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1、摘 要智能车控制系统是通过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MSP430F149。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。在毕业设计的过程中，我们小组成员涉猎控制、模式识
2、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;MSP430F149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
3、 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 sensor
4、s to achieve the road test in result to get track information,and finally feedback to the microcontroller MSP430F149. 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 dete
5、ct 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
6、our knowledge integration and practical ability to train great role.Keywords：Smart car; Path identtification; Laser sensors; PID; MSP430F149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硬件设计及说明143.1 核心控制模块3.2电源模块设计193.3激光传感器的设计143.4电机驱动模块设计与实现173.5舵机的安装与控制193.6速度检测模块3.7 显示模块
7、4软件设计说明244.1系统软件流程图244.2 所用PWM模块说明254.3模糊PID控制算法的实现274.4输入捕捉功能的实现参考文献33致谢34附录一35附录二581 绪论1.1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，
8、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。在本次设计中，采用16位微控制器MSP430F149作为核心控制单元，自主构思控制方案及
9、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。1.1.1 国外概况美国国防远景研究规划局 DARPA 从 2004 年开始举办无人车大奖赛，以百万美元的奖金吸引各大高校和企业参与无人驾驶车辆的研究工作。2004 年的比赛在沙漠中进行。但在全长近 250 公里的路线上，最远的一队也仅仅跑了 11.78 公里而已。2005年的比赛有 5 辆车完成比赛，斯坦福大学 Sebastian Thrun 教授带领的 Stanford RacingTeam 的 Stanley 赛车获得冠军，他们使用了一辆改装过的大众途锐 R5 柴油车。2006年的比赛难度再次加大，从沙漠移到
10、了城市里，在加州的 Victorville，队伍完全被置身于真实的道路状况之中，包括避让，拥堵，加入车流和遵守交通规则等。卡内基梅隆大学最终获得冠军和 200 万美元的奖励，斯坦福获得第二名和 100 万美元，而第三名被维吉尼亚理工学院夺得。2007 年底在加利福尼亚维克托维尔举办了第三届智能汽车大赛。一款经过改装的智能化雪佛兰太和运动型多功能车在无人操控的情况下行驶了 6 个小时，行程 60 英里(约 96 公里)，夺得大赛冠军。美国国防部希望智能汽车最能够用于军事，以使士兵更加安全；汽车制造商认为，人工智能系统将能帮人们驾驶，最终完全承担驾驶任务；研究者希望他们的技术将有助于减少交通事故。
11、韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔导体公司资助下举办的以 HCS12 单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委将提供一个标准的汽车模型、直流电机和可充电式电池，参赛队伍要制作一能够自主识别路线的智能车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，跑完整个赛程用时最短且技术报告评分较高的参赛队为获胜者。制作智能模型车，要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件 Codewarrior 和在线开发手段自行设计和制作可以自动识别路径的方案、电机的驱动电路、模型车的车速传感电路、模型车转向伺服电机的驱动以及微控制器MC9S12DP256 控制软件编程，等等。其专业知识涉及控制、模式识
12、别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的长期的推动作用。随着赛事的逐年开展，将不仅有助于大学生自主创新能力的提高，对于相关学科领域学术水平的提升也有一定帮助，最终将有助于汽车企业的自创新，得到企业的认可。这项赛事在韩国的成功可以证明这一点。2000 年智能汽车竞赛首先由韩国汉阳大学承办开展起来，每年全韩国大约有 100 余支大生队伍报名并准予参赛，至今已成功举办了 8 届，得到了众多高校和大学生欢迎，也逐渐得到了企业界的极大关注。上海交通大学、法国国家信息与自动化研究所(INRIA)和葡萄
13、牙 Coimbra 大学联合组成的 CyberC3 项目组，重点研究面向城市环境的无人自动驾驶车辆，旨在为未来的城市提供一种灵活、高效、安全、环保的新型公共交通工具。经过研究，人们发现如果能把人放置在车路系统之外，便可以比较容易降低事故率。因此，车辆自动驾驶是智能交通系统的重要组成部分。1.1.2 国内概况“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车竞赛是由教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会主办，飞思卡尔半导体公司协办的全国性的比赛；全国大学生智能汽车竞赛是在统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的 8 位、16 位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、设计电机驱动电路编写相应软件以及装
14、配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。与以往的专业竞赛不同，智能汽车竞赛是以快速发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新比赛，已经成为各高校示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才供了重要平台。我国于 2006 年 8 月举办第一届“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车邀请此次比赛吸引了来自全国 59 所著名学校的 112 支代表队的参与，大赛分预赛决赛两个阶段。我国于 2008 年 8 月举办了第三届“飞思卡尔杯”全国大学生智能汽车邀赛，此次比赛吸引了来自全国的
15、100 多所著名学校的几百支代表队参与，由于参赛队较多，大赛分为分赛区比赛和全国总决赛；全国共分东北赛区、华赛区、华东赛区、华南赛区及西南赛区五个分赛区；分赛区的前 15 名优胜者参加全国的总决赛。本届比赛在第一届比赛的基础上增加了赛道的难度，增加弯道和蛇形道在整个赛道中的比重，在决赛中还增加了不同角度的坡道，这对参赛选手及智能模型车系统提出了更高的要求。全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了三届，比赛规模不断扩大、比成绩不断提高。通过比赛促进了高等学校素质教育，培养大学生的综合知识用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能，倡导理论联系实际、求真务实的学风和团
