飞思卡尔智能车电路设计讲解
基于飞思卡尔芯片电磁引导智能车设计
基于飞思卡尔芯片的电磁引导智能车设计飞思卡尔智能车竞赛是由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办的全国大学生智能汽车竞赛。
所使用的车模是一款带有差速器的后轮驱动模型车，由组委会统一提供。
比赛跑道为表面白色，中心有0.1 mm～0.3mm直径的连续漆泡线作为引导线，其中漆泡线通有100ma交流电流。
比赛规则限定了跑道宽度50cm和拐角最小半径50cm。
飞思卡尔智能车竞赛一、硬件设计1.电磁传感器对于电磁组来说，传感器的选择是尤为重要的，最原始的办法用线圈产生磁场的办法去切割跑到上的磁场来检测道路信息，开始因为线圈的缠绕是有要求的，电感的大小也是有要求的，漆泡线的粗细也是有要求的，基于上面的问题，我们实验没有成功。
后来，围绕传感器做了很多的实验，做了两个传感器：一个是用三极管做放大的，另一个是用运放做放大的，但结果用运放成本高，运放要双电源而且一般的放大器频带窄满足不了要求，所以选择用三极管做放大。
在距离导线50mm的上方放置垂直于导线的10mh 电感，为了能够更加准确测量感应电容式的电压，还需要将上述感应电压进一步放大，一般情况下将电压峰峰值放大到1v～5v左右，就可以进行幅度检测，所以需要放大电路具有100倍左右的电压增益（40db）。
最简单的设计，可以只是用一阶共射三极管放大电路就可以满足要求。
2.速度传感器车模的驱动力来源于一个直流电动机，为了能很好地控制车模的速度，我们引入了闭环控制系统，这就需要车体能实时地或者尽可能快地了解到速度变化，从而对驱动的电压电流进行调整，尽可能快地达到设定速度并且稳定在设定速度上。
从往届的参赛队伍经验得知，使用一个增量编码器能很好地解决以上问题，终选择了欧姆龙的180线增量型光电编码器。
这款编码器为2相输出。
在实际的测试中，让单片机每10ms返回一次传感器的值，当车模在1米/秒左右速度时能返回60～70多个脉冲，当大于2.5米能返回170多个脉冲，反复测试反馈准确，稳定。
飞思卡尔单片机智能汽车设计方案
基于飞思卡尔单片机的智能汽车设计摘要本智能车系统设计以 MC9S12DG128B微控制器为核心，通过一个CMOS 摄像头检测模型车的运动位置和运动方向，使用LM1881视频分离芯片对图像进行处理，用光电传感器检测模型车的速度并使用PID 控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。
为了提高智能车的行驶速度和可靠性，采用了自制的电路板，在性能和重量上有了更大的优势，对比了各种方案的优缺点。
实验结果表明，系统设计方案可行关键词：MC9S12DG128，CMOS 摄像头，PIDThe Research of Small and Medium-sized Electric Machinesin FuanCityAuthor：Yao fangTutor：Ma shuhuaAbstractFujianFuanCity industry of electric motor and electrical equipment is the one of the most representative phenomenon of industry cluster in FujianProvince mechanical industry. Its output value of small and medium-sized electric machines accounts for 20% of the whole province’s electrical equipment industry. The output amount of small and medium-sized electric machines from this region takes up 1/3 of that of the whole nation. Fuan electric motor and electrical equipment industry plays a significant role in the development of local national economy, being considered to be the main growth point of local economy and called "the Chinese electric motor and electrical equipment city ".This paper launched a research on small and medium- sized electric machines in Fuan city from two angles. The first one inferred the situation of Fuan electric machine industrial cluster as well as the analysis of the temporary existed problems, and then propose a few of suggestions on the part of local government. The second part focus on the improvement of the competitiveness of Fuan electric