基于光电循迹的智能车硬件设计

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1、-基于光电循迹的智能车硬件设计摘 要 新一代汽车研究与开发将集中表现在信息技术、 微电子技术、计算机技术、智能自动化技术、人工智能技术、网络技术、通信技术在汽车上的应用。智能汽车是是现代汽车发展的方向。 光电传感器的自动循迹智能车系统，采用光电传感器作为道路信息的采集传感器，单片机为控制系统的核心来处理信号和控制小车行驶。MC9S12系列单片机在汽车电子控制领域得到广泛应用。本课题就是利用Freescale的MC9S12XS128微控制器对智能车系统进行设计。智能车系统设计包括硬件电路和控制软件系统的设计。硬件系统使用专门软件Altium Designer设计。硬件电路系统主要包括freesc

2、ale单片机最小系统、电源管理系统、路径识别与检测系统、电机驱动系统。而控制系统软件的设计主要包括单片机的初始化、PID控制算法、路径识别算法、舵机控制算法、速度控制算法。软件设计是用Freescale 公司的Codewarrior软件作为软件开发和仿真下载的平台。最后完成了整个自动循迹智能车的系统设计。关键字： 智能车；光电传感器；自动循迹；控制算法；PID- 1 -The design of autoguiding smartcar system based on photoelectric sensorAbstract New generation automobile developm

3、ent and researched focus on information technology, microelectronic technology, computer technology, intelligent automation technology, artificial intelligence technology, networking technology, communication technology and so on. The intelligent automobile is the direction in which the modern autom

4、obile developed. We use the photoelectric sensor as gathering sensor to take path information , The microcontroller is used as the control system core ,and process the signal, and controls car to run . signal-chip microcomputer MC9S12 series be widespread utilized in the automobile electronic contro

5、l domain. I use the Freescale microcontroller MC9S12XS128 to design the intelligent vehicle system. The design of intelligent vehicle system including hardware circuit and control software system. I adopt the software of electronics design Altium Designer to complete designing the hardware . Hardwar

6、e circuit system mainly includes the freescale s Single-chip Microcomputer smallest system, the power source management system , the way recognition and the detecting system, the motor-driven system. But the control software system mainly includes Single-chip Microcomputer 's initialization, the

7、 PID control algorithm, the way recognition algorithm, the steering engine control algorithm, the speed control algorithm . It uses Freescale Corporation's Codewarrior as the software development ,the simulation and downloadings platform in the software designing . Finally The design of auto tra

8、ck smartcar system based on photoelectric sensor is completed. Keywords: Intelligent vehicle; photoelectric Sensor; auto track; Control algorithm; PID目录摘 要- 1 -引言- 7 -第1章 绪论- 8 -1.1 毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）- 8 -1.2 毕业设计（论文）研究现状和发展趋势- 9 -第2章 控制系统整体方案设计- 9 -2.1 整体设计方案概述- 10 -2.2 控制系统整体方案设计- 11 -2.2.1 模型车硬件

9、整体方案设计- 11 -2.2.2 系统软件模块分析- 14 -2.2.3 控制算法设计方案- 15 -第3章 硬件设计- 16 -3.1 电源模块设计- 16 -3.1.1 智能车电源设计要求- 16 -3.1.2 +5V电路设计- 16 -3.1.3 +3.3V电路设计- 17 -3.1.4 电源系统框图- 19 -3.2 单片机最小系统设计- 19 -3.3循迹模块设计- 21 -3.3.1 激光传感器的工作原理- 21 -3.3.2 激光传感器硬件设计- 24 -3.4 舵机模块设计- 25 -3.4.1 舵机工作原理- 25 -3.5电机驱动模块设计- 27 -3.6 测速模块- 3

10、3 -3.7 调试模块- 34 -3.7.1 LED和拨码开关电路- 35 -3.7.2 NOKIA5110液晶模块- 36 -3.7.3 ZigBee无线通信模块- 37 -3.8 起跑线识别模块- 39 -第4章 开发与调试- 42 -4.1智能车整体调试- 42 -4.1.1 舵机调试- 42 -4.1.2 电机调试- 42 -4.1.3 动静态调试- 42 -结论与展望- 44 -致 谢- 45 -附录A：主要电路原理图- 46 -参考文献- 49 -5 熊慧 MC68单片机入门与实践 M 北京航天航空大学出版社2006- 49 -8 赵负图 机电控制集成电路手册M 化学工业出版社 2

