畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于光電管的智能車硬件設(shè)計(jì)

1、 目錄目錄i摘要iiiabstractiv第一章 緒論11.1 引言11.2 智能汽車比賽簡(jiǎn)介11.3 智能汽車研究目的和意義21.4 論文結(jié)構(gòu)2第二章 機(jī)械組件32.1 車模搭建32.2 舵機(jī)安裝32.3 輪胎調(diào)整42.4 底盤調(diào)整52.5 編碼電機(jī)安裝5第三章 硬件電路模塊方案63.1 電源與接口模塊63.2 傳感器模塊73.2.1 紅外管與紅外接收管73.2.1 聚光led燈與光敏電阻93.2.2 激光管與激光接收管93.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊93.4 測(cè)速模塊93.5 數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機(jī)方案10第四章 模塊方案設(shè)計(jì)114.1 電源與接口模塊設(shè)計(jì)114.1.1 電源電路114.1.2 接口電

2、路124.1.2 系統(tǒng)轉(zhuǎn)接板144.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)154.2.1 傳感器電路測(cè)試154.2.2 傳感器pcb板設(shè)計(jì)164.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路184.4 測(cè)速模塊194.5 數(shù)據(jù)傳輸與上位機(jī)204.5.1 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)204.5.2 上位機(jī)模塊21第五章 組裝系統(tǒng)22第六章 設(shè)計(jì)總結(jié)23參考文獻(xiàn)25附錄26致謝29誠(chéng)信承諾書30基于光電管的智能車硬件設(shè)計(jì)摘要全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽是在規(guī)定的模型汽車平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過(guò)增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編寫相應(yīng)軟件，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時(shí)

3、間最短者為優(yōu)勝。制作智能汽車所涉及的專業(yè)知識(shí)包括控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，對(duì)大學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)汽車電子技術(shù)的發(fā)展，具有良好的長(zhǎng)期的推動(dòng)作用。在實(shí)現(xiàn)智能車的過(guò)程中我們采用了各種的方案比對(duì)，對(duì)所有電路進(jìn)行模塊化接口化處理，大大降低了電路在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，分為：電源接口模塊，傳感器模塊，測(cè)速模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，數(shù)據(jù)傳輸與上位機(jī)模塊等。然后通過(guò)接口連接在一起，實(shí)現(xiàn)工作穩(wěn)定的智能車硬件電路。他使用了傳感器，編碼電機(jī)，無(wú)線模塊，穩(wěn)壓管等作為重要的任務(wù)器件。實(shí)現(xiàn)了賽道識(shí)別，速度測(cè)控，賽車數(shù)據(jù)傳輸，電源穩(wěn)壓，速度控制等功能。 關(guān)鍵字 智能車，

4、傳感器，穩(wěn)壓電路，pcb設(shè)計(jì) freescale smart carelectronic hardware design groupabstract national university freescale cup competition in the provision smart car model car platform, using freescale semiconductors 8-bit, 16-bit microcontroller as the core control module, by increasing the road sensors, motor drive

5、 circuit and the preparation ofcorresponding software, make a road to self-identify model car, in accordance with the stipulated way to complete the shortest time for the better.smart cars are involved in production of professional knowledge, including control, pattern recognition, sensor technology

6、, automotive electronics, electrical, computer, machinery and many other disciplines, and students practical hands-on knowledge integration and ability, the development of automotive electronics,has good long-term boost. in the process of intelligent vehicle we use a variety of programs than for all

7、 circuit modular interface processing, greatly reduces the circuit in the realization of the process error, divided into: the power interface module, sensor module, measuringspeed module, motor drive module, data transfer and pc module.then connected through the interface to achieve stability in the

8、 work of intelligent vehicle hardware.he used the sensor, coding machine, the wireless module, such as an important regulator of the task of the device.track to achieve the recognition, measurement and control the speed, the car data transmission, power regulator, speed control and other functions.k

9、ey words smart car, sensor, voltage regulator, pcb design第一章 緒論1.1 引言汽車是人類利用科學(xué)改變生活的開始，從工業(yè)革命蒸汽開始到電氣化然后是智能化，汽車始終代表著人們生活中的科技實(shí)用領(lǐng)域。在科技的推動(dòng)下，汽車也即將步入智能化。所謂的智能汽車就是無(wú)人駕駛的汽車，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)駕駛，可以達(dá)到火車一樣的安全可靠駕駛。給人們的出行安全帶來(lái)更大的保障，火車之所以安全是因?yàn)樗幸粋€(gè)很可靠的鐵軌，只要鐵軌安全也就能保證火車常年的運(yùn)行而不出問(wèn)題?？萍际潜仨殲樯罘?wù)的，所以智能汽車即將也能成為生活的主導(dǎo)交通工具。它們可靠通過(guò)可靠的程序，靈敏的傳感系

