毕业设计论文 自动化06-2 邵敬敬.doc

山东科技大学学士学位论文 摘要摘 要智能车控制系统设计与调试是通过设计单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行，在保证不冲出跑道的前提下，跑完一圈的时间越小成绩越好。我们通过对整体方案、电路、算法、调试、车辆参数的分析，硬件电路部分主要采用MC33886模块稳定、有力地驱动直流电动机和舵机，采用激光传感器实现道路检测，获取赛道信息，反馈给单片机MC9S12DG128。电机驱动采用基于MC33886全桥电机驱动芯片。软件系统部分主要包括以下与路径识别系统相关模块的算法，同时车速检测模块采用光电编码器检测模型车速度，反馈给单片机形成闭环的PID速度控制；同时采用PWM技术控制舵机得转向和电机转速。本系统利用开发工具CodeWarrior进行编程开发，用BDM进行程序下载，利用串口传输的数据进行在线调试。这些工具的使用，使得软件的设计编程和调试工作得到了保证。在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。 关键词：智能车;路径识别;激光传感器;PID;MC9S12DG128单片机ABSTRACTIntelligent Vehicle control system design and debugging MCU is through the design of automatic controller model car in a closed runway independent line running through, ensuring the car is not out of the premise of the runway,finish the lap time for the less used the better results.Through the whole program,circuit,algorithm,debug,annalysis of vehicle parameters,we decided to use some of the major MC33886 hardware module that can stabilize a powerful DC motor and servo drive.And laser sensors to achieve the road test in result to get track information,and finally feedback to the microcontroller MC9S12DG128. Software systems, including some major recognition system associated with the path of the algorithm module in addition to vehicle speed detection module uses optical encoders to detect model car speed,the purpose is that you can form a closed loop of the PID speed control;while car steering control with PWM technology was streering and motor speed. CodeWarrior software development tools enable the design of programming and debugging work is guaranteed.All in all, the temper of our knowledge integration and practical ability to train great role.Keywords：Smart car; Path identtification; Laser sensors; PID; MC9S12DG128SCM山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论11.1课题的发展概况11.2课题内容与意义21.3文本结构22智能车的整体设计42.1系统总体方案的选定42.2系统总体设计63智能车机械结构调整93.1智能车车体机械尺寸93.2智能车前轮定位调整93.3稳定性与避免侧滑124硬件设计及说明144.1激光传感器的设计144.2电机驱动模块设计与实现174.3电源模块设计194.4舵机的安装与控制194.5 MC9S12XS128端口分配235软件设计说明245.1系统软件流程图245.2 程序中S12单片机的时钟初始化255.3 所用PWM模块说明255.4 模糊PID控制算法的实现275.5 MC9S12XS128端口分配32参考文献33致谢34附录一35附录二58山东科技大学学士学位论文 绪论1绪论11.1课题的发展概况全国大学生智能车竞赛的计划是在2005年暑假举行的单片机嵌入式系统教书讨论会上，由飞思卡尔公司的金功九博士建议的。