11、003- 49 -主要参考文献摘要- 51 -附录B：引用外文文献及其译文- 54 -外文翻译- 56 -插图清单图2-1 系统信息的控制流程图11图2-2 智能车控制系统整体结构图13图2-3 系统硬件结构图14图2-4 系统软件结构14图3-1 LM2940-5.0 封装和实物18图3-2 两路+5V电压电路18图3-3 AMS1117的封装和实物19图3-4 3.3V电压电路19图3-5 电源系统框图20图3-6 单片机最小系统21图3-7 激光、透镜、调制管、接收管22图3-8 接收部分22图3-9 发射部分23图3-10 循迹原理示意图电源系统结构框图24图3-11 激光传感器原理图

12、25图3-12 激光传感器PCB25图3-13舵机转角示意图27图3-14 S-D5舵机实物图28图3-15 S-D5舵机参数28图3-16 两片MC33886并联驱动原理图29图3-17 L298N引脚图30图3-18 L298N电机驱动电路31图3-19 BTS7970实物和引脚32图3-20 BTS7970内部引脚结构33图3-21 H桥BTS7970电机驱动34图3-22 电机驱动PCB效果图35图3-23光电编码器原理示意图35图3-24 光电编码器测速电路36图3-25 贴片LED(左)和拨码开关(右)37图3-26 LED电路37图3-27 拨码开关电路38图3-28 NOKIA

13、5110实物图39图3-29 NOKIA5110接口电路40ZigBee无线通信模块40图3-31 起跑线41图3-32 TCRT5000实物及内部结构41图3-33 TCRT5000原理示意图42图3-34 起跑线检测示意图42引言 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以“立足培养、重在参与、鼓励探索、追求卓越”为宗旨，鼓励创新的一项科技竞赛活动。竞赛要求在规定的汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动模块以及编写相应控制程序，制作完成一个能够自主识别道路的模型汽车。智能汽车竞赛的赛道路面为宽度不小于45cm的白色面板，赛道两侧边沿有宽

14、为25mm的连续黑线作为引导线。目标是模型汽车需要按照规则以最短时间完成单圈赛道。在本次设计中，本组使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔16 位微控制器MC9S12XS128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、舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制硬件系统。在制作小车的过程中，对小车的整体构架进行了深入的研究，分别在机械机构、硬件和软件上都进行过更进，硬件上主要是考虑并实践各种传感器的布局，改进驱动电路，软件上先后进行了几次大改，小车的寻线方式从最先的线性拟合到现在位置加权，最终确

15、定的适应性更强的优化的位置加权的方法。控制算法上，从PID到Bang-Bang,再到模糊PID都进行了一些研究。在这份毕业设计中，我主要通过对整体方案、机械、硬件、算法等方面的介绍，详细阐述我队在此次智能汽车竞赛中的思想和创新。具体表现在电路的创新设计、算法以及辅助调试模块等方面的创新。通过查阅了大量的专业资料，反复地调试汽车模型的各项参数。为此次智能汽车毕业设计付出了艰苦的劳动。这份报告凝聚着安徽工程大学智能汽车队全体队员的心血和智慧。第1章 绪论 自动循迹智能车是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。除了特殊潜在的军用价值外，还因其在公路交通运输中的应用前景受到很多

16、国家的普遍关注。近年来其智能化研究取得了很大进展，而其智能主要表现为对路径的自动识别和跟踪控制上。路径跟踪问题的研究正吸引着国内外计算机视觉、车辆工程与控制领域学者们越来越多的注意，得出了很多有意义的成果。这些方法可分为两类，即传统控制方法和智能控制方法。传统控制方法多建立在精确数学模型基础上，而自动引导车系统具有复杂的动力学模型，是一个非线性、时延系统，由于各种不确定因素的存在，精确的数学模型难以获得，只能采用理想化模型来近似，所得到控制律较为繁琐，给实际应用造成不便。随着近年智能控制论的兴起，一些智能控制方法如模糊控制，神经网络等逐步走向完善，尤其是模糊控制理论在很多地方显示出相当的应用价

17、值，以此为基础，设计新概念的控制器受到人们很大关注。同时，人们也正考虑这在各种方面包括硬件和软件的综合技术开发和研究探索，智能车的技术将会趋于成熟并得到广泛的应用。1.1 毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）随着经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，人口的急速增加膨胀，从而使得汽车使用率将大大提高。石油等不可再生能源的大量消耗和枯竭，交通的拥堵不堪，交通事故的接连不断等这些问题都摆在我们的面前而有待解决。当汽车电子得以迅猛发展时，智能车产生和不断探索并服务于人类的趋势将不可阻挡。智能车的研究将会给汽车这个产生了一百多年的交通工具带来巨大的科技变革。人们在行驶汽车时，不再只在乎它的速度和效率