10、統(tǒng)，高速的處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車更加安全的行駛，相信在以后的發(fā)展中會(huì)給人們生活帶來(lái)更大的便利。 制作智能汽車所涉及的專業(yè)知識(shí)包括控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，對(duì)大學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)汽車電子技術(shù)的發(fā)展，具有良好的長(zhǎng)期的推動(dòng)作用。1.2 智能汽車比賽簡(jiǎn)介 “飛思卡爾杯”智能車大賽起源于韓國(guó)，是韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以hcsl2單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。2006年引入中國(guó)舉辦第一屆邀請(qǐng)賽。 全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽是在規(guī)定的模型汽車平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制

11、模塊，通過(guò)增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編寫相應(yīng)軟件，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。 該競(jìng)賽以飛思卡爾半導(dǎo)體公司為協(xié)辦方，自2006年首屆舉辦以來(lái)，成功舉辦了三屆，得到了教育部吳啟迪副部長(zhǎng)、張堯?qū)W司長(zhǎng)及理工處領(lǐng)導(dǎo)、飛思卡爾公司領(lǐng)導(dǎo)與各高校師生的高度評(píng)價(jià)，已發(fā)展成全國(guó)30個(gè)省市自治區(qū)170余所高校廣泛參與的全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽。2008年第三屆被教育部批準(zhǔn)列入國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目中9個(gè)科技人文競(jìng)賽之一（教高函200730號(hào)文，附件2），2009年第四屆被邀申請(qǐng)列入國(guó)家教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程資助項(xiàng)目。1.3 智能汽車研究目的和意義智

12、能控制系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活中，而汽車作為已經(jīng)產(chǎn)生了上百年的技術(shù)產(chǎn)品，智能化卻遲遲沒(méi)有跟上腳步。這是由于汽車在行駛中需要考慮太多的參考條件，一般的智能系統(tǒng)是無(wú)法完成這么多條件判斷的。因此雖然也有很多的智能系統(tǒng)應(yīng)用于汽車，但是都不能實(shí)現(xiàn)到汽車的控制上。其實(shí)人們并不是不敢去開發(fā)智能汽車，在技術(shù)發(fā)展中也出現(xiàn)過(guò)很多模式的只能汽車現(xiàn)代智能小車從其誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展到了第三代。第一代智能小車是示教再現(xiàn)型智能小車。它們裝有記憶存儲(chǔ)器，由人將作業(yè)的各種操作要求示范給智能小車，使之記住操作的程序和要領(lǐng)。當(dāng)它接到再現(xiàn)命令時(shí)，則自主地再現(xiàn)示教的動(dòng)作。第二代智能小車是裝有簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)和簡(jiǎn)單傳感器的離線編程的工業(yè)智

13、能小車。它能感知外界信息和進(jìn)行“思維”，比紹一代智能小車更靈活、更能適應(yīng)環(huán)境變化的需要。第三代是智能小車。智能小車是“其有感知、思維和動(dòng)作的機(jī)器”。它裝有多種傳感器，能識(shí)別作業(yè)環(huán)境，能自主決策，具有人類大腦的部分功能，且動(dòng)作靈活，是人工智能技術(shù)發(fā)展到高級(jí)階段的產(chǎn)物。只要技術(shù)水平達(dá)到了能夠減少汽車在生活中的事故，那么智能汽車也將向火車一樣給人們的生活帶來(lái)跟多的便利和安全。1.4 論文結(jié)構(gòu) 為了更加方便智能車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在計(jì)劃前期我們就采用模塊化原理，對(duì)智能車實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)。這樣不僅提高了設(shè)計(jì)的工作效率，電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)也簡(jiǎn)單，模塊與模塊之間只要進(jìn)行接口處理就能實(shí)現(xiàn)，而且如果出現(xiàn)故障更換模塊方便。論文