machine enterprises, through the application of Michael Porter's Five Forces Model into the local industry of electric machine, consequently carried out some strategies local enterprises should take.Key Words:small and medium-sized electric machines, Five Forces Model, industrial cluster目录1 绪论11.1智能车竞赛背景介绍11.2智能车系统设计思路及方案分析21.3系统整体设计结构图32 机械结构的调整与设计32.1机械安装结构调整42.2舵机安装方式的调整42.3摄像头的安装52.4测速码盘的安装52.5前轮倾角的调整62.6地盘高度的调整72.7齿轮传动机构及后轮差速的调整73 硬件电路的设计与实现83.1硬件电路设计方案83.2硬件电路的实现83.2.1 以S12为核心的单片机最小系统83.2.2 主板133.2.3 电机驱动电路183.2.4 摄像头233.2.5 速度传感器243.2.6 加速度传感器243.2.7 去抖动电路254 软件系统设计与实现274.1软件系统结构方案选择274.2软件主流程274.3端口分配284.4底层驱动程序设计294.4.1 时钟模块294.4.2 PWM模块304.4.3 外部中断模块304.4.4 ECT模块314.4.5 AD模块314.4.6 串口模块324.4.7 普通IO模块324.4.8 实时中断334.5图像信息处理及道路识别程序设计334.5.1 赛道提取算法344.5.2 有一定抗干扰和抗反光能力的黑线提取算法364.5.3 道路识别算法384.6起跑线识别程序设计394.7车体控制程序设计404.7.1 舵机控制算法404.7.2 速度控制算法42结论42致谢43参考资料43附录44附录A441 绪论1.1智能车竞赛背景介绍全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛是教育部主办的面向全国大学生的五大赛事之一<另外四个：数学建模、电子设计、机械设计、结构设计）。
飞思卡尔设计方案
目录一.系统整体框图 (3)二.各模块电路 (3)三.材料清单 (11)四.赛道分析 (12)五.PID算法 (14)六.软件介绍 (17)七.程序分析 (20)八.结束语 (24)一.系统整体框图二．各模块电路1电源模块大赛提供的是7.2V的镍镉可充电电池，而单片机，方向传感器，速度传感器，使用的是5V电源，舵机使用的是6v电源，这就需要把7.2V分别经稳压电路转换为5V 、6V我们分别使用如下电路。
2）6V稳压电路作为智能车的动力来源，电池性能的好坏直接影响到整个车的运动效果，因此正确使用电池就非常重要，因此我们对电池的正确管理和合理使用采取了如下方案：2电机模块对于电机的驱动我们采用了两片MC33886级联的形式以增加它的驱动能力，通过两路PWM信号来控制，可以实现电机的正反转。
在编程的时候通过改变PWM的占空比来控制电机加速减速，对于MC33886使用时会发热的现象，我们对MC33886才用安装散热片的方法，经我们查阅资料可得这种方法效果很好。
MC33886驱动电路：3显示模块在调试过程中，为了方便观察小车的状态（例如小车的行驶速度等），我们安装了4个8断数码管显示电路，此模块可以更具实际情况选择是否连接。
4舵机模块舵机的工作频率为50Hz,但由于小车的速度太快，工作在这种频率下舵机的响应速度太慢不能满足要求，经我们查阅资料可得，舵机在100Hz的情况下仍可以很好的工作，并且可以满足小车快速行驶时对舵机响应较快的要求，因此在编写程序时我们把控制舵机的PWM 信号的频率设置为100Hz，这样就满足了要求。
此外为了提高舵机的响应速度，我们还采用了如下方案：1）正极串联一个二极管。
2）把舵机的臂加长。
等等。
下面我们列出了一种舵机的基本参数，和如何通过编程的方法来控制舵机调整方向。
舵机控制5测速模块测速的方法有很多，例如光电编码器，霍尔传感器……我们使用的是霍尔传感器来测量速度，如图当小车转动一周，霍尔开关将输入2个脉冲到单片机。
飞思卡尔智能车教程-
下面通过例题讨论正弦稳态电路的各种分析方法。
一、求解一端口的阻抗或导纳 解
§9-3 正弦稳态电路的分析
习题9－1 试求图示各电路的输入阻抗Z和导纳Y。 (c)该一端口内不含受控源，可以利用阻抗的串并联 等效变换求得其输入阻抗或输入导纳。 串联等效阻抗为
Z 40 j 40 ( ) 1
Z 40 j 40 ( ) 2
一端口的输入阻抗为
Z Z ( 40 j 40 )( 40 j 40 ) Z 12 40 Z Z 40 j 40 40 j 40 1 2
一端口的输入导纳为
1 1 Y 0 .025 S Z 40
虽然电路中含有电感和电容元件，因为阻抗的电抗分量为 零或导纳的电纳分量为零，故该一端口是阻性阻抗，即对外 呈现电阻性。
5μF
UL Us
U V R 60
UC Us
-
U
U R I 60 53 . 13 V R
U j L I 240 36 . 87 V L
1 U j I 160 ( 143 . 13 ) V C C
这种现象在实际电路中要引起注意。这种现象发生的条 件一般是电路中既有L元件，又有C元件。
+ U
+
- + U L UR
5μF
+
-
s
U
.