18、，更多是注重驾驶时的安全性，舒适性，环保节能性和智能性等。各国科学家和汽车工作人员以及汽车爱好者都在致力于智能车的研究，研究的成果有很多都已应用于人们的日常生活生产之中，例如在2005年1月, 美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器, 实质上都是装备先进的智能车辆。同样在很多特殊的场合，人员不宜或不便行驶车辆等情况下，智能车都发挥着它难以替代的作用。因此，研究智能车的实际意义和取得的价值都非常重大。在我国现阶段，很多企业和学校也都意识到了研究智能车的重大意义和有着广阔的研究前景，企业与学校联合研究，共享资源的智能车研究也已有较多的合作项目。本课题利用传感器识别路径，将赛道信息进行存储，利用

19、单片机控制智能车行进。本课题包括设计供电电路、时钟电路、复位电路、以及通信端口，传感器信号处理电路，电机驱动电路，以及相关控制和存储软件设计。本课题的综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性设计，这对进一步深化高等工程教育改革，培养本科生获取知识、应用知识的能力及创新意识等具有重要意义。1.2 毕业设计（论文）研究现状和发展趋势 随着汽车电子技术的飞速发展，汽车智能化技术正在逐步得到应用。汽车智能化技术使汽车的操纵越来越简单,动力性和经济性越来越高，行驶安全性越来越好，这是未来汽车发展的趋势。而目前许多高校的学生和

20、广大业余车模爱好者都在努力完成能自主识别道路并高速行驶的智能汽车，收集了汽车机械结构、自动控制以及单片机应用开发等各领域专家的论著，给出了车模的机械调整、控制系统硬件电路设计、软件仿真、控制策略以及单片机开发等多方面的指导性意见和建议。所以我们能够看到智能车研究将会有一个很广阔的前景和发展，各项新的技术也会不断地被应用于智能车的研究之中 而智能车的研究将会给未来的汽车带来非常大的变化，服务于人类。相对于智能车设计的许多技术应用，本次设计的基于光电传感器的自动循迹智能车系统设计只是应用了其中的一些方面，还有许多技术有待于我们去创新和发展。总之，智能车研究发展的前景是广阔的，同样又充满着挑战的。第

21、2章 控制系统整体方案设计 在本次设计中，要求所设计的小车具有自动寻迹功能并且有路径记忆的功能，能在指定跑道上高速，稳定地运行。跑道为黑白两色。其背景色为白色，跑道用两条黑线作为小车行进的依据。很明显，要设计的小车是要能沿黑线的正常行驶，并在此基础上，尽量提高小车行驶速度。2.1 整体设计方案概述 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，电路设计应尽量简洁紧凑，以减轻系统负载，提高智能车的灵活性，同时应坚持充分发挥创新原则，以简洁但功能完美为出发点，并以稳定性为首要前提，实现智能车快速运行。作为能够自动识别道路运行的智能汽车，车模与控制

22、器可以看成一个自动控制系统。它可分为传感器、信息处理、控制算法和执行机构四个部分组成。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。故而，自动控制器设计可以分为硬件电路设计和控制软件两部分。硬件电路是整个设计的基础，应包括有至少以下四个部分：（1） 单片机最小系统。（2）电源电路：为各个电路模块提供电源。（3）道路检测电路，用于完成对于赛道引导线的检测，主要采用光电检测（4）舵机以及后轮电机驱动电路。对模型车上的舵机和后轮电机进行驱动，控制赛车的方向和速度。除了以上四大部分，还包括有车速、车架速度、电池电压和

23、舵机位置检测等电路，增加模型车参数检测，从而提高模型车控制性能，也可增加调试电路方便现场调试。 在硬件电路的基础上，可以利用道路检测信息和车模运行参数信息，通过编写信息处理和控制软件，实现对于模型车转向舵机以及驱动电机的控制，使其能够沿着赛道高速稳定的运行。而在软件方面，主要功能包括系统软件模块分析以及控制策略算法。下页图2-1所示即为智能车系统信息的控制流程： 图2-1 系统信息的控制流程图2.2 控制系统整体方案设计2.2.1 模型车硬件整体方案设计 本次设计中的核心单片机将采用MC9S12XS128型号的单片机。MC9S12XS-128是一款飞思卡尔16位的单片机，其开发方法和工作特点都

24、与常用的8051单片机有一定的区别。如何开发这款单片机，如何为单片机多个模块写入底层的驱动程序和编写优良的上层控制算法是这一模块的核心。该微控制器是freescale公司推出的S12系列单片机中具有增强型的16位单片机，该系列单片机在汽车电子领域有着广泛的应用。S12系列单片机的中央处理器CPU12由以下三部分组成:算术逻辑单元ALU、控制单元、寄存器组。CPU外部总线频率为8MHZ或者 16MHZ，通过内部锁相环(PLL)，可以使内部总线速度可以达到25MHZ。寻址方式有16种。内部寄存器组中的寄存器，堆栈指针和变址寄存器均为16位。它具有很强的高级语言支持功能。CPU12的累加器A和B是8

