瑞萨MCU模型车设计与制作(很详细的)

目录

摘要 (Ⅰ)

Abstract (Ⅰ)

1 引言 (1)

2 MCU模型车的结构组成及工作原理 (2)

2.1 传感器基板 (2)

2.2 传感器子基板 (3)

2.3 CPU主板 (4)

2.4马达驱动电路 (5)

2.5伺服舵机控制电路 (8)

2.6发光二极管电路 (9)

2.7开/关电路 (10)

2.8电源 (10)

3 MCU模型车的几何模型、运动学模型和动力学模型分析 (11)

3.1 模型车几何模型的建立与分析： (11)

3.2 模型车动力学模型的建立与分析： (12)

3.3 模型车运动学模型的建立与分析： (16)

4 MCU模型车在指定轨道上运行的程序设计 (17)

5 影响MCU模型车稳定运行的因素 (31)

6 结论 (32)

致谢.............................................................................................................. 错误！未定义书签。参考文献...................................................................................................... 错误！未定义书签。

1 引言

MCU模型车的设计与制作起源于由日本社团法人全国高中协会等主办的“JAPAN MCU 模型车大赛（英文：Japan Micom Car Rally）”，目前这项赛事已经在日本成功举办了十余届。由于这项大赛的科技层次较高，并且具有很强的竞争性和观赏性，如今“JAPAN MCU 模型车大赛”已经成为日本国内的全国性重大赛事。

2007年，由瑞萨科技冠名赞助的“瑞萨超级MCU模型车大赛”首次在北京举行，并被教育部列为“全国大学生IT&AT就业技能大赛”系列赛事之一。这个活动的目的是提高学生的制作能力和编程技巧水平，并培养业界相关人才。该项赛事首次举办就吸引了四十多所高校的六十多支参赛队伍，其中不乏许多知名高校。此次大赛的成功举办，不仅在于高校和大学生们对此项赛事的关注，更在于对大家对专业人才培养和锻炼的重视。

该项赛事还将继续在我国举办。在高兴的同时，我们也应该清楚地看到，我国选手的MCU模型车在科技含量与创新层次上与国外高水平选手还有一定的差距。因此，为提高我国MCU模型车赛事的观赏性和赛事水平的竞争力，同时也为了提高我国高校大学生的科研能力、制作能力及创新层次，加强对MCU模型车的理论研究和科技创新具有一定的实际意义。

2 MCU模型车的结构组成及工作原理

MCU模型车基本上由以下几部分组成：传感器基板，传感器子基板，H8/3048F-ONE 型号的CPU主板，马达驱动基板等。其整体结构如图1所示。

图1

传感器基板位于模型车的最前方，用于检测赛道信息。而传感器子基板则被固定在模型车车身上，对传感器输出的信号进行初步的预处理。安装在中心位置的CPU主板是整个模型车的核心部件，可以对模型车的各控制电路发出控制指令。位于车身最后的马达驱动基板是模型车驱动电路的集合体，在CPU的控制下它可以完成对左右马达和伺服舵机的驱动。

2.1 传感器基板

如图2所示，传感器基板主要由8个一字等距排开的传感器组成。每个传感器都可以识别赛道上的黑白颜色，通过发光二极管显示传感器检测到的状态，并能将其转化为数字信号“0”或“1”输出。传感器基板作为整个模型车控制系统的起始端，就好比人的眼睛，能读取赛道路面信息，为模型车要产生的相应动作提供必要依据，其作用不可忽视。同时，其识别精度及响应时间都将对整个控制过程造成较大的影响。

图2

传感器主要由两部分组成，利用“白色反射光线，黑色吸收光线”的原理，一部分发射光线，另一部分接收光线。发射光线部分为发光二极管，其发射到赛道上的光线为红外线，并不能被肉眼察觉。接受光线部分为光传感器S7136，它能判断出是否有光线被反射到其接受面上，并能将其转化为数字信号“0”或“1”输出。

传感器的工作原理为：如果赛道上光线集中的地方是白色（光线由传感器的发光部分射出），光线将会被反射，并且被传感器的光线接收部分接收。这样，传感器输出数字信号“0”，赛道上的该处被认为是“白色”，同时，具有指示作用的发光二极管工作。同理，如果赛道上光线集中的地方是黑色，光线将会被吸收，不能被光线接收部分接收，传感器输出数字信号“1”，该处将会被认为是“黑色”，具有指示作用的发光二极管不工作。

传感器基板上的蓝色方形旋钮为可调电阻，可以调节传感器的灵敏度。当传感器在赛道上的白线处正常工作，黑线处不工作时，传感器灵敏度的调节工作就可以结束了。如果赛道上有灰色，要通过调节旋钮使发光二极管在灰色处也能正常工作，模型车才能够在整个赛道上顺利运行。

光传感器S7136主要由震荡电路、时钟信号发生电路、发光二极管驱动电路、缓冲放大电路、标准电压发生电路、比较电路、信号处理电路、输出电路等组成。它属于标准元件，共有四个引脚，此处不对其内部结构做过多介绍。

传感器基板的电路如图3所示：发射红外线的发光二极管（LED2）的阴极与光传感器S7136（接收光线部分）的引脚1连接，阳极通过旋钮调节电阻（该电阻可以调节LDE2的输出）与电源相连。S7136的引脚3是输出端，并与发光二极管（LED1）相连。因为在数字电路中“0”通常表示0V，“1”通常表示“5”V，因此，当S7136接收到光线时，引脚3输出“0”，LED1工作。反之，当S7136没有接收到光线时，引脚3输出“1”，LED1不工作。为了将每个光传感器引脚3的输出值送到CPU做后续处理，引脚3还与接口CN1的引脚2-9分别相连。另外，光传感器S7136的引脚2和引脚4还要分别与电源和地相连，这样就构成了完整的传感器基板电路。

图3

要注意：此时由传感器基板输出的信号为：“1”代表“黑色”，“0”代表“白色”。这与人们通常的思维习惯相矛盾。为了便于在设计程序时理解起来更方便，还需要对传感器基板的输出信号做进一步的处理。这就是下面要介绍的传感器子基板的作用。

2.2 传感器子基板

传感器子基板的作用是将来自传感器的输入信号取反，使输出信号满足：当赛道颜色