C
-
1 B 0 .032 S L L eq
1 1 L 6 . 25 mH eq 0 . 032 0 . 032 5000
G
Leg
并联等效电路是一个电导元件和一个电感元件 的并联组合。
Z eqZ R Z L Z C 15 j20 25 53 .13 感性阻抗
[电子教案(PPT版本)]“飞思卡尔”杯智能汽车设计与实例教程 (3)[72页]
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低频段 基本相同
用PWM波代替正弦半波
用一等幅不等宽的脉冲来代替 一个正弦半波
把正弦半波N等分，看成N个相
连的脉冲序列，宽度相等，但 幅值不等；
用矩形脉冲代替，等幅，不等 宽，中点重合，面积（冲量） 相等，宽度按正弦规律变化
相关概念
占空比：高电平保持的时间与该PWM 时钟周期的时间之比
分辨率：指占空比最小值 频率 双斜率/单斜率
单片机需要一个稳定的电压保持平稳工作，所以供电 最好设计为独立供电，避免与其他负载并联导致负载变化时 影响单片机供电引起问题。 推荐使用“三端固定式集成稳压器”来为单片机提供降压稳
压供电。
正 输 入 电 压
C1、C3 滤波电容
C2、C4 抑制芯片 自激振荡
常用的稳压芯片有78系列、LM2940、AMS1117 等系列。由于78系列的稳压芯片发热量较大，不作推 荐。在5V稳压方案中使用LM2940进行讲解，在3.3V 稳压方案中则使用AMS1117-3.3。
5V传感器获取的信号要经过缓冲芯片变换为 3.3V的信号输入到单片机中
2.2 电动机驱动电路设计
电动机的速度是根据传感器的反馈 随时调整的
脉宽调制（PWM） 需要驱动模块来放大单片机输出的
信号 PWM信号的占空比决定电动机的转速
，故电动机的调速可通过改变PWM信 号的占空比来实现 欲实现双向控制，就要使用H桥。H 桥可以实现电动机的双向调速
LM2940S(TO-263-3)
AMS1117-3.3(SOT-223)
思考题：总结常用的稳压芯片，列出他们的异同点
滤
波
检测稳
电
压IC是
容
否有正
LM2940S 5V稳压电路示例
自动循迹智能小车制作(飞思卡尔智能车制作)
自动循迹智能小车制作目录摘要................................................................. 错误!未定义书签。
1 设计要求 (3)2 方案的选择与比较 (3)2.1 主控芯片选择 (3)2.2 电源的选择 (3)2.3 寻迹方案 (4)2.3 电机驱动方案 (4)3 最终方案 (5)4各功能模块的实现 (6)4.1 微控制器模块的设计 (6)4.2电源模块原理图 (6)4.3 TCRT5000红外检测模块 (6)4.4 系统PCB图 (7)4.5 系统程序流程图 (8)5 性能测试 (9)6 性能评价及总结 (10)7 附录 (11)附录1：元件清单 (11)附录2 系统原理图 (12)附录3系统程序 (13)8参考文献 (19)1 设计要求设计一自动寻迹小车，其实现功能如下：1.使其能够检测到轨迹的路线，并按照预订轨迹运行；2.要求在小车冲出预定路线后能够自动回到预定轨迹上；3.小车能够按多种不同的轨迹运行。
2 方案的选择与比较2.1 主控芯片选择方案1：采用51系列单片机，该系列单片机结构简单，但是能实现很多功能。
与其它单片机相比较价格便宜。
端口电流较大，可以达到20mA，驱动能力强。
方案2：采用msp430系列单片机，该系列单片机片上资源丰富，功能强大，但是端口灌电流和拉电流较小，驱动能力不强。
它主要运用在需要低功耗的地方。
本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制，经过对比分析，我们选用AT89S52单片机作为主控芯片来驱动电机，进而控制电机转速。
2.2 电源的选择方案1：采用9V蓄电池为直流电机供电，将9V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便。
方案2：采用9V南孚干电池直接个电机驱动芯片L298N供电，并将9V经过7805稳压及电容滤波后给单片机供电。
飞思卡尔摄像头智能车设计分析
车辆工程技术214机械电子飞思卡尔摄像头智能车设计分析翟朋辉（重庆交通大学 机电学院,重庆 400074）摘 要：基于MT9V032数字摄像头和飞思卡尔K60单片机实现了自主寻迹的智能小车设计。
分别介绍了智能车车体构造及系统整体设计方案、智能车硬件设计、智能车图像处理算法及电机PID控制算法。
测试过程发现该设计方案具有良好的可行性，小车运行稳定。
关键词：摄像头；K60单片机；智能车 现如今无人驾驶技术正蓬勃发展，许多技术日益趋于成熟。
各种传感器技术的持续进步也必将推动无人驾驶技术研究更上一个台阶，愈加可靠的智能车走进我们的生活指日可待。