25、位的，也可以组成16位累加器D。它的寄存器组包括如下5个部分:(l)8位累加器A，B或16位的累加器D。(2)16位寻址寄存器X和Y是用来处理操作数的地址。可分别用于源地址，目的地址的指针型变量运算。(3)堆栈指针SP是16位寄存器。(4)程序计数器PC是16位寄存器。它表示下一条指令或下一个操作数的地址。(5)条件码寄存器CCR。MC9S12XS128是Freescale公司推出的S12 系列单片机中的一款增强型16 位单片机，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM 等，单片机采用增强型16 位HCS12 CPU，片内总线时钟最高可达25MHz；片内资源包括8K R

26、AM、128K Flash、2K EEPROM； SCI、SPI、PWM 串行接口模块；脉宽调制(PWM)模块可设置成4 路8 位或者2 路16 位，逻辑时钟选择频率宽。它包括两个8 路10 位精度A/D 转换器，控制器局域网模块(CAN)，增强型捕捉定时器并支持背景调试模式。本次设计所提到的智能车自动控制系统就是基于此芯片设计。赛车硬件电路作为系统实现其一系列控制功能的基础，其设计的好坏直接关系到最终系统能否正常稳定的运行。通过分析，得到系统各主要功能模块电路及其与微处理器之间的逻辑关系，系统整体硬件结构设计框图如下图2-2所示： 图2-2 智能车控制系统整体结构图 由上页图2-2可知，智能

27、车控制系统整体可分为：单片机最小系统模块、电机驱动控制模块、电源管理模块、路径识别模块、车速检测模块以及模型车控制策略与算法模块等。这些模块将会在下面的章节中详细地进行设计说明和阐述。通过以上的阐述说明和后几章系统硬件部分各部件的选用说明，可以大体得出以下即为本次设计系统硬件的结构框图：图2-3 系统硬件结构图2.2.2 系统软件模块分析图2-4 系统软件结构从该结构图中可以看出，系统的软件模块主要有：1. 单片机系统的初始化，包括单片机系统时钟的初始化、ATD模块的初始化、PWM模块的初始化、增强型时钟模块的初始化，还有一些输入输出口的初始化；2. 光电信号的采集：通过对红外接收管接收道路反

28、射的红外光后产生电压的变化，采集到了有效的智能车位置信号。3. 光电信号的处理：将采集到的电压信号存储在单片机中，通过对光电信号的分析和判断来识别路径，判断黑线中间位置，判断道路是直线还是曲线，以及通过计算判断出曲线的斜率，从而进一步的控制舵机的转角和驱动电机的转速。4. 舵机转角的控制和电机转速的控制：通过控制PWM口的信号输出可以实现对舵机转角和轮速的控制5. 霍尔轮速传感信号的输入：通过对输入信号的捕捉和计算实现对驱动电机的转速的测算。2.2.3 控制算法设计方案 在小车的运行中，主要有方向和速度的控制，即舵机和电机的控制，这两个控制是系统软件的核心操作，对小车的性能有着决定性的作用。

29、对舵机的控制，要达到的目的就是：在任何情况下，总能给舵机一个合适的偏移量，保证小车能始终连贯地沿黑线以最少距离行驶。在舵机的控制方案中，有以下两种方案可供选择： 方案一：比例控制 这种控制方法就是在检测到车体偏离的信息时给小车一个预置的反向偏移量，让其回到赛道。比例算法简单有效，参数容易调整，算法实现简单，不需复杂的数字计算。在实际应用中，由于传感器的个数与布局方式的限制，其控制量的输出是一个离散值，不能对舵机进行精确的控制，容易引起舵机左右摇摆，造成小车行驶过程中的振荡，而且其收敛速度也有限。 方案二：PID控制 PID控制在比例控制的基础上加入了积分和微分控制，可以抑制振荡，加快收敛速度，

30、调节适当的参数可以 有效地解决方案一的不足。不过，P，I，D三个参数的设定较难，需要不断进行调试，凭经验来设定，因此其适应性较差。 在考虑选择中，根据设计的赛道规则，赛道模型与相关参数已给定，即小车运行的环境基本上已经确定，可通过不断调试来获得最优的参数。因此选用的是PID算法来对舵机进行控制。对驱动电机的控制（即速度控制），要达到的目的就是在行驶过程中，小车要有最有效的加速和减速机制。高效的加速算法使小车能在直道上高速行驶，而快速减速则保证了小车运行的稳定，流畅。为了精确控制速度，同时对速度进行监控，本次设计中还引入了闭环控制的思想，所以在硬件设计，增加了速度传感器实时采集速度信息。第3章