我们得知，韩国至今已举办过5届，不但得到飞思卡尔公司的赞助，还得到了韩国著名制造商的赞助。飞思卡尔公司的前身摩托罗拉公司半导体部，在过去10年中曾每两年一届，举办过五届“Motorola”杯全国单片机应用设计竞赛。比赛方式是参赛人提出单片机应用的创意，经过专家评审选出3050个应用方案，然后再由公司提供8位、16位、32位以及DSP传感器等产品的样片和开发工具，用四个月的时间完成，并进行决赛，比赛对参赛人的背景没有限制此类竞赛对中国单片机的推广应用已经起到了一定的促进作用。当前在嵌入式领域8位、16位、32位的CPU种类繁多，各有定位和特色，且一个芯片中集成2个甚至3个CPU也不难见到。更复杂的应用可以使用多个CPU的分布式系统，因此CPU的运算能力不再是设计者首先考虑的。半导体技术的发展的不平衡往往表现在存储器上。因此有人提出，嵌入式系统的设计应该不再以CPU为核心，而是以存储器为核心。在本次竞赛中参赛选手须使用竞赛秘书处统一指定并负责采购竞赛车模，采用飞思卡尔16位微控制器 MC9S12DG128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区的场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分赛区预赛以及最终决赛，在实际可操作性基础上力求公正与公平参与，秘书处将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。1.2 课题内容和意义智能小车以飞思卡尔16位微控制 MC9S12DG128B作为唯一的核心控制单元，电机驱动芯片选用了MC33886，采用激光传感器采集图像循线，实现了通过记忆算法解决跑道的S型的难题。同时，采用PWM和PID技术，控制舵机的转向和电机转速。路径参数的准确计算是智能小车控制的前提，采用随动控制来识别路径，更能准确的来控制小车速度。技术报告以智能小车的设计为主线，包括小车的构架设计、软硬件设计，以及控制算法研究等。整个智能汽车制作过程中，我们主要做了以下工作：（1）、硬件设计：在硬件电路方面，精心设计了激光传感器电路和驱动电机电路；同时，为了调试方便和根据场地等外界环境需要，设计了速度显示和LCD输出硬件电路，并且加入了无线调试的硬件接口电路。（2）、软件设计：在软件设计方面无线调试平台软件平台为CodeWarrior IDE 开发环境不仅给程序调试带来了很多方便，可以在计算机上调试各种控制算法的性能，还保证了赛车在调试过程中的运动轨迹的可控性。（3）、控制算法的研究：通过对激光传感器进行处理，从而获得准确的赛道信息。并利用编码器测速形成闭环的PID控制，提高控制的精确度和稳定性。1.3 本文结构本文采用先总后分的结构，对系统设计和调试的各部分进行了介绍，突出强调了系统机械结构、硬件电路和软件程序的统一。全文共由五个章节组成，第一章为绪论，二至五章为主体部分。首先，基于竞赛为背景以及相关的参考文献，在第二章里引出了智能车的整体设计策略，确定了系统总体框架。然后，在第三章里介绍了车模机械性能的一些探索和改进，紧接着第四章和第五章分别介绍了智能车的硬件和软件方面的设计。48山东科技大学学士学位论文 智能车的整体设计智能车的整体设计本章主要简要地介绍智能车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械调整、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。2.1系统总体方案的选定本次设计需要制作出一个能够自主识别道路并行驶的智能车。在模型车的制作过程中，最关键的问题就是如何探寻黑线，如何施以合适的控制策略来确保小车在不违背规则的前提下沿赛道尽可能快速稳定的前进。2.1.1 道路识别模块选定通过学习前四届飞思卡尔智能车竞赛规则和往届竞赛相关技术资料了解到，路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此确定路径识别模块的类型是决定智能车总体方案的关键。而目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器和激光传感器、摄像头传感器。