16、队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造条件。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：(l)查阅相关文献，根据设计要求，设计制定智能模型车系统方案;(2)选择及设计关键
17、器件，并进行相应的标定实验及功能模块设计;(3)智能模型车系统的整体硬件设计及研究;(4)智能模型车系统的整体软件设计及研究;（1）路径精确识别采用激光传感器来识别路径，解决其精度差的缺点研究的主要问题，试验中发现激光传感器器输出电压值与其接受红外光量有很好的对应关系，于是在每次行驶之前都对每个传感器动态建立数据表，将其在白板上及黑线上的电压值储存在单片机内存中，在主程序运行时对每个红外传感器输出电压值都进行 AD 转换，找到其与模型车相对于引导线的偏移量的规律从而计算出偏移量，此方法经实际试验，确定可行。（2）硬件电路设计为了让各个电子器件能够正常能够工作，设计外围电路以提供其工作环境。为了
18、在出现问题时查找方便，应将系统所有电路板均设计制作成 PCB 板以有效提升系统的可靠性。（3）控制系统设计整车控制系统是研究内容的重点，其主要功能是完成对转向舵机及直流电机的控制，PID 控制是一种非常成熟的控制方法，其在智能车辆控制领域有着很大的应用，但 PID 控制器的采样时间及各项系数对控制器调节能力影响很大，通过何种手段确定将是控制器研究的主要内容，经过大量试验最终确定了各个参数并通过了各类型路径的验证。（5）基于目标控制器的算法软件开发针对目标控制器，采用的 C 语言编译器按控制策略解决方案和控制软件流程，开发编写了包括主程序和相关子模块在内的实用化控制算法代码1.3 本文结构本文采
19、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。全文共由四个章节组成，第一章为绪论，二至四章为主体部分。首先，智能车系统相关的参考文献，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。然后第三章和第四章分别介绍了智能车的硬件和软件方面的设计。2 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。21 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
20、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
21、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
22、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 使用的电源为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
23、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系统总体设计通过设计基于德州仪器推出的MSP430F149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MSP430F149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。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
24、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2.12.1 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：MSP430F149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、显示模块。各模块的作用如下：MSP430F149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
25、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。软件系统设计：智能车系统采用16位微控制器MSP430F149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MSP430F149的 MCU的I/O口处理后，用于赛车的运动控制决策，同时内
26、部定时器A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。3 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，显示模块。核心控制模块31控制核心MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器,有60KB+256字节FLASH,2KBRAM,包括基本时钟模
27、块、看门狗定时器、带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位A/D转换器、2个串行通信接口等模块。311 内部资源MSP430F149芯片具有如下特点:1)功耗低:电压2.2V、时钟频率1MHz时,活动模式为200A;关闭模式时仅为0.1A,且具有5种节能工作方式。2)高效16位RISC-CPU,27条指令,8MHz时钟频率时,指令周期时间为125ns,绝大多数指令在一个时钟周、期完成;32kHz时钟频率时,16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MH
28、z时钟频率时的执行速度。3)低电压供电、宽工作电压范围:1.83.6V;4)灵活的时钟系统:两个外部时钟和一个内部时钟;5)低时钟频率可实现高速通信;6)具有串行在线编程能力;7)强大的中断功能;8)唤醒时间短,从低功耗模式下唤醒仅需6s;9)ESD保护,抗干扰力强;10)运行环境温度范围为-40+85,适合于工业环境。MSP430系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的,故其程序的编写相对简单。编程开发时通过专用的编程器,可以选择汇编或C语言编程,IAR公司为MSP430系列的单片机开发了专用的C430语言,可以通过WORKBENCH和C-SPY直接编译调试,使用灵活简单。3
29、2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。321 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
30、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
31、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
32、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
33、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。 322 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
34、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33 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激光，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，
35、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 激光传感器发射部分原理图图4.2 激光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，用以控制其是否发光。 （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