31、硬件设计3.1 电源模块设计3.1.1 智能车电源设计要求电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源设计，对于小车来说电源设计应注意两点：1. 与一般的稳压电源不同，小车的电池电压一般在6-8V 左右，还要考虑在电池损耗的情况下电压的降低，因此常用的78系列稳压芯片不再能够满足要求，因此必须采用低压差的稳压芯片。 2. 单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，影响单片机的稳定运行。电源设计应该主要注意稳压压差和最大输出电流两个指标能否满足设计要求。由于智能车使用7.2V镍镉电池，根据设计需求要把7.2V电压稳压到+5V和+3.3V两种电压，然后给不同模块分别

32、供电。3.1.2 +5V电路设计根据电源设计要求采用+5V低压差稳压芯片LM2940-5.0。LM2940 系列是输出电压固定的低压差三端端稳压器；输出电压有5V、8V、10V 多种；最大输出电流1A；输出电流1A 时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作度-40+125；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。同时LM2940 价格适中而且较容易购买，非常适合在本设计中使用。LM2940-5.0 封装和实物图如图3-1所示。3-1 LM2940-5.0 封装和实物如图可以看出LM2940-5.0 封装和实物和78系列稳压芯片大同小异。但是LM2

33、940比78系列稳压芯片转换效率高。由于LM2940是低压差稳压芯片，所以在电池损耗情况下也有较好的稳压效果。在实际设计中由于所需要的供电模块较多。并且在激光传感器部分必须要精确地5V电压，如果电压稍低就会影响激光的亮度和接收效果。所以在设计电路中使用了两边LM2940-5.0，给不通的的模块分别供电，保证各个模块具有稳定电压。如下图3-2是两路5V电压电路设计：图3-2 两路+5V电压电路3.1.3 +3.3V电路设计由于设计中用到NOKIA5110液晶和ZigBee模块，这两个模块需要3.3V电压供电，所以针对这两个模块设计出3.3V稳压电路。所选用的稳压芯片为AMS1117-3.3。AM

34、S1117是一款正电压输出低压差的三端线性稳压电路，在输出1A电流时，输入输出的电压差典型值为1.8V。AMS1117分为两个版本，固定电压输出版本和可调电压输出版本，固定输出版本的输出电压可以为：1.8V，3.3V和5.0V，可调电压输出版本能提供的输出电压范围为：1.8V5.5V。AMS1117内部集成过热保护和限流电路,确保芯片和电源系统的稳定性。AMS1117具有能提供包括固定电压输出版本、限流功能、温度范围-20120、输入电压高达12V等特点。该器件广泛适用于各种电子产品中。本设计采用的固定输出电压为3.3V的AMS1117。如下图3-3为AMS1117的封装和实物，图3-4为3.

35、3V电压电路。图3-3 AMS1117的封装和实物图3-4 3.3V电压电路3.1.4 电源系统框图本设计主要涉及到的电压为7.2V、5V和3.3V。分别给不同模块供电。如下图3-5详细的描述了本设计的电源系统框图。图3-5 电源系统框图3.2 单片机最小系统设计单片机是小车的控制中心，单片机最小系统的合理设计是小车平稳运行的前提，所谓最小系统，就是能够保证单片机运行的最精简的硬件设计。单片机选择飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128，该单片机专为汽车电子应用设计，它体积小（80pin，QFP），宽电压(3.135V-5.5V)，运算速度快（16bit，40MHz）,具有丰富的外设，很适合

36、车模控制。主要片内资源包括：（1）PWM：8路8bit PWM或4路16bit PWM输出；（2）AD：8路12bit，10位转换时间3us；（3）定时计数器：8路16bit定时器，1路16bit脉冲计数器；（4）SPI1路，UART两路；（5）最多59个普通IO口，可与5V器件直接相连；（6）BDM (background debug mode)程序下载调试接口；（7）时钟倍频电路，可将总线频率稳定升至96MHz、电源检测电路、看门狗等；（8）128KB Flash，8KB Data Flash，12KB RAM。MC9S12XS128最小系统如图3-6所示。图3-6 单片机最小系统图3-6

37、 中的单片机最小系统由以下几个部分组成：1. 晶振电路，单片机要想工作必须有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，具体电路为图3.6中的Y1、C11、C12，在做电路板时应注意晶振和电容要靠近单片机放置，如果放置过远可能会造成晶振不能起振，或工作不稳定。晶振电路采用12MHZ晶振。2. 复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。采用上电复位方式。 3. 下载接口，该下载接口在实际制作时可以用双排的3*2的排针代替，电路是根据标准的USBDM下载线来设计的，只需将下载线接口插到本接口上就可以直接向单片机烧写程序，免去了不断拔插单片机芯片的烦恼。3.3循迹模块设计3.3.1 激光传感器的工作