本次设计中的摄像头智能车本着同样的设计原则，追求快速性、稳定性、精确性。
智能车以飞思卡尔单片机为控制核心、摄像头进行路径识别，PID算法控制小车行进速度。
1 车体构造及系统整体设计1.1 车体构造 为了使小车在行驶时尽可能地保持快速、平稳，硬件安装时应注意降低小车重心，如将电池、主板、电机尽量放置在同一平面；搭建硬件时采用高强度质量轻的材料；摄像头的放置应尽可能地使视野开阔，尽量减少盲区。
此外，机械安装上的一些细小差别，如螺丝的松紧程度等都可能对小车行驶造成巨大影响，因此安装时要不断进行调试检验。
1.2 系统整体设计 智能车以飞思卡尔K60微控制器为核心控制单元，摄像头用来获取赛道信息，并将采集到的信息传送给核心控制单元处理，处理后的结果作为小车接下来行驶路径规划的依据；采用编码器对小车速度进行实时检测；PID算法用于对电机转速的反馈控制，从而实现对小车运行速度的闭环控制。
智能车共有五大模块：核心控制器模块、摄像头检测模块、速度检测模块、电机驱动模块、电源供电模块。
2 摄像头智能车硬件设计2.1 核心控制器模块 智能小车使用K60单片机，作为整个系统的控制核心。
其具有处理速度快、性能稳定及体积小的特点，主要用于对传感器检测到的信息进行分析处理从而控制小车行进，以及利用PID算法对小车的速度进行闭环控制。
飞思卡尔设计方案
飞思卡尔智能车设计方案一：项目名称：第五届飞思卡尔智能汽车。
二：设计要求：参考飞思卡尔智能车竞赛基本要求。
三：设计制作思路为了用单片机系统实现小车智能控制，本设计以MC9S12DG128为核心，附以外围电路，将摄像头传感器得到的图像信息进行综合判别和处理，并通过速度传感器获得当前车辆速度，然后发出指令给电机驱动器（包括舵机和驱动电机），控制小车，从而使小车能够快速、准确地识别特定路线行驶。
快速准确的图像分析处理、准确的实时速度控制、CPU的综合数据处理为小汽车实现自动加速、减速、限速、左转、右转提供了充分的保证。
通过组装车模、传感器的选择与布置、系统电路板的设计与安装、仿真软件的制作、安装与调试以及控制算法的调试等等，首先使智能车运行起来，由低速逐渐向高速过渡。
在实验的基础上不断发现问题，不断调试，不断解决问题，使智能车能够最大限度的沿着轨道快速、准确的行驶。
四：方案1.路径识别系统软硬件设计方案：§道路寻找软件设计由于每行搜索的是最黑点,因此可以将黑点的阈值稍稍扩大一点,即使远方的黑白不清,由于找的是最黑点因此还是可以提取出真确的黑线的.它的主要问题是,不一定每行都有符合要求的点,会造成一行丢失而失去后面的黑点.解决的方法是当发现一行丢失以后,不立即退出搜索,而是置一个丢失计数器,只有当丢失计数器的值连续累加到一定的阈值后才退出.当每次搜索到一行的黑线后看看丢失计数器是否为非零.若不是,则说明前面没有丢失行.若是,则说明前面有几行丢失了.我们可以根据这一行与上以有效行对中间的丢失行对中间的丢失行做一个线性化处理.然后清零丢失计数器.有了丢失计数器,我们可以对赛道的提取条件加以严格的限制,而不必担心黑线的漏检.比如我们可以严格限制黑线的宽度,这样我们可以很容易滤除看到大块的黑斑带来的干扰；对于上述的斜看十字交叉线的问题我们只要根据上一行的黑线严格限制下一行黑线出现范围便可轻松滤除.当然在发现丢失行以后对于下一行的搜索必需加大黑线搜索的范围,允许的连续丢失行越多则再次找回的黑线的可信度也就越低,在实际的提取过程中必须把握好这一阈值,使得即可以顺利找到前方的道路,又不至于误提取黑线.实际证明这种方法实现简单,可靠性也最高,黑线提取十分稳定。
飞思卡尔智能车电路详解(全)
增加检测距离。但使用不当极易烧毁传感 器，因此初期使用时不推荐使用此方法。
视频分离电路 LM1881
测速传感器模块
• 霍尔传感器 • 反射式红外传感器 • 对射式红外传感器 • 测速电机 • 对加速度传感器进行积分
智能汽车
之
硬件电路设计
安徽大学 创新实验室整理
整个系统电路模块组成
• 单片机控制模块 • 黑线检测模块 • 测速模块 • 电机驱动模块 • 电源模块
单片机控制模块
黑线检测模块
• 光电组：反射式红外传感器、 激光传感器
• 摄像头组：CMOS、CCD
红外传感器RPR220
具体使用注意点
• 发光二极管部分在恒流情况下最大工作电 流为50mA。
• 电子调速器（电调） 好用，但实在太贵
L298N 输入输出
并联电路
MC33886并联电路
。。。。。。
电源模块
• 单片机系统模块电源 －－ 5V（LM2940）
• 黑线检测传感器模块电源
光电 －－ 5V（LM2575） 摄像头 －－ 9V/12V（mc34063）
• 测速部分电源 －－ 5V
• 舵机动电源 －－ 电池直接供电 • 电机驱动模块电源 －－ 电池直接供电
5V电源部分
LM2575芯片手册上的常用电路
