后的齿轮组转动，减速时将动力传送给舵盘，当舵盘进行转动时，将使与舵机输出轴相连的反馈电位计转动，位置反馈电位计发送电压信号到控制电路板，进行相应的反馈，控制电路板依据所在位置判断和决定转动方向，直到电压差为0。b.舵机的控制方法：舵机是通过MC9S12单片机来实现控制的，单片