一、光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快，但是其前瞻距离有限。二、激光传感器相对前者而言电路复杂一些，但前瞻距离较前者远，能及时预测道路信息；激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。三、CCD摄像头寻迹方案的优点则是可以更远更早地感知赛道的变化，但是信号处理却比较复杂，如何对摄像头记录的图像进行处理和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。在比较了三种传感器优劣之后，考虑到CCD传感器图像处理的困难以及前瞻距离后，决定选用应用广泛的激光传感器，相信通过选用大前瞻的激光传感器，加之精简的程序控制和较快的信息处理速度，激光传感器还是可以极好的控制效果的。2.1.2 测速模块选定另外需要一个速度传感器安装在主驱动齿轮上，通过齿轮传过来的转动信息，获取后轮转角和电机转速。有以下方案：方案一 光电传感器 可以对齿轮打孔，采用直射型光电传感器，通过间断接收到的红外光，产生电脉冲信号，获取转动角度和电机转速。虽然其体积小，不增加后轮负载，加工制作简单，结构稳定。但是精度不准，易受外界的干扰。方案二 光电编码器 光电编码器可以通过购买安装在主驱动齿轮上，来获得电机转速，光电编码器虽然体积大，会加重车的负担，但是其获取信息准确，精度高，安装容易，所以决定用光电编码器来实现电机的测速。2.1.3 电源模块选定 大赛规定使用的电源为配发的7.2V的镍铬电池。所以需要搭建一些升降压电路，下面考虑方案：方案一、采用降压、升压斩波电路采用斩波电路可以很容易得到所需要的电压，但是需要的转换电路很多，需要的元器件也很多。方案二、采用升降压芯片集成的小芯片体积小，重量轻，易于安装，更能节省空间，所以最后决定采用一系列的升降压芯片来实现各个模块的电源需求。2.2系统总体设计智能车竞赛所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型赛车，由大赛组委会统一提供。通过设计基于Freescale 公司开发的MC9S12DG128单片机的自动控制器控制模型车在封闭的跑道上自主循线运行。自动控制器是以单片机MC9S12DG12812为核心，配合有传感器，电机，舵机，电池及相应的驱动电路，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。设计自动控制器是制作智能车的核心环节。在严格遵守规则中对于电路限制条件，保证智能车可靠运行前提下，电路设计尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性。作为能够自动识别道路运行的智能汽车，车模与控制器可以看成一个自动控制系统。它可以分为传感器，信息处理，控制算法及执行机构四个部分。其中，以单片机为核心，配有传感器，执行机构以及它们的驱动电路构成了控制系统的硬件。信息处理与控制算法由运行在单片机中的控制软件完成。因此自主控制器设计可以分为硬件电路设计和控制软件两部分。电路设计如图2.1MCUMC9S12DG128B调试接口电源模块舵机驱动直流电机驱动速度检测激光检测道路识别激光传感器图2.1 硬件系统电路框图 根据以上硬件系统方案设计，赛车硬件系统包括七大模块：MC9S12DG128B主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块辅助调试模块。各模块的作用如下：MC9S12DG128B主控模块作为整个智能车的“大脑”，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能车的控制。传感器模块是智能车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。电源模块为整个系统提供合适而又稳定的电源。电机驱动模块驱动直流电机和伺服电机完成智能车的加减速控制和转向控制。速度检测模块检测反馈智能车后轮的转速，用于速度的闭环控制。辅助调试模块主要用于智能车系统的功能调试、赛车状态监控等方面。软件系统设计：鉴于竞赛规则要求，智能车系统采用飞思卡尔的16位微控制器MC9S12DG128B单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。在选定智能车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的激光传感器采集，经S12 MCU的I/O口处理后，用于赛车的运动控制决策，同时内部ECT模块发出PWM波，驱动直流电机对智能车进行加速和减速控制，以及伺服电机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能车后轴上安装光电编码器，采集车轮转速的脉冲信号，经MCU捕获后进行PID自动控制，完成智能车速度的闭环控制。