二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑 到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2575的最大 电流限制；另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25 倍。
LM2575芯片特点
• 优点： 转换效率高，芯片发热现象不明显，避
飞思卡尔智能车
飞思卡尔智能车控制系统硬件设计硬件部分：电机舵机传感器车模电机：主要作用是产生驱动转矩，作为小车的动力源。
舵机：能够转舵并保持舵位的装置，也就是让小车拐弯的装置。
传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，在智能车中，最重要的传感器就是摄像头。
车模：智能车车架，包括底板、齿轮、车轮、电池等等。
主要内容：•MCU最小系统设计•电机及舵机驱动电路设计•光电检测电路原理与设计•图像检测原理与设计1．控制系统的构成一般控制系统由传感器、控制器和执行器组成。
智能车中主要体现：光电器件或器件构成的寻线传感器。
用于操纵小车行走和转向的执行器。
根据传感器信息控制执行器动作的控制器。
三者之间的关系可用如下的关系图描述:飞思卡尔杯规定了比赛用车模、控制器所使用的MCU、执行器、传感器的数量等，比赛中硬件设计所涉及的主要工作是：•设计可靠的MCU控制电路；•执行器驱动电路；•传感器电路；(进行硬件设计的工具很多，建议使用Protel99SE，该软件易上手、效率高，可满足一般电路设计要求。
)MC9S12DG128 的封装2 .MCU最小系统设计MCU最小系统设计分为供电系统设计、复位系统设计、时钟电路设计、BDM调试接口设计、串口通讯设计。
2.1 MCU供电系统设计MCU正常工作需要合理供电，为获取良好的抗干扰能力，电源设计很重要。
针对此次比赛使用的电池和MCU，在供电系统设计中要充分考虑以下因素的影响：1.系统供电电源为7.2V镍氢电池组，不能直接为MCU及其它TTL电路供电。
2.为保证较高的行驶速度，驱动电机需使用电池组直接驱动，故电源电压波动较大。
3.转向用舵机工作电压为5V，其启动电流较大，如与MCU共用5V电源，会引入较大的干扰。
4.采用三端稳压器7805存在效率低、抗干扰能力差的缺点。
采用三端稳压器的电源设计:升降压开关稳压电路•MCU供电飞思卡尔S12系列单片机采用了若干组电源，必须很好的对这些供电电源进行良好的滤波，才能设计出抗干扰能力强的控制器。
智能车制作全过程(飞思卡尔)
智能车制作全过程(飞思卡尔)如果我写得好,请顶我一下,我将再接再厉!(本人在很久以前做的一辆用来比赛的智能车--获得华北一等奖,全国二等奖,有许多可改进地方.)下面我们来立即开始我们的智能车之旅:首先,一个系统中,传感器至关重要."不管你的CPU的速度如何的快,通信机制如何的优越,系统的精度永远无法超越传感器的精度" .是的,在这个系统中,传感器的精度,其准确性就显得至关重要.如果你问我传感器的电路,呵呵,我早就和大家分享了,在我发表的日志中,有一篇<<基于反射式距离传感器>>的文章就详细的说明了传感器的硬件电路以及可以采取的信号采样方式.传感器安装成一排,如上面排列.(就是个一字排列,没有什么特别)接下来,看看我们如何处理传感器得到的信息:大家看到了.结构很简单,我们已经搞定了传感器通路.下面我们来看看多机的控制方面的问题:其实,不管是便宜还是比较贵的舵机,都是一样的用法.舵机的特点就是不同的占空比方波就对应着舵机的不同转角.当然不同的舵机有不同的频率要求.比如我用的这个舵机:方波频率50HZ.怎么改变占空比?这个不就是PWM模块的功能嘛.PWM模块可以输出任意占空比的方波.只要你控制其中的占空比寄存器,就可以直接控制舵机的转角.你只要将传感器的状态和这个占空比对应上,不就OK了?就这么简单,做到这里,你就可以让你的车在跑道上跑了!接下来,我们的工作是让智能车更加完善:速度要稳定.在当前的系统结构中,要使一个系统更稳定更可靠,闭环系统是一个选择.(如果你不知道什么是闭环系统,可以参照我的文章里面的一篇"基于单片机的PID电机调速"),既然是一个闭环系统,速度传感器是必不可少的,用什么样的传感器做为速度反馈呢:仔细看,和后轮之间有一条皮带的这个貌似电机的东西,就是我的速度传感器,它的学名叫"旋转编码器".这个器件的特点就是:每转一圈,就会从输出端输出一定的脉冲,比如我这个旋转编码器是500线的,就是转一圈输出500个脉冲.因此,我只要在单位时间内计数输出端输出的脉冲数,我就可以计算出车辆的速度.显然,这个速度可以用来作为PID速度调节的反馈.现在有了反馈,我们需要的是调节智能车驱动电机的速度了,如何来调速,就成了必须解决的问题了.我用的是驱动芯片MC33886. 其实,这个芯片就是一个功率放大的模块.我们知道,单片机输出的PWM信号还是TTL信号,是不能直接用来驱动电机的.非要通过功率模块的放大不可.