38、原理激光传感器模块主要完成赛道信息采集，包括发射模块和接收模块两个部分。发射部分有一个调制管发出180KHZ频率的震荡波后，经过三激光放大激光管发光；接收部分由一个相匹配180KHZ的接收管接收返回的光，经过电容滤波后接入单片机的I/O口，检测返回电压的高低电平（实物图如图3-7）。由于激光传感器进行了调制接收管只能接受相同频率的反射光，因此可以有效防止可见光对反射激光的影响。另外配合透镜使用，接收效果和抗干扰能力更强。激光传感器另一个优点是能达到60CM前瞻，保证智能车入弯时提前减速（电路图如图3-8，3-9）。图3-7 激光、透镜、调制管、接收管图3-8 接收部分图3-9 发射部分电路说明

39、（如图3-10）：（1） 发射部分：经过调制管，便输出180khz的频率，经过三极管8050放大之后驱动发射管，使发射管以180KHZ的频率，20%-30%的占空比发射出650nm的光线，经过反射后，接收管接收到反射回来的黑白信号，输出高低电平，由单片机识别，从而达到识别路径的功能。（2） 接收部分：接收管要上拉4.7k左右的电阻。这是因为，如果不接上拉电阻，会引起逻辑混乱。就是说如果不接这个上拉电阻，会出现无论照到黑的还是白的，接收管接收到的都是同一个电平。上拉电阻旁边的指示灯，起指示作用，让我们比较直观的看到接收管接收回来的信号明显的变化；另外，接收管的电源接的电容104，起到滤波作用。图

40、3-10 循迹原理示意图3.3.2 激光传感器硬件设计图3-11 激光传感器原理图图3-12 激光传感器PCB说明：图3-11激光传感器原理图为图3-12激光传感器PCB左边一半的原理图。本设计总共使用16个5MW激光，左右各一半。使用了8个接收管，其中每个接收管对应相邻的两个激光。具体效果如图3-12所示。电路工作原理分析：调制管产生一个频率为180KHZ占空比比为20%30%的方波输入到74HC138译码器的使能端。74HC138译码器的三个输入端P1P3接单片机的I/O口，译码器的8个输出经过8550三极管接8个激光。单片机向两个译码器输出000B111B，这样16个激光每次以两个为一组

41、从内到外依次点亮。对应接收管会接收对应的两个激光的状态，并发送给单片机，单片机识别出高低电平做出相应处理。这种发送模式成为分时发射，有效避免相邻两个激光的干扰。3.4 舵机模块设计概述：本智能车设计使用了两个舵机，型号为S-D5。其中一个为转向舵机控制智能车转向，另一个为摇头舵机控制传感器循迹。通过两个舵机的协调配合控制智能车以最佳路线跑完赛道全程。3.4.1 舵机工作原理工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈

42、，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V 对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线。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0180 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

43、冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms 的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180 度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。舵机的控制：舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：0.5ms-0度；1.0ms-45度；1.5ms-90度；2.0ms-1

44、35度；2.5ms-180度；如图3-13所示：图3-13舵机转角示意图根据设计需求所选用舵机为S-D5数码舵机，实物如下图3-14，舵机参数如图3-15所示。图3-14 S-D5舵机实物图S-D5舵机参数：图3-15 S-D5舵机参数3.5电机驱动模块设计由于单片机的驱动能力不足，无法驱动像电机这样的大功率外部器件，因此必须外加驱动电路。本次电机常用的驱动芯片很多，例如，MC33886、L298N、BTS79670等。根据设计要求设计三种方案，最终选择一种最佳方案。方案一：采用MC33886和MOS管构成H桥驱动电路MC33886 是典型的针对小功率直流电机控制的单片集成H桥芯片。内部包含了

45、集成控制逻辑模块、电荷泵、驱动门和低RDS( ON) MOSFET输出电路。MC33886能够控制连续的直流感性负载电流达到5A。输出端能够实现频率为10KHz的PWM 波。该芯片还具有错误输出报告，内容包括：低电压、短路电流和过热等情况。两个独立的输入控制两个半H桥实现推挽输出。MC33886的设计工作电压为5V至28V。在MC33886的驱动电路中，常常使用两片甚至更多的MC33886并联来实现大电流驱动，降低芯片的发热。但是更多的使用者会发现，这种方 法也有很严重的不足之处。有的是一片在工作一段时间以后很烫，另一片却没有发热。这种问题主要有以下几个原因造成的: 首先，两个功率驱动芯片是不