小结 本章重点分析了智能车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计，以及简要地分析了系统各模块的作用。在今后的章节中，将对整个系统机械结构、硬件模块和软件模块等三个方面的实现进行详细介绍。山东科技大学学士学位论文 智能车机械结构调整3 智能车机械结构调整智能车系统任何的控制都是在一定的机械结构基础上实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个车模的机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进和提高。本章将主要介绍我们对智能车所做的机械调整。3.1智能车车体机械尺寸按照比赛规则，小车由主办方统一提供，根据资料显示其基本的尺寸参数如表3.1。表3.1 模型车基本尺寸参数基本尺寸尺寸轴距198mm前轮距137mm后轮距138mm/146mm车轮直径52mm主减传动比18/763.2智能车前轮定位调整为了使智能车直线行驶稳定，转向轻便，转向后能自动回正，减少轮胎和转向系零件的磨损等，在转向轮、转向节和前轴之间须形成一定的相对安装位置，叫车轮定位，其主要的参数有：主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前束。3.2.1最佳主销后倾角主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重，通常主销后倾角值应设定在13，现代汽车由于速度增高、轮胎气压降低、弹性增加，所以稳定力矩也增加，因此后倾角可以减小到接近于0，甚至为负。鉴于以上模型车可以通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于竞赛所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0，以便增加其转向的灵活性。3.2.2最佳主销内倾角主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8。 对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为03左右，不宜太大。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。 3.2.3最佳车轮外倾角前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。 模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0即可，并且要与前轮前束匹配。3.2.4 前轮前束所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。在实际的汽车中，一般前束为012mm 。在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束02mm可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。3.3 稳定性与避免侧滑通过比赛结果来看，模型车对中心位置的控制和采取一些避免弯道侧滑的措施对于提高比赛成绩仍是比较重要的。3.3.1重心位置控制汽车重心指汽车重力的作用点，其位置的改变会影响汽车的动力性、制动性、操纵稳定性、平顺性和舒适性等重要特性。重心靠近后轴，对模型车动力性能有益，重心靠近前轴，对模型车得制动性和操纵性稳定性有益。考虑到智能车大赛对模型车得动力性要求并不想真正的赛车比赛要求的那样高，而模型车所能达到的最快车速也并不高，故此在安排传感器、电池和电路板位置时，尽可能使模型车的重心位置靠近前轴，从而提高过弯性能。最佳重心位置宜由实验确定。3.3.2 避免侧滑为保证汽车转向车轮无横向滑移得直线滚动，车轮外倾角和车轮前束要适当配合，当车轮前束与车轮外倾角匹配不当时，车轮就可能在直线行驶过程中不做纯滚动，产生侧向滑移现象。这种滑移现象过于严重时，将破坏车轮的附着条件，是汽车丧失定向行驶的能力。当转向轮具有正前束时，汽车向前行进时，两前轮具有向内收缩靠拢的趋势；当转向轮具有正外倾时，轮胎相当于圆锥的一部分，向前滚动时将有向外张开的趋势。理想的情况是转向轮向外的张力与向内收拢的作用力相互抵消，保持车轮直线行驶。3.3.3 其他部分的调整判断齿轮传动是否调整好的一个依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响智能车的过弯性能。