14、以模塊實(shí)現(xiàn)步驟分布完成。第一章：緒論（介紹智能車的發(fā)展以及比賽情況）第二章：機(jī)械組件（車模組裝與調(diào)試）第三章：模塊方案（比較硬件電路模塊的可行性方案）第四章：模塊方案設(shè)計(jì)（確定了模塊方案的電路實(shí)施過(guò)程以及遇到問(wèn)題）第五章：組裝系統(tǒng)（系統(tǒng)模塊的組裝）第六章：論文總結(jié)（總結(jié)設(shè)計(jì)情況）第二章 機(jī)械組件2.1 車模搭建首先我們拿到車模要先查看車模清單是否有少的部件，然后才開始組裝。車模原裝的底盤上有安裝好的的電機(jī).輪胎.后輪軸上已經(jīng)裝好了齒輪。電機(jī)的位置可以通過(guò)螺絲來(lái)調(diào)整它與齒輪的距離。一般情況不要調(diào)節(jié)電機(jī)位置，因?yàn)檐嚹樗芰隙啻握{(diào)節(jié)可以引起螺絲松動(dòng)。在裝配過(guò)程中廠商會(huì)提供很多墊片，要分清他們的用途并

15、且保存好他們，因?yàn)樵谡{(diào)試過(guò)程中可以用來(lái)修改汽車的機(jī)械參數(shù)。2.2 舵機(jī)安裝舵機(jī)是一個(gè)汽車能把握方向的唯一因素，舵機(jī)的安裝位置和方式將決定汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)角度大小和靈敏度。安裝圖示上會(huì)提供一些安裝的方法，但是這些只能是作為參考，如果你想你的汽車能夠比別人轉(zhuǎn)的角度更大更快，你就必須做與眾不同的設(shè)計(jì)。例如：必須把舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩加長(zhǎng)，通過(guò)這樣來(lái)提高舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏度。下面列舉兩種方式安裝舵機(jī)。1. 舵機(jī)橫向貼底盤安裝法如下圖2.1所示：圖2.1 橫向舵機(jī)安裝圖 舵機(jī)豎直中間安裝方法如下圖2.2所示：圖2.2 豎直舵機(jī)安裝圖 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：橫向安裝方便，因?yàn)檐嚹Ｌ峁┑目臻g剛好適合于安裝舵機(jī)而無(wú)需做支架。但是會(huì)有很

16、嚴(yán)重的問(wèn)題就是他會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向時(shí)左右的最大轉(zhuǎn)角不一樣大。從而導(dǎo)致汽車在轉(zhuǎn)向的時(shí)候出現(xiàn)同樣一個(gè)彎道，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)一邊回很順利另外一邊回很吃力或者出線。在力矩加長(zhǎng)的情況下這樣的情況會(huì)好轉(zhuǎn)，但是還是會(huì)有很大的差別。如果用舵機(jī)置于中間的裝配方法，則能很好克服著項(xiàng)缺點(diǎn)，因?yàn)槭莾赊D(zhuǎn)向桿與地面平行而且長(zhǎng)度一樣所以當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)角度也一樣，能達(dá)到很高的控制效果。但是這樣的設(shè)計(jì)安裝起來(lái)非常的麻煩必須要做很牢固可靠的支架，因?yàn)樵谄囆旭傔^(guò)程中轉(zhuǎn)向桿會(huì)給舵機(jī)帶來(lái)很大的扭力而且容易損壞舵機(jī)。 由于是第一次做比賽，所以考慮到支架需要專業(yè)的工具才能完成，所以我們選擇了第一種方案，為了克服左右轉(zhuǎn)向不一的問(wèn)題，我

17、們對(duì)車模與輪胎接觸的邊緣進(jìn)行打磨，增大最大角度。2.3 輪胎調(diào)整為了增加前輪轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)前輪相關(guān)部分進(jìn)行了部分改動(dòng)。首先，更改前后墊片的數(shù)量，使前輪主銷后傾，這樣，車輪具有更好的自動(dòng)回正功能。其次，更改連桿的長(zhǎng)度，使車輪內(nèi)傾，使車前輪形狀近似“內(nèi)八字”，車輪轉(zhuǎn)彎時(shí)，前半部分重心上移，促使賽車轉(zhuǎn)彎更加穩(wěn)定。再次，我們通過(guò)更改舵機(jī)連桿的長(zhǎng)度，增加前輪前束，同樣增加了前輪的穩(wěn)定性。后輪我們也做了相應(yīng)的處理，更換后輪輪距調(diào)節(jié)塊，使后輪兩輪之間間距加大。這樣，車在轉(zhuǎn)彎時(shí)不容易產(chǎn)生側(cè)滑。其次，調(diào)節(jié)后輪差速，使賽車轉(zhuǎn)彎更加靈活。2.4 底盤調(diào)整 為了提高賽車運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)底盤相關(guān)部分作了部分改動(dòng)。