这个道理其实很简单,就像上次我给大家画的哪个电子琴电路的放大电路一样:看上面的那个三极管,就是将TTL电路的电流放大,才能够来驱动蜂鸣器.其实这里的这个MC33886就是这样的一个作用.而且我们自己也完全可以用三极管自己搭建一个这样的功率放大电路,当然,驱动能力肯定不如这里的这个MC33886(如我们用三极管就搭建了超过MC33886的电路,摩托罗拉就不会卖几十块钱一个了.呵呵.)知道了这个MC33886的工作原理,就好说了,一句话,通过PWM来调节电机的速度.当方波中高电平占的比例大,电机的平均电压肯定高,转速肯定快.也就是说,PWM的占空比越大,电机转速越高.看,就这么简单,这个智能车就做好了.接下来,我们就把我们知道的PID知识放到舵机和直流驱动电机的控制中去.就可以达到一个比较好的控制效果.如果要达到更高的水平,肯定机械方面的改造也少不了.当然,这不属于本文的讨论范围.呵呵.智能车制作全过程(飞思卡尔---舵机篇发表于 2008/11/28 10:00:55感谢大家的支持!如果我写得好,请顶我一下!智能车的制作中,看经验来说,舵机的控制是个关键.相比驱动电机的调速,舵机的控制对于智能车的整体速度来说要重要的多.PID算法是个经典的算法,一定要将舵机的PID调好,这样来说即使不进行驱动电机的调速(匀速),也能跑出一个很好的成绩.机械方面:从我们的测试上来看,舵机的力矩比较大,完全足以驱动前轮的转向.因此舵机的相应速度就成了关键.怎么增加舵机的响应速度呢?更改舵机的电路?不行,组委会不允许.一个非常有效的办法是更改舵机连接件的长度.我们来看看示意图:从上图我们能看到,当舵机转动时,左右轮子就发生偏转.很明显,连接件长度增加,就会使舵机转动更小的转角而达到同样的效果.舵机的特点是转动一定的角度需要一定的时间.不如说(只是比喻,没有数据),舵机转动10度需要2ms,那么要使轮子转动同样的角度,增长连接件后就只需要转动5度,那么时间是1ms,就能反应更快了.据经验,这个舵机的连接件还有必要修改.大约增长0.5倍~2倍.在今年中,有人使用了两个舵机分别控制两个轮子.想法很好.但今年不允许使用了.接下来就是软件上面的问题了.这里的软件问题不单单是软件上的问题,因为我们要牵涉到传感器的布局问题.其实,没有人说自己的传感器布局是最好的,但是肯定有最适合你的算法的.比如说,常规的传感器布局是如下图:这里好像说到了传感器,我们只是略微的一提.上图只是个示意图,意思就是在中心的地方传感器比较的密集,在两边的地方传感器比较的稀疏.这样做是有好处的,大家看车辆在行驶到转弯处的情况:相信看到这里，大家应该是一目了然了，在转弯的时候，车是偏离跑道的，所以两边比较稀疏还是比较科学的，关于这个，我们将在传感器中在仔细讨论。
基于线性CCD的飞思卡尔智能车设计
Ｅ Ｃ Ｔ 模块就在脉冲累加模 式下对编码器产生的脉冲进行 累加 ， 而后在一 定时长 的定 时中断中将脉冲数转变 为后轮转速 。设 编码器采用 Ｘ 齿的齿轮 ， 后轮驱动为 ｙ 齿， 后轮周长 为 Ｚ 毫米 。 在 １ ０ ｍ ｓ的中断 内，编码器产生 ａ个脉冲 ，那么后轮转速 ｖ ， 见式 （ １ ）：
ｖ ＝ ａ ： ｌ ＝ ｙ 术 ｚ ／ ３ Ｏ Ｏ ０ ： ｌ ＝ ｘ （ １ ）
、
图１ Ｈ桥驱动电路原理 图 （ ２ ）测速模 块。测速 装置在 智能车 系统 中 占有 非常重 要 的地位 ，其要求 是分辨能力强 、精度 高和 检测 时间短 。从 精度要求来看 ，光 电编码器最 为合适 ，且集成性好 ，抗干 扰 能力强。最终采用 光电编码器作为系统 的测 速模块 。但体积 较大 ，会使 车重 增加 。根据 速 度控 制精 度 的要 求，采 用 了
３ ０ ０线 的编 码 器 。
二、软件 系统部分 智能车 的舵 机转 向以及速度控 制算法均采 用增量 式 Ｐ Ｉ Ｄ 算法。相 比于传 统的位置式 Ｐ Ｉ Ｄ算法 ，增 量式 Ｐ Ｉ Ｄ算法不 易 引起 积分饱和， 因此 能获得更好的控制 效果 。而且增量式 设 计只与本次 的偏差值 有关，与 阀门原来 的位 置无关 ，因而 能 快速 获得更精确 的调节量 。增量式算法中，只计算输 出增量 ， 误动作时影 响小 ，必 要时可加逻辑保 护，限制或禁止 故障时 的输 出，更有效地 防止智能车 出现 系统 事故 ，对智能 车起 到 了安全保护 的作用 。 我们着 重介绍基于 Ｃ Ｃ Ｄ的线性循迹 算法： 由于赛 道为 白 色背景两边是黑色边缘 ，又在赛道 中小 Ｓ部分增加 了虚线 ，使 提取 中心线更加的 困难 。要提取中心线必须先提取赛道边缘信 息，边缘的提取方法：一是采用跳变法 ，在二值化后的图像信 息中从 中间向两边寻找 由０ 到１ 的跳变点即为 白到黑的跳变沿， 此算法相对于图像二值化法较为可靠 ，抗干扰能力强，但是单 片机 资源开销较大 ， 运算 时间较长；二是采用跟踪边沿检测法， 当找到第一个正确 的跳变点后 ，根据 图像的连续性可预知下一 行跳变点的区域范 围并进行搜索，这样可以大大节省单片机 的 运行时间，但 同时也会 丢失许多赛道的宝贵信息 ，尤其是小 Ｓ 不好处理 。