46、能直接并联时用的，因为芯片和芯片之间的电路不是完全对称的。在同时加电源的时候，电流会从电阻较小的芯片流过，造成发热不均。其次，由于电路板在布线的时候两个芯片的电路板布线不是完全一样的，这就造成PWM传输信号线路的阻抗和干扰不一样尤其是智能车在赛道上需要反向制动的时候，两个输出端口1、2 输出发生交替，就会造成两个并联的H 桥一侧的两个MOSFET同时导通，瞬间就会使芯片发烫。 针对MC33886芯片的驱动电流只有5A，易于发热的的缺点，并且MC33886的导通电阻比较大，产生了较大的压降，使芯片容易发热，为了增强其驱动能力利用多块MC33886并联使用，如下图3-16： 图3-16 两片MC3

47、3886并联驱动原理图方案二：H 桥集成电机驱动芯片L298电机驱动电路L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装（如下图3-17）。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电 压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N 芯片驱动

48、电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。图3-17 L298N引脚图图3-18 L298N电机驱动电路 方案三：两片BTS7970构成H桥电机驱动电路如图所示，采用2个半桥智能功率驱动芯片BTS7970B组合成一个全桥驱动器，驱动直流电机转动。BTS7970B是应用于电机驱动的大电流半桥集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。P沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减少了电磁干扰(EMI)。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和超温、过压、欠压、过流及短路保护功能。BTS7960B的

49、通态电阻典型值为16m，驱动电流可达60A，调节SR引脚外接电阻的大小可以调节MOS管导通和关断时间，具有防电磁干扰功能。IS引脚是电流检测输出引脚。INH引脚为使能引脚，IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。当IN=1且INH=1时，高边MOSFET导通，输出高电平；当IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，输出低电平。通过对下桥臂开关管进行频率为25kHz的脉宽调制(PWM)信号控制BTS7970B的开关动作，实现对电机的正反向PWM驱动、反接制动、能耗制动等控制状态。BTS7970是半桥结构，其实物和引脚图如下图3-19：图3-19 BTS7970实物和引脚图3-20 BTS797

50、0内部引脚结构BTS7970引脚功能如表3-1：引脚标号输入/输出功能1GND-地2IN输入输入，高低电位开关是否开启决定3INH输入抑制，当进入低电平进入睡眠模式4,8OUT输出功率输出5SR输入转换速率6IS输出电流取样诊断7VS-电源表3-1 BTS7970引脚功能H桥BTS7970电机驱动H桥BTS7970电机驱动图3-21 H桥BTS7970电机驱动电路说明： MC9S12XS128单片机输出两路PWM波给电机，74HC244起到单片机和电机隔离作用，防止电机的反电动势损害单片机。另外，驱动功率芯片供电电源和地之间并联大容量电容，以保证电源电压的平稳。综上所述，每个方案都有优点缺点，

51、从加减速性能、发热、效率、稳定性和频率各部分比较，方案三效果最佳，故采用BTS7970构建的H桥电机驱动电路。在实际中，我们给电机和BTS7970加了散热片，更能提高智能车的性能。图3-22 电机驱动PCB效果图3.6 测速模块为了使得智能车能够平稳地沿着赛道运行，需要控制车速，使智能车在急转弯时速度不至过快而冲出赛道。通过控制驱动电机上的平均电压可以控制车速，但是如果开环控制电机转速，会受很多因素影响，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。这些因素会造成智能车运行不稳定，通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可消除上述各种因素的影响，使得车模运行得更稳定。车速检测的

52、方式有很多种，例如用测速发电机、转角编码盘、霍尔传感器检测、反射式光电检测和透射式光电检测。测速发电机、转角编码盘精度比较高，但是价格比较贵。本设计最终选用增量式光电编码器。光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器。光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电

53、动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3-23所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速（电路图如图3-24）。图3-23光电编码器原理示意图图3-24 光电编码器测速电路3.7 调试模块一个完整的系统设计必须要有调试模块的存在。智能车系统需要经过长期的不断调试才能达到一个稳定的状态，智能车才能高速稳定运行。本设计主要涉及到的调试模块有LED发光二极管模块、拨码开关模块、NOKIA5110液晶模块、ZigBee无线通信模块和USBDM在线调试下载器。各模块具体功能如下：1) LED模块：可以通过在程序中点亮LED灯来判断

54、程序运行的结果是否正确。2) 拨码开关模块：这一部分主要完成对速度的设定，在平时的测试中如果想提高智能车的速度，你不可能在重新下一遍程序，你只需要给不同的按键值赋予不同的速度，这样就可以在现场调试智能车速度，避免重新下载程序，方便与调试。3) NOKIA5110液晶模块：这一部分主要实现人机交换，可以通过按键和液晶配合使用调节程序的每个参数。通过液晶还可以实时显示采集到的道路信息，这样一目了然可以看出采集到的信息是否正确。4) ZigBee无线通信模块：这部分主要实现上位机功能，单片机将采集到的信息通过ZigBee发送个上位机，这样就可以在上位机实时看出智能车在行驶过程中个各个信息参数，例如，