好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。山东科技大学学士学位论文 硬件设计及说明4硬件设计及说明具体地说，主要从以下四个方面予以介绍：激光传感器的设计；电机驱动模块的设计与实现；电源模块的设计；舵机的安装与控制。由于在本次设计制作中，我们选择了大赛组委会提供的80引脚QFP封装的S12电路板及组委会提供的BDM 调试工具。4.1 激光传感器的设计道路识别模块中我们用到的是激光传感器器，原理是由发射管发射一定波长的红外线，经地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，接受管接收不到，三极管截至，单片机I/O口接收到信号为“1”； 白色上可以反射回大部分光线，接受管接收到反射光线，三极管导通，单片机I/O口收到信号为 “0”，通过把光信号的变化转换为电信号变化来实现控制，以此来区分黑白线。激光传感器由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份。发射部份由一个振荡管发出180KHz频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接收部份由一个相匹配180KHz的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入S12单片机的I/0口，检测返回电压的高低。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。另外，配合大透镜使用，接收效果和抗干扰能力更强。其工作原理图如图4.1，图4.2所示。图4.1 光电传感器发射部分原理图图4.2 光电传感器接收部分原理图（1）IN为输入“0”、“1”信号给单片机，用以判断黑白线，OUT为单片机I/O口输出“0”、“1”信号给激光管，用以控制其发光。 （2）接受管1和2端口有一个三极管，接收到黑线时，三极管截至，IN输出为1，接收到白线时，三极管导通，IN输出为0。（3）当照射在黑线上时， LED指示灯应该为灭；当照射在白线上时， LED指示灯应该为亮。我们在寻线传感器采集方面共用到了13个激光传感器。激光传感器接到CPU的数据I/O端口，用于检测道路的弯曲程度，以便控制舵机调整前面转向轮的行驶角度。13个激光管呈一字型排列，实验测知相邻的两个激光管之间接收和发射相互影响，但隔着一个的两个激光管没有影响，所以，将奇数号的激光管相连，接到MC9S12XS128单片机的PB3口，控制它们同时发光，偶数号激光管相连，接到MC9S12XS128单片机的PB2口，控制它们同时发光，从而由分时发光来实现激光管互不干扰。 图4.3 模型车激光传感器一字排布图各个激光管之间的距离是相等的，鉴于最外侧的两个用于起跑线，拐弯和十字线时，一般直道时用不到，所以将它们分别接到MC9S12XS128单片机的中断入口PJ6和PJ7口，即只有当它们其中一个检测到黑线时，产生一个外部中断信号，智能车做出相应的转向和调速反应，其它情况下，只按查询法逐个查询是否检测到黑线，来确定黑线的位置，用以确定智能车的转向和速度，使车实现延黑线前进。由此得出激光管的输出OUT引脚与单片机的连接如表4.1所示。表4.1 激光管的输出引脚与单片机的接口连接标号12345678910111213端口PJ7PE0PA0PA1PA2PA3PE3PA4PA5PA6PA7PE2PJ6激光管的支架的制作既要保证光电探头的前瞻性，又要兼顾检测的稳定性。经过测试激光管的前瞻距离，我们决定在舵机之后5cm的车身安装一个支架，用以支撑激光管。注意事项：为了既能够调整发射管的角度，又能够在常态下固定发射管，我们将原来的铜丝换下，接上电阻两端的导线，这样既可以起固定作用又方便掰动调整发射光和路面的角度，使前瞻距离达到最大。在焊接发射管和接收管时，温度不宜过高，点一下就到位，我们在刚开始操作时没有注意这方面，导致发射管不同程度的损坏。钢焊接完时，不要掰动，过一会再动。4.2 电机驱动模块的设计与实现智能车竞赛的规则要求使用组委会推荐的Motorola公司生产的电机驱动芯片MC33886DH作为电机的控制芯片。MC33886DH是一款用于电机驱动的高效单片集成芯片，能够向负载电机提供高达5.0A的连续直流感应电流，最高可以处理10KHZ频率的PWM调制脉冲，芯片内部集成有控制逻辑、门驱动、低RDS（ON）MOSFET 输出电路，可以提供短路保护、过温保护、欠压保护。方案论证：首先，值得一提的是，MC33886发热问题比较突出，特别是其正反转较为频繁的时候。如果设计中采用一片MC33886驱动电机，其输出电流比较小。