经过量 的实践对 比，最终选用跳变法 。边缘的提取 是 由近 到 远 逐 行 从 中 心 到 两 边 扫 描 图 像 找 到 黑 点 并 且 记 录 黑 点位 置，当在一定范围内找不到黑点时记为十字交叉或者是小 Ｓ 虚线部分，此时根据上下的赛道趋势确定边界的位 置并记录 下来，经过仿真可以得到很好 的效果。 三 、结 束 语 本 文 介 绍 了基 于 Ｃ Ｃ Ｄ的 自主循 迹 的 智 能 车 的 一 种 设 计 方 案 。经 实践证明该智 能车 能够稳定 的运行 。但是，还是有很 多可 以改进 的地方 。调试整 个制作过程 中最耗 时间的部分 。 调试人 员必须有耐心 ，细 心，积极 的记录有 用的数据 ，以便 于分析 ，这对于提高智能车的性能有很大的好 处。 参考文献： 【 １ 】 雷 贞勇 ， 谢光骥 ． 飞思卡 尔智 能车舵 机和 测速的控制 设 计 与 实现 ｍ． 电子 设 计 工 程 ， ２ ０ １ ０ ． ［ ２ 】 卓晴 ， 黄开胜 ， 邵贝贝 ． 学做 智能车 ： 挑战 ” 飞思卡 尔 ” 杯 ｆ Ｍ１ ． 北京 ： 北京航 空航天大学 出版社 ， ２ ０ ０ ７ ． ｆ ３ １ 刘金琨 ． 先进 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 ＭＡＴ Ｌ Ａ Ｂ仿真 （用
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6.2.2 电源管理单元
• 同时考虑到稳压芯片L7805CV的额定输出 电流较小，故采用两片L7805CV分别对单 片机电路、车速检测电路、驱动芯片电路 和光电传感器电路供电，以保证系统正常 运行。其稳压电路如图6.8所示。
图6.8 稳压电源单元
MC34063A升压稳压电路
AD参图中的C15为输出电压稳定电容47uF。 • LM336集成电路是精密的2.5V并联稳压器，
其工作相当于一个低温度系数的、动态电 阻为0.2Ω的2.5V齐纳二极管，其中的微调 端(adj)可以使基准电压和温度系数得到微 调。
降压模块--LM1117-5
• 单片机，LCD，CS3020，74HC1G14， ZLG728，LM336的标准供电电压都是5V， 所以需要一个降压稳压芯片LM1117-5来将 电池电压降到需要的5V。考虑到单片机的 核心地位及单片机需要很大的输入电流(输 入电流过小时，单片机会重启动)，拟定用 两片LM1117-5。一片单独给单片机提供电 源，一片给剩余的LCD，CS3020等供电。 设计电路图如图3.10。
CPU最小系统
连接CPU
连接CPU
实现方案和试验结果
CPU最小系统
PAD02 视频信号
IRQ
视频行同步信号
PM1 奇偶场信号
PWM2 12V 斩波升压开关信号；
PWM0,1 电极控制PWM信号；
PWM4 舵机控制信号；
PAD0,1 电池电压，12V电压监测；
7.2.2 电源管理单元
– （1）采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳压 到5 V后，给单片机系统电路、车速检测的转角 编码器电路供电，且为后面的升压降压做准备；
– （2）经过一个二极管降至6.5 V左右后供给转 向伺服电机；
– （3）直接给直流驱动电机、驱动芯片 MC33886电路供电；
– （4）采用升压芯片B0512S将5 V电压升压到 12 V后，给摄像头供电；
开启内部电压调整器)
复位电路
为 复 位 芯 片
MC34064
7.2.2 电源管理单元
• 同光电管方案比较，摄像头方案的电源管 理单元就显得复杂得多。根据系统各部分 正常工作的需要，各模块的电压值可分为 2.5 V, 5 V, 6.5 V, 7.2 V, 12 V五个挡，主要 包含以下五个方面：
• 器提供电源，详细情况如下: • 使用5v 供电的端口有 • VDDR(41 引脚) 接+5V VSSR(40 引脚) 接地 内部电压调整器供电端 • VDDX(107 引脚) 接+5V VSSX (106 引脚) 接地 IO 驱动供电端 • VDDA(83 引脚) 接+5V VSSA(86 引脚) 接地 AD 转换器供电端 • 使用2，5v 供电的端口有(内部电压调整器开启时不必进行外部供电) • VDDPLL(43 引脚) 接+2.5V VSSPLL(45 引脚) 接地 锁相环供电端 • VDD1(13 引脚) 接+2.5V VSS1(14 引脚) 接地 内部电源供电端1 • VDD2(65 引脚) 接+2.5V VSS2(66 引脚 ) 接地 内部电源供电端2 • 此外还有 • VRH (84 引脚) VRL (85 引脚) AD 转换器参考电压（不得大于5V） • VREGEN(97 引脚) 电压调整器使能端 (上拉3.3K 电阻或直接连接可