55、实时速度，赛道位置等。上位机可以通过ZigBee模块发送数据个单片机，实现在线实时调试。这一部分对以后PID参数调节和速度控制有很大的帮助。5) USBDM在线调试下载器：这部分实现程序下载和在线调试。3.7.1 LED和拨码开关电路本设计使用LED为贴片式发光二极管，拨码按键使用的四位。具体实物如下图。图3-25 贴片LED(左)和拨码开关(右)图3-26 LED电路图3-27 拨码开关电路电路说明：如图3-26 LED电路所示，贴片LED的阳极接上拉电阻，阴极接单片机I/O口，单片机I/O口只要输出低电平则对应的LED就会发光。图3-27 拨码开关电路所示，拨码开关一边接地，另一边接上拉电

56、阻R1R3，PB0PB3接单片机I/O口。如果拨码开关拨向左边，对应的那一路信号断开，则单片机接收到的信号为高电平。如果拨码开关拨向右边，对应的那一路信号导通，则单片机接收到的信号为低电平。该拨码开关共有四路所以有16中状态。3.7.2 NOKIA5110液晶模块NOKIA5110液晶型号为PCD8544。PCD8544是一块低功耗的CMOS LCD控制驱动器，设计为驱动48行84列的图形显示。所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD 电压及偏置电压发生器，只须很少外部元件且功耗小。PCD8544 与微控制器的接口使用串行总线。PCD8544 采用CMOS 工艺。使用Nokia5110液

57、晶的四大理由：1) 性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符。Nokia5110裸屏仅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD12864一般507元。2) 接口简单，仅四根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD12864需12根。3) 速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。4) Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。可以在市场上买到Nokia5110的裸屏和带PCB的Nokia5110屏幕，因为Nokia5110是不带

58、背光的，所以通常商家会在PCB上按了几个背光LED，上电就能亮。图3-28 NOKIA5110实物图图3-29 NOKIA5110接口电路3.7.3 ZigBee无线通信模块ZigBee无线通信模块主要实现上位机功能，单片机将采集到的信息通过ZigBee发送个上位机，这样就可以在上位机实时看出智能车在行驶过程中个各个信息参数，例如，实时速度，赛道位置等。上位机可以通过ZigBee模块发送数据个单片机，实现在线实时调试。这一部分对以后PID参数调节和速度控制有很大的帮助。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主

59、要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用,它的传输距离在10-75m的范围内。ZigBee具有如下特点：1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。2) 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的

60、无线控制(如工业控制场合等)应用。3) 网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。ZigBee无线通信模块选用SZ-05系列Zigbee模块。SZ05系列无线通信模块数据接口包括：TTL电平收发接口、标准串口RS232数据接口，可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式，除可实现一般的点对点数据通信功能外，还可实现多点之间的数据通讯，串口通信使用方法简单便利，可以大大简短模块的嵌入匹配时间进程。ZigBee无线通信模块3.8 起跑线识别模块赛道有一个长为1m的出发区，如下图3-

61、31所示，计时起始点两边分别有一个长度10cm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者结束时刻。图3-31 起跑线根据图3-31起跑线参数，可以采用红外对管对起跑线进行识别,红外光电对管型号为TCRT5000。TCRT5000是将红外发射管和接收管集成在一体的红外反射式光电传感器。TCRT5000红外光电传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。其实物图和内部结构图如下。图3-32 TCRT5000实物及内部结构红外发射管发射的红外线具有一定的方向性，当红外线照到白色表面上会有较大的反射，红外对管可以接收到反射回来的红外线，在

62、利用红外接收管的电气特性，在电路中处理红外线的接收信息。如果反射表面为黑色，红外光会被表面将其大部分吸收，红外接收管就难以接收到红外线。这样就可以做到检测到黑色起跑线。红外对管接收原理如图3-33。图3-33 TCRT5000原理示意图根据起跑线的特点，只需要三个红外对管就能检测到起跑线。红外对管的排布如下图3-34，只要两边光电对管检测到黑线，中间检测不到，则判断为起跑线，经过实验，这种方法既简单成功率又高。图3-34 起跑线检测示意图图3-35 起跑线检测电路图电路说明：由于单片机在输入电压在4V以上认为是高电平，在1V一下才认为是低电平。但是TCRT5000输出电压不一定在单片机识别高低电平范围内。所以在设计的电路中加入了比较器，TCRT5000将输出的电压输入到比较器，通过滑动变阻器调节调节比较电压，这样通过比较比较器会直接输出高电平和低电平，更利于单片机检测。第4章 开发与调试4.1智能车整体调试4.1.1 舵机调试首先在程序里不断的修改舵机的控制量，确定舵机左转和右转极限的PWM值，记下该值