设计中采用两片MC33886并联驱动，其一是能提高电机的输入电流，增大电机的实际功率，使电机能在不增加动力源的情况下，性能大幅度提高；其二是减小单片机MC33886的功耗，MC33886发热现象比较严重，在上面须加上一定面积的散热片缓和一下，在这里用两片MC33886来为统一点击供电，可以有效地减小单片机MC33886的功耗，发热现象也可以得到部分缓解。接线如图4.4所示。图4.4 驱动电路原理图经过操作得知几点需要格外注意：要用电池给电机供电，避免用稳压电源供电。有试验得知，稳压器不能像电池一样快速地传送电流的变化，稳压器提供的噪声和电源的隔离功能将大受影响，电机噪声将不再流经稳压器的输入滤波电容，而是直接进入稳压电路而且限制它能提供的最大电流。利用较高的未稳压电路为电机供电通常在性能上超过稳压器为电机供电。由MC33886DH的真值表可知，要使芯片处于工作状态必须使引脚（）为高电平，引脚（）为高电平，引脚（D1）为低电平，在初始化程序中需要对这三个引脚对应的寄存器赋值。当IN1为高电平 ，IN2为低电平时，小车处于前进状态，IN2脚可直接设置为零，使用MC9S12DG128B的PORTB口的0、2、4、6引脚分别连接MC33886DH的、D1、IN2、引脚，利用脉宽调制模块的输出脚PWM45来控制驱动芯片的IN1脚。由于在赛车的过程中不需要倒车，可以只使用其中的半桥，为了扩大MC33886DH的驱动能力，可以将两个半桥并联使用，如图4.3所示将输出引脚OUT1和OUT2并联使用共同来驱动电机，这样输出的电压值比较稳定，驱动能力增强。4.3 电源模块的设计大赛规定使用的电源为配发的7.2V的镍铬电池。现在看电路中所用多大的电源以及如何设计这些要用的电源。单片机、信号调理电路以及部分接口电路需要用稳定的5V电源供电。舵机的工作电源为6V，此电压无需十分稳定，后轮电机驱动模块需要7.2V的电源，可以直接有电池供电。4.3.1 5V 稳压电源5V稳压芯片的选择考虑7805稳压块和LM2575及LM294013系列三种方法。在各部分电路电源中，整个电路的核心S12芯片的供电放在首位，首先应保证他电源供给的安全稳定。根据S12的技术资料，其供电电压为 5V.而本设计多提供的电源额定电压为7.2V，因此需要一个降压芯片为S12芯片供电。以下为芯片选用论证：（1）在平时设计中经常用到的稳压器为LM7805来完成电压转换。由于蓄电池随着电量的释放造成电压逐渐降低，当降低到一定程度的时候就不能持续提供+5V的电压，造成智能电动车控制系统不能正常地工作。LM7805稳压器比较常见的是线性稳压芯LM7805。虽然这种线性稳压器具有输出电压恒定或可调、稳压精度高的优点，但是由于其线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失”(其值为V压降I负荷)，导致其电源利用率不高、工作效率低下，不易达到便携式设备对低功耗的要求。由于直流电机在高速运行时的电流达到 4A。当直流电机运行半个小时左右，测得的电源电压在+6.5V+7.0V， 而微处理器的输入电压要求为稳定的+5V， 如果选用7805线性电源管理芯片，由于工作压降要求在1.7V以上，也就是如果使7805输出+5V 电压，那么输入电压至少在+6.7V以上，否则不易保证稳定的+5V电压输出，也就很难保证微处理器的正常工作。由于其高压差因素，如果使用7805，那么还应该考虑电源散热问题，使得整个系统的设计复杂且不能保证系统的有效工作时间。（2）LM2576-5V该芯片为单片降压式开关电压调整器，输出电压5.0V ；最大输出电流 3A ；具有热关闭和限流保护功能。 因此，开关稳压电源的功耗极低 ，其平均工作效率可达 70% 90% 。然而LM2576-5 工作电压在7.040V 之间，而本设计提供的电池额定电压为7.2V ，所以该芯片易出现输出电压低于5V的情况，不符合单片机供电的要求。（3）低压降稳压块LM2940，高负载时压降为40mV，输出电流可达1.25A，典型值压降为350mV输出电流为1A，静态电流为240uA。该芯片较 LM2576-5 而言，能够在低压差的情况下稳定的工作 ，故该芯片给MCU 供电是个不错的选择。鉴于单片机和光电传感器总电流过大，用两个2940芯片并联。最终得出供电电路图如图4.5所示。图4.5 5V稳压电路因此我们选择了低失稳电压稳压器LM2940来设计电源，LM2940稳压器特点是在整个温度范围内按典型0.5V和最大1V的失稳电压能提供1A的输出电流。此外，还具有静态电流降低电路，当输入与输出的电压差大于3V时，可以自动降低静态电流。该稳压器也具有一般稳压器的短路保护和热过载保护等功能，该稳压器原为汽车应用而设计的，具有电池反接或两电池对接的保护功能。