沈师一队技术报告

第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛技术报告学校沈阳师范大学队伍名称沈师一队参赛队员叶东鑫宿文迁王挺带队教师吴鹏关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关于保留、使用技术报告和研究论文的规定，即参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名带队教师签名日期目录第一章引言111参赛目的112设计目标1第二章概要221制作思路222技术概要3第三章硬件设计431主控制模块432电机模块5321驱动电机5322舵机633传感器模块7331光电传感器7332温度传感器734显示模块9第四章软件设计1141开发环境1142车速测试1243温度测试1244寻道设计15441模糊控制15442PID控制15443车速控制16第五章技术参数17第六章结论18参考文献19附录20附录A程序源代码20第一章引言11参赛目的本次比赛，主要突出了智能化、自动化的特点，而要实现这些除了硬件的设计，软件方面也是非常的重要，基于我们所学的专业，这样的比赛正好是一个锻炼的机会，通过参加比赛，不但可以提高我们自身的技术水平，同时也是对我们的实践、创新能力和团队精神的培养，而且还能认识很多在这方面志同道合的朋友，大家一起切磋研究，共同提高。比赛的结果并不重要，关键是我们通过比赛充实了自己，提高了自己的动手能力和分析事情的能力。培养我们获取知识、应用知识的能力及创新意识。12设计目标本智能汽车,以FREESCALE公司的MC9S12DG128B作为核心控制器，以脉宽调制PWM控制方式控制舵机和驱动电机,利用红外寻迹方式采集数据，然后根据采集到的数据对小车的走向进行修正控制。并通过外部相关传感器数据采集系统对电机的温度和车速进行测量计算，同时用液晶显示模块显示。即实现以下几点功能1、实现小车的寻迹行驶。2、实现小车对舵机的控制。3、实现小车对电机转速的控制。4、实现小车对温度的测量。5、实现小车对速度的测量。6、实现小车对温度、车速、时间的液晶显示。第二章概要由于这是我国举办的第一届智能车大赛，没有太多的资料可以供我们参考学习，很多东西需要我们自己去摸索、去体会。21制作思路在参阅了韩国智能车大赛的相关资料后，我们初步决定将模型车分为底板设计、寻道设计、外围电路设计这几个大块，最后将这几个部分整合起来就成为模型车的主要部分。底板部分为了节约时间，我们决定采用清华大学提供的小板作为我们的最小系统。寻道方面，我们一共用了9对光电传感器对道路情况进行采集。具体的分布情况如图21所示。9对传感器都放置在智能车的头部。其中4号传感器位于小车的中间位置，用来调正小车的方向，左右各4个传感器用来识别转向及转向角度。图21寻道传感器分布外围电路则包括液晶显示部分、温度检测部分和车速检测部分。温度检测决定使用DS18B20，车速检测决定使用霍尔元件3144进行数据采集。图22智能车全貌22技术概要经过初步的研究，对于智能车寻道方案，我们决定将传感器采集到的数据通过比较器输出，既黑道和白道分别输出0和1。然后我们根据各个传感器采集的不同数值，通过MCU计算，控制舵机转过一定的角度，同时控制驱动电机以一定的速度旋转。车速检测方面，我们将利用S12的外部中断来检测智能车后轮转过的圈数。图23寻道使用的传感器第三章硬件设计该模型车的硬件设计方案主要分为以下四个部分主控制模块，电机控制模块，传感器模块和显示模块。图31硬件系统设计31主控制模块我们采用FREESCALE的MC9S12DG128B作为我们的主控制器。它将根据各传感器采集到的不同数据，对数据进行各种处理，然后对驱动电机、舵机做出相应的控制。同时，还要完成对速度转换、温度转换等功能，并在液晶屏上显示相关数据。图32最小系统MC9S12DG128B本身具有8K的RAM，2K的EEPROM和128K的闪存，同时它还拥有8通道8位或4通道16位的PWM，A/D转换等功能1，可以省去很多的外围电路设计，同时由于芯片自身具有这些功能，可以提高芯片的利用率，节约系统资源。32电机模块321驱动电机模型车使用的是直流电机，由于比赛的特殊性，模型车在比赛过程中不会使用倒车的功能。所以我们采用FREESCALE的H桥芯片MC33886作为驱动电机的驱动模块，并只需要使用其中的半桥就可以满足系统的需求，如果一个半桥的驱动力不足，可以将两个半桥并联使用，扩大芯片的驱动能力。MC33886的驱动电路如图33。图33MC33886驱动电路图322舵机本模型车设计中舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。舵机的控制要求如图34所示，电路图如图35所示，从S12的一个PWM口出来，经过光藕连接到舵机的信号线上。图34舵机的控制要求图35舵机电路图图36舵机实物图33传感器模块331光电传感器模型车在寻道模块中采用的是红外反射式传感器，即红外线经路面反射由接收管接收反射信号，然后将高低电平信号送入MCU处理。光敏管接收调制的红外信号，原理如图37所示。VOUT反4射表面X/MMX10图37红外发射接收原理图38光强度相应曲线反射光强度的输出信号电压VOUT是反射面与传感器之间距离X的函数，设反射面物质为同种物质时，X与VOUT的响应曲线是非线性的，如图38所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。