36、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MSP430F149单片机的P1.1口，控制它们同时发光，偶数号激光管相连，接到MSP430F149单片机的P1.0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
37、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MSP430F149单片机的中断入口P1.2和P1.3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(接受部分)的输出引脚与单片机的接口连接标号12345678910111213端口P1.2P1.5P2.0P2.1P2.2P2.3
38、P2.4P2.5P2.6P2.7P1.7P1.6P1.334 电机驱动模块的设计与实现3.4.1电机介绍智能模型车前进的动力是通过直流电机来驱动的，直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能较高的效率，优异的动态特性。智能模型车的驱动直流电动机的型号为RS一380SH，输出功率0.9W4OW,该电机使用电压范围为3.09.0V，额定电压7.2v。无负荷转速可达16200rpm，无负荷电流为0.50A。额定转速14000rpm，额定电流3.29A，额定转距110g.cm，额定功率15.8W，
39、起动转矩840g.cm，起动电流21.6A。它的外型图如图3.21所示：RS380SH的电机特性如表3.4所示。3.4.2电机控制近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制(pulse width modulation简称PWM)控制方式已成为主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现。采用专用集成电路芯片可以很方便的组成单片机控制的小功率直流伺服系统。本文选用的驱动芯片是飞思卡尔半导体公司的H桥式驱动器MC33886。其管脚示意图如图3.22所示，它的应用电路也很简单，如图3.23
40、所示。直流电机驱动采用飞思卡尔公司的5A集成H桥芯片MC33886。MC33886芯片内置了控制逻辑、电荷泵、门驱动电路以及低导通电阻的MOSFET输出电路，适合用来控制感性直流负载，可以提供连续的5A电流，并且集成了过流保护、过热保护和欠压保护。通过控制MC33886的四根输入线可以方便地实现电机正转、能耗制动及反接制动。图3.24为经过简化的H桥电路，当S1、S4导通且S2、S3截止时，电流正向流过电机，车模前进；S2、S3导通S1、S4截止时，电流反向流过电机，适当利用这个过程可以使车模处于反接制动的状态，迅速降低车速。由于电机轴在外力作用下旋转时，电机可以产生电能，此时可以把直流电动机
41、看作一个带了很重负载的发电机，电机上会产生一个阻碍输出轴运动的力，这个力的大小与负荷的大小成正比，此时电机处于能耗制动状态。工作特性：(1)5V到40V的连续操作。本设计由于电池采用6节镍镉电池，固最大电压不超过10V。(2)可以接受TTL或CMOS以及与它们兼容的输入控制信号。(3)PWM控制频率可以达到10kHz。(4)通过PWM的通一断来控制驱动电流的大小。(5)内部设有短路保护，欠压保护电路。(6)内部设有错误状态报告功能。本设计中使用两片MC33886并联，相当于将其中的两个H桥并联。这样一方面减小导通电阻对电机特性的影响，另一方面减小MC33886内部的过流保护电路对电机启动及制动
42、时的影响。在实际应用过程中，我们可能会遇到弯道，为了能使模型车在过弯道的时候能够快速地把速度减下来，电机驱动部分使用了由两片MC33886组成的全桥式驱动电路，可以控制电机的反转以达到制动的目的。单片MC33886也可能组成桥式驱动电路。由于RS一38OSH电机的工作电流很大，经过测量，单片MC33886驱动RS一380SH电机时空载时的压降也有1.0V之高。因此把单片MC33886的两路驱动输出端并联起来，用两块MC33886组成一个全桥式的驱动电路。该电路可以通过两个输入端就可以控制电机正、反转，压降也减小到0.5V以下。两块内部并联后的MC33886芯片来组成桥式驱动电路，MC33886
43、的输入输出对应关系如表3.5所示，具体驱动电路如图3.25所示。35 舵机的安装与控制舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。控制舵面的伺服电机，不仅在航模飞机中，在其他的模型运动中都可以看到它的应用:船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等。由此可见，凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现，转向舵机的控制在智能汽车控制系统中的重要性是不言而喻的。3.5.1舵机的内部结构以及工作原理(1)舵机的内部结构一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。其中，直流马达提供了原始动力，带动减速齿轮组
44、，产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，输出扭力也愈大，越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。(2)舵机的工作原理舵机是一个典型闭环反馈系统，其工作原理如右图3-28所示。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的标准信号，将获得的直流偏执电压与电位器的电压进行比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，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，然
45、后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，直至电压差为0，电机停止转动。舵机的基本结构是这样，但实践起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。应根据需要选用不同类型。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:4.8V和6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同
46、，6.OV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。352舵机控制设计常见的舵机厂家有:日本的Futaba、JR、SAN认叭等，国产的有北京的新幻想、吉林的振华等，本次设计的舵机是SANWAHS-925。如图3-29所示，该舵机的工作角度为:45度/400u，有两种工作电压，分别是4.8V和6.0v。工作电压为4.8V时，速度为0.11sec/60，堵转力矩为6.1kg.cm;工作电压为6.0v时，速度为0.08sec/60，堵转力矩为7.7kg.cm。在设计中，为了提高舵机的响应速度和工作力矩，采用6.0V工作电压。硬件电路如图3一30所示。36 速度检测模块在闭环控制系统中，
47、速度指令值通过微控制器变换到驱动器，驱动器再为电机提供能量。速度传感器再把测量的小车的速度量的实际值回馈给微控制器。以便微控制器进行控制。因此要对控制系统实行闭环控制，必须要有感应速度量的速度传感器。常用的有以下两种传感器:(1)轴编码器它常被用来测量旋转轴的位置和转速。分为“绝对式位置编码器”和“增量式轴编码器”，“绝对式位置编码器”被用来测量转轴的实际位置，这种编码器常被用于伺服系统中来获得一定的转轴位置。“增量式轴编码器”常被用来测量转轴的转速(速率和方向)。增量式轴编码器可以产生直接对应于轴转速的脉冲序列，如果采用有两相信号输出的增量式轴编码器，那么脉冲序列就可以直接表示出电机的旋转方向。(2)模拟转速计它也被