在输出负载降压60V时稳压器将自动关闭以保护内部电路。电容值的选择：为了保证电源电路的稳定性，输出端的电解电容至少为22uF。为保持瞬变时的调整率，电容量可以无限制增加，位置尽可能靠近稳压器。该电容必须额定在于稳压器相同的工作温度内，而ESR是严格要求的。 4.3.2 6V稳压电路经实验测的舵机最大输出电流约为100mA左右，而7806芯片的输出电流是500mA至1A，能够满足舵机的要求。另外查7806的芯片资料，得其原理电路图如图4.6所示。图4.6 6V稳压电路4.4 舵机的安装与控制舵机本身是一个位置随动系统。它由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成。通过内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号。在负载力矩小于其最大输出力矩的情况下，它的输出转角正比于给定脉冲宽度。此舵机的工作原理：控制信号输入控制电路板电极转动齿轮组减速舵盘转动位置反馈电位计控制电路板反馈。舵机的控制线有三根，其中红色为电源线，输入电压为6V，黑色为地线，蓝色（黄色）为信号线，应通过控制线的颜色区分电源线和地线。舵机的控制信号可以通过软件计数方式，定时器中断方式或PWM硬件产生方式产生。在设计中我们采用MC9S12DG128B的脉宽调制模块(PWM)产生控制信号，经过检测，舵机的最大转动角度为40度左右。根据置于汽车前端的识别路径传感器的信息来调整汽车的转向。按照汽车的构造与结构，我们把舵机安装在汽车的前端，使其正好与两个前轮相协调，调整到当输入为1.5ms的脉宽信号时，使汽车直走。由于舵机的响应时间对于控制非常重要，我们在调试的过程中一方面通过修改PWM周期获得，另一方面也通过机械方式，利用舵机的输出转距余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度，舵机的连接图如图4.7所示。图4.7舵机安装原理图4.5 MC9S12XS128端口分配MC9S12XS128微控制单元作为MC9S12系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成，包括16位中央处理器、128KB的Flash存储器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口、一组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8 通道10路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字 I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字 I/O接口、5个增强型CAN总线接口。同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。表4.2 端口解法功能输入/输出I/O接口激光传感器采集信号输入PB2、PB3输出PJ7、PE0、PA0、PA1、PA2、PA3、PE3、PA4、PA5、PA6、PA7、PE2、PJ6光电编码器输出PB133886输出PT5、PW3舵机输出PP1山东科技大学学士学位论文 软件设计说明5 软件设计说明在前面硬件设计的基础之上，辅以实现智能车控制的软件，基本上可以实现汽车的智能控制。在这一部分中，我们主要介绍以下几块内容：S12单片机的时钟初始化；PWM模块的应用；电源与速度的协调设计及A/D模块的应用；模糊PID控制算法的实现；增强型定时器模块捕捉功能的实现。5.1 系统软件流程图图5.1 系统流程图通过路径识别模块后，利用前瞻的条件判断路径是直道还是弯道，通过单片机构成一个随动闭环系统，来控制舵机的转速。当判断为直道时，车速加速；当为弯道时，车速减速。5.2 程序中S12单片机的时钟初始化为了提高片内CPU运行速度，降低外部时钟的频率，以提高整个系统的电磁兼容能力，我们使用片内集成的锁相环电路使片内时钟频率远高于片外振荡器的频率，所以在进行软件设计时，就需要对片内锁相环电路作初始化。本设计中首先选定锁相环时钟，设置寄存器SYNR值为2，寄存器REFDV值为1。锁相环产生的时钟频率的计算公式为： 式（5.1）在程序中我们用到总线时钟频率为40MHZ的。5.3 所用PWM模块说明PWM经过低通滤波就可以变成模拟电压输出，而且成本低、分辨率高、外电路简单。实际上在电视机的遥控部分就普遍采用14位或16位的PWM生成调谐电压，此外在伺服电机位置控制、灯光亮度调节及直流电机的速度控制等方面采用PWM都很容易实现。PWM(Pulse Width Modulate)即脉宽调制，脉宽调制波是一种可用程序来控制波形占空比、周期、相位的波形。