332温度传感器DS18B20内部结构如图39所示，主要由4部分组成64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图310所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地，见图311）。DS18B20的64位ROM中保存了设备的唯一序列。高速闪存（SCRATCHPAD）包含2字节的温度寄存器，保存了温度传感器的数字输出。该闪存还提供了对上限（TH）和下限（TL）超标报警寄存器，配置寄存器（各1字节）的访问。TH、TL和配置寄存器是非易失性的（EEPROM），系统掉电时它们会保存数据2。发射接收电路DS18B20的一线工作协议流程是初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。图39DS18B20的内部结构图310DS18B20的管脚排列（A）寄生电源工作方式（B）外接电源工作方式图311DS18B20与微处理器的典型连接图333速度传感器速度测量模块主要采用3144霍尔器件，用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。我们在模型车后轮上放置了一对磁铁，当模型车轮子上的磁铁的磁场的南极（S极）接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志时为负。锁定型霍尔开关电路的特点是当外加场正向增加，达到BOP时，电路导通，之后无论增加或减小，甚至将除去，电路都保持导通状态，只有达到负向的BRP时，才改变为截止态。通过霍尔元件输出的电压变化，就可以统计出模型车的后车轮一共转了多少圈，然后与车轮的周长相乘即得到模型车行驶的距离，从而再与行驶的时间相除得出模型车的速度。图103144结构图图3113144电路图34显示模块由于LED数码管显示器电路复杂，占用资源较多，且显示信息量较小，所以我们决定采用液晶显示器LCD。LCD具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。经过比较和研究，我们采用的是OCMJ12232C液晶显示屏。它提供两种控制接口，分别串行控制接口和并行控制接口。所有的功能显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，可以方便操作。图312液晶显示第四章软件设计41开发环境编译器IDEMETROWERKSCODEWARRIOR41操作系统WINDOWS2003仿真/记录圈数CM_LENGTHONECIRCLEIFCIRCLE5CM_LENGTH1CIRCLE0PRAGMACODE_SEGDEFAULT43温度测试使用串行通信的DS18B20在程序设计的时候最主要的问题就是解决时序问题。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，分别如图43的A,B,C所示。对DS18B20的相关读写操作代码如表44。A初始化时序B写时序C读时序图43DS18B20的工作时序图表44温度测试部分代码VOIDWRITE_BITCHARBITVAL/写一位数据DDRA_BIT41PORTA_BIT40/拉低DQ开始一个写时序IFBITVAL1PORTA_BIT41/如果要写1则将总线置高DELAY60USPORTA_BIT41/释放DQ总线VOIDWRITE_BYTECHARVAL/写一字节数据UCHARIUCHARTFORI0IITWRITE_BITTUCHARREAD_BITVOID/读一位数据DDRA_BIT41PORTA_BIT40/将DQ总线拉低开始读时序DELAY1USDELAY1USPORTA_BIT41/释放总线DELAY4USDDRA_BIT40RETURNPORTA_BIT4UCHARREAD_BYTEVOID/读一字节数据UCHARIUCHARVALUE0FORI0I170FM_LENGTH17CM_LENGTH0IFFM_LENGTH170M_LENGTH17FM_LENGTH0LENGTHM_LENGTH10FM_LENGTHCM_LENGTH/10RETURNLENGTHPRAGMACODE_SEGNON_BANKEDPRAGMATRAP_PROCINTERRUPT6VOIDUSEIRQ/外部中断代码CIRCLECM_LENGTHONECIRCLEIFCIRCLE5CM_LENGTH1CIRCLE0PRAGMACODE_SEGDEFAULTENDIF表A5DRIVECARH代码/DRIVECARHBYYEDONGXIN,20060711/IFNDEF_DRIVECAR_DEFINE_DRIVECAR_INCLUDE“CARSPEEDH“INCLUDE“DRIVE18B20H“INCLUDE“DRIVE12232H“INCLUDE“DRIVEKEYH“UNSIGNEDINTGDUNSIGNEDINTGD0UNSIGNEDINTGD1UNSIGNEDINTGD2UNSIGNEDINTGD3UNSIGNEDINTGD4UNSIGNEDINTGD5UNSIGNEDINTGD6UNSIGNEDINTGD7UNSIGNEDINTGD8UCHARFLOGVOIDGD_INFO8VOIDGD_OPINIONVOIDECT_INITVOIDCAR_SPEEDINTI,INTJUCHAROC0UCHARSC0UCHARL_TIME0UCHARH_TIME0UINTSHOWTIME0UCHARH_SIGN0UCHARL_SIGN1UINTH_COUNTER0UINTL_COUNTER0UINTH_TIMER0UINTL_TIMER0/初始化/VOIDPORT_GDINIT/光电传感器接口初始化DDRB0X00DDRJ_DDRJ60DDRJ_DDRJ70VOIDINIT33886DDRA_BIT01DDRA_BIT11DDRA_BIT21DDRA_BIT31PORTA_BIT01/D2PORTA_BIT10/D1PORTA_BIT20/IN2PORTA_BIT30/IN1VOIDCAR_SPEEDINTI,INTJH_TIMERIL_TIMERJVOIDGD_INFO8GD0PORTB_BIT0GD1PORTB_BIT1GD2PORTB_BIT2GD3PORTB_BIT3GD4PORTB_BIT4GD5PORTB_BIT5GD6PTJ_PTJ7GD7PORTB_BIT7GD8PTJ_PTJ6GDGD0GD12GD24GD38GD416GD532GD664GD7128GD8256VOIDGD_OPINIONIFGD0X1FFCAR_SPEEDHSPEED_GRADE,LSPEED_GRADEFLOG9IFGD70PWMDTY451780CAR_SPEEDHSPEED_GRADE,LSPEED_GRADEFLOG8IFGD60PWMDTY451680CAR_SPEEDHSPEED_GRADE1,LSPEED_GRADEFLOG7IFGD50PWMDTY451600CAR_SPEEDHSPEED_GRADE1,LSPEED_GRADEFLOG6ELSEIFGD30|GD20|GD10|GD00IFGD00PWMDTY451220CAR_SPEEDHSPEED_GRADE,LSPEED_GRADEFLOG0IFGD10PWMDTY451300CAR_SPEEDHSPEED_GRADE,LSPEED_GRADEFLOG1IFGD20PWMDTY451380CAR_SPEEDHSPEED_GRADE1,LSPEED_GRADEFLOG2IFGD30PWMDTY451450CAR_SPEEDHSPEED_GRADE1,LSPEED_GRADEFLOG3ELSEIFGD40PWMDTY451500CAR_SPEEDHSPEED_GRADE,LSPEED_GRADE/63ELSECAR_SPEEDHSPEED_GRADE1,LSPEED_GRADE/各类中断，定时程序/VOIDECT_INIT/计时器、中断设置TFLG2_TOF1/清除计时器溢出寄存器TSCR20X81TSCR1_TEN1/使能计数器INTCR_IRQEN1/外部中断使能PRAGMACODE_SEGNON_BANKEDPRAGMATRAP_PROCINTERRUPTVOIDTIMEROVERFLOW/定时中断代码IFL_TIME60H_TIMEL_TIME0L_TIMEGD_INFO8GD_OPINIONSCGETLENGTH/H_TIME/OCGETWDFENJIE_TIMEH_TIMEFENJIE_SDSCFENJIE_WDOCSHOWTIMEIFSHOWTIME60SHOWTIME0CHN_DISP_SDTIMEWDTAB0,SD1,SD2,SD3,SD4,TI1,TI2,TI3,TI4,WD3,WD4,IFH_SIGN0CAR_UPH_COUNTER1IFH_COUNTERH_TIMERH_COUNTER0H_SIGN1L_SIGN0IFL_SIGN0CAR_STOPL_COUNTER1IFL_COUNTERL_TIMERL_COUNTER0H_SIGN0L_SIGN1TFLG2_TOF1/清除计时器溢出寄存器TSCR2_PR0X01/重新设置计数器PRAGMACODE_SEGDEFAULTENDIF表A6DRIVE12232H代码/DRIVE12232HBYYEDONGXIN,20060711/IFNDEF_DRIVE12232_DEFINE_DRIVE12232_INCLUDE“INITSETH“DEFINEX0X80DEFINEY0X80DEFINECOMM0DEFINEDAT1VOIDWR_LCDUCHARDAT_COMM,UCHARCONTENTVOIDCHK_BUSYVOIDVOIDDELAYUINTUSUCHARINTOCHUINTINUCHARSD10UCHARSD20UCHARSD30UCHARSD40UCHARWD10UCHARWD20UCHARWD30UCHARWD40UCHARTI10UCHARTI20UCHARTI30UCHARTI40UINTW10UINTW20UINTW30UINTW40UINTS10UINTS20UINTS30UINTS40UINTT10UINTT20UINTT30UINTT40CHARTAB1“沈阳师范大学“CHARTAB0“速度时间温度“CHARTAB2“软件“CHARTAB3“学院“CHAR