视频信号同部分离电路
视频匹配电路
实现方案和试验结果
注意：视频信号不 经过直流隔离进入 AD转换器；
12V 斩波升压电路
升压供电电路
实现方案和试验结果
电源电路
实现方案和试验结果
MC33886电机驱动电路
拨码开关电路
– （5）采用稳压芯片LT1764将5 V电压稳压到 2.5 V后，作为单片机A/D模块参考电压。
7.2.2 电源管理单元
• 由于稳压芯片LM2576的额定输出电流较小， 故采用两片LM2576分别对单片机电路、车 速检测电路供电，以保证系统正常运行。
• 其电源分配图如图7.2所示。
图7.2 电源分配图
电源模块
滤波电路
• S12 系列单片机内部带有电压调整器,它主要负责为单片 机的内部提供不同的电压，其中为锁相环
• 电路提供的电压为2.5V，因此其电源端VDDPLL(43 引脚) 与XFC(44 引角)需要外部连接滤波电路才
• 能保证其正常运行。同样FREESCALE 也要求我们为S12 单片机的VDD1(13 引角)VDD2(65 引角)外接
• LM1881的行同步信号端（引脚1）接入S12 的一个外部中断IRQ口。
• LM1881的奇-偶场同步信号输出端接S12的 普通I/O口即可（选用PORTM0）。
摄像头采样电路图
视频信号分离电路
电机驱动电路
电机驱动电路说明
• 设计中采用两片MC33886并联驱动，这样 做有两个优点，其一是提高电机的输入电 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MC33886的功耗， MC33886发热现象比较严重，上面须加上 一定面积的散热片来缓和一下，在这里用 两片MC33886来为同一个电机供能，可以 有效地减小单片MC33886的功耗，发热现 象也可以得到部分缓解。这里有三
LM1117-5降压稳压电路
电源管理
+ 7.2V
电池
+ 7.2v
+ 5V
电
+ 12 V
源 管 理
+6V
+5V
CCD 传感器
MCU
( 9 S 12 DG 128 )
转速测量 MC 33886
电机
舵机
7.2.3 路径识别单元
• 摄像头视频信号端接LM1881的视频信号输 入端，同时也接入S12的一个A/D转换器口 （选用PAD1）。
H型驱动模块的设计
说明
• 当为高电平，为低电平时，、管导通，、管截止，电动机 正转。当为低电平，为高电平时，、管截止，、管导通， 电动机反转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流， 通过四个保护二极管D1、D2、D3、D4接入回路，防止电 子开关被反向击穿。
• 采用PWM方法调整马达的速度，首先应确定合理的脉冲 频率。脉冲宽度一定时，频率对电机运行的平稳性有较大 影响，脉冲频率高马达运行的连续性好，但带负载能力差； 脉冲频率低则反之。经试验发现，脉冲频率在50Hz以上， 电机转动平稳，但智能车行驶时，由于摩擦力使电机转速 降低，甚至停转。当脉冲频率在10Hz以下时，电机转动 有明显的跳动现象，经反复试验，本车在脉冲频率为15～ 20Hz时控制效果最佳。为方便测量及控制，在实际中我 们采用了20Hz的脉冲。
注意事项
• 避免利用稳压电源为电机供电 • 如果利用稳压电源而不是未稳压电源为电机供电，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。 此外，整个电路的芯片将不得不不与电机竞争从稳压器输出的电流。 • 利用未稳压电源为电机供电，以获得最大的物理功率。 • 首先，利用具有最高电压和较低内阻的电源为电机供电，可以使其获得最大的物理功 率(速度和转矩)。由于线性稳压器的输入电压通常比输出电压高，利用较高的未稳定 输入电压为电机供电通常在性能上超过利用较低的稳定输出电压为电机供电。 • 此外，稳压器不能像电池一样快速地传送电流的变化。由于当电机启动时电池能够提 供一个较大的，低内阻的电流，所以利用电池为电机供电通常在性能上超过了利用稳 压电源为电机供电。 • 注:这里所说的”通常在性能上超过”是在假定电机的额定电压与电池相匹配的情况下 得出的结论。 • 避免将电机接到稳压器上增加稳压器的负载 • 不利用稳压电源为电机供电的第二个原因是，稳压器限制它能提供的最大电流。例如 7805CT限制的最大电流为1A。用户并不希望耗电量很大的电机耗掉稳压器所提供的 大部分电流。
• 滤波电容。当然单片机的其他的各个外接电源端也一定要 有滤波电路，demon 将在外接电源电路设
• 计中向你好好阐述。以下是锁相环的滤波电路设计例图：
下图为VDD1(13 引角)，VDD2(65 引角)的滤波电路设计例图：
5伏电压引脚
• C9S12 系列单片机的外部供电电压为5V，分别为单片机的内部电压 调整器，IO 端驱动器，AD 转换