本设计采用MC9S12DG128B的PWM模块的2个16位的通道，分别用来控制舵机和电机驱动。首先，舵机控制是智能车系统中很重要的一个环节，舵机控制的好坏也直接影响了小车的控制效果，舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。在调试中发现，如果只使用单个PWM通道，精度只有1/255，舵机的转向角细分精度远不能满足调试需要。例如PWM0用SA时钟源，8位，舵机中位为14，但在测试中发现舵机设为11和17时已经到达舵机极限转角，中间调节的余地非常小，不能满足控制要求。因此在实际应用时，将PWM0和PWM1合并为16 位（级联），用SA作时钟源，这样最高分辨率为0.15%，足以满足精度要求。在程序中我们使用锁相环时钟使总线时钟频率达到24MHz，通过设置PWM模块的相应寄存器使其工作频率可达到50KHz，占空比调整范围0-100%，最高分辨能力达0.15%，而且输出极性可选，性能十分优异。根据大赛组委会推荐的舵机SRM-102的控制方法，通过设置相应的PWM模块的周期寄存器和占空比寄存器的值，分别实现转向舵机直走、左转弯、右转弯的控制。通过光电检测和小车车速的关系调节PWM的占空比用于驱动芯片MC33886DH。其次，PWM控制驱动电机。根据PWM调速原理，当电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，改变占空比的值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。由硬件部分叙述可知，MC9S12XS128单片机PT5与MC33886的IN1管脚相连，通过控制PWM3的占空比就可以控制平均输出电压，从而可控制电机转动的速度。PWM 初始化步骤总结：（1）禁止PWM PWME = 0（2）选择时钟 PWMPRCLK，PWMSCLA，PWMSCLB，PWMCLK（3）选择极性 PWMPOL（4）选择对齐方式 PWMCAE（5）选择占空比和周期PWMDTYx， PWMPERx5.4 模糊PID控制算法的实现5.4.1 PID控制原理PID(Proportion, Integral, Differential Coefficient)控制是自动控制系统中最普遍的一种控制方法，它广泛应用于工业过程控制中。下面简要介绍一下PID的控制原理。PID控制是20世纪30年代提出并实现的控制机理。其系统框图如图5.1所示。图5.1 PID控制系统框图其控制规律是： 式（5.2）是控制器的输出；是控制器的输入，是偏差值，即给定值与被控参数实际输出的差值： 式（5.3）是比例系数；是积分时间常数；是微分时间常数。在计算机控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。在本次智能小车控制系统中采用的是数字PID控制器再根据相应的算法，经过编程，由执行程序实现舵机的转向控制。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。其变换过程如下： 式（5.4） 式（5.5）式中，T为采样周期，k为采样序号。公式2改写为： 式（5.6）(5.6)式表示的控制算法提供了执行机构的位置，如阀门的开度，所以被称为数字PID位置型控制算式。由于在位置式PID控制算法中，每次的输出与控制偏差e过去整个变化过程相关，这样由于偏差的累加作用很容易产生较大的累积偏差，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，使控制系统出项不良的超调现象。可对式(5.6)进一步改进。根据式(5.6)不难写出 式（5.7）其中称为比例增益；称为积分系数； 称为微分系数。从增量式PID的算式可知，只要知道现时以前的三次采样周期内的偏差信号，即可计算出本次采样周期内的控制变量的增量。为了编程方面，可将式(7)整理成如下形式： 式（5.8）其中 5.4.2 模糊PID控制算法模糊PID控制将模糊控制和PID 控制两者结合起来, 扬长避短, 既具有模糊控制灵活, 适应性强的优点, 又具有 PID控制精度高的特点。算法易于在计算机上实现。响应特性优于数字PID控制，并有较好的鲁棒性。特别对具有非线形和时变性的被控对象，可获得较满意的控制效果。下面简要介绍一下模糊PID的控制原理及其在智能小车中的实现。智能赛车的控制主要是通过经模糊PID控制器输出的MC9S12DG128B的PWM来实现转向及速度的智能控制。在本控制系统中，我们采用16位的PWM01来控制赛车舵机SRM-102，用16位的PWM45通过电机驱动芯片MC33886DH来控制驱动电机以实现智能调速。我们采用寄存器A中的8位分别对应ATD