18、首先，前輪相關(guān)位置加墊片，降低了前輪重心。其次，更改后輪車軸處的調(diào)節(jié)塊，使后輪重心升高，這樣，車身前傾，一定程度上，增加了車的穩(wěn)定性。2.5 編碼電機(jī)安裝 編碼電機(jī)使用齒輪方式安裝在汽車尾部，通過(guò)加工的支架固定，支架設(shè)計(jì)成可調(diào)的的方式，可以調(diào)節(jié)它與后此輪的耦合度，因?yàn)槿绻詈咸笥绊懫囁俣?，而且行駛時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量噪音，如果耦合過(guò)小會(huì)打滑對(duì)速度控制產(chǎn)生影響。 第三章 硬件電路模塊方案硬件電路模塊主要有：1. 電源與接口模塊2. 傳感器模塊3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊4. 測(cè)速模塊5. 數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機(jī)3.1 電源與接口模塊對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)供電是首要的，沒(méi)有供電什么都無(wú)法運(yùn)行，所以做好電源并且保證他能

19、給我們的系統(tǒng)和模塊提供更高的電源質(zhì)量是非常重要的。整個(gè)系統(tǒng)采用大賽指定的7.2v 2000mah ni-cd蓄電池作為系統(tǒng)能源，并且通過(guò)降壓穩(wěn)壓電路分出6v，5v分別給舵機(jī)和單片機(jī)以及無(wú)線模塊和傳感器模塊供電使用。核心控制模塊采用組委會(huì)提供的hc9s12xs128模塊，他提供了128個(gè)接口插槽。我們沒(méi)有全部用到，但是要把所要用到的口引出來(lái)，所以我們決定把電源降壓和接口集成在一塊轉(zhuǎn)接板上。來(lái)實(shí)現(xiàn)供電和接口轉(zhuǎn)接的功能模塊。在下章節(jié)里我再詳細(xì)介紹接口電路與電源電路集成模塊?，F(xiàn)在先介紹我們?cè)陔娫茨K實(shí)現(xiàn)的方案。大賽指定7.2v 2000mah ni-cd蓄電池，我們所要設(shè)計(jì)的變壓有6v，5v其中舵機(jī)6

20、v 傳感器編碼電機(jī)跟無(wú)線模塊，最小系統(tǒng)供電都為5v。系統(tǒng)供電圖如下圖3.1所示： 圖3.1系統(tǒng)供電框圖 能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的5v，6v的穩(wěn)壓電路很多，我們需要的是一個(gè)穩(wěn)定的電壓給模塊供電當(dāng)電池電壓變得很低時(shí)也能正常工作的電路，在試驗(yàn)中我們必須知道什么是我們最需要的。找到各樣的穩(wěn)壓管參數(shù)進(jìn)行比較。例如：我們比較lm2940和7805以及tl431之間的區(qū)別，同樣是穩(wěn)壓管lm2940比7805的轉(zhuǎn)換效率高。7805直接輸入不接輸出的情況下，其內(nèi)部還會(huì)有3ma的電流消耗（靜態(tài)電流）。而ldo元件的靜態(tài)電流就比它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小得多了,2940就屬于ldo元件。tl431的負(fù)載能力很弱，輸出電流很小，因此常作為參考電

21、壓源使用。lm2940才是專為大功率供電使用的。 通過(guò)類似這樣的篩選，我們確定用lm2940作為5v穩(wěn)壓電路，用lm1117作為6v穩(wěn)壓電路。lm1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2v輸出，負(fù)載電流為800ma時(shí)為1.2v，lm1117有可調(diào)電壓的版本，通過(guò)2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.2513.8v輸出電壓范圍。因?yàn)榭紤]到我們的舵機(jī)為了提高其工作效率，可能會(huì)采取提高電壓的方式，所以外部電阻采用可調(diào)的精密電位器調(diào)節(jié)電壓達(dá)到6v的輸出。3.2 傳感器模塊傳感器應(yīng)該算是硬件部分的主導(dǎo)技術(shù)了，一輛車能否跑快取決于它如何去分辨這條道路，分辨率越高你就越能看清楚前方道路，也就能做到最好的判斷。更加

22、完美的完成，所以這里也是本論文的重點(diǎn)，如果說(shuō)攝像頭組是給汽車裝了個(gè)眼睛的話，那我們的光電組也能算上蝸牛的觸角了。光電傳感器一般由兩部分組成：發(fā)射管和接收管。發(fā)射管發(fā)射光線，光線經(jīng)過(guò)賽道的反射，由接收管接收到，通過(guò)不同的光強(qiáng)接收管的狀態(tài)不同，實(shí)現(xiàn)賽道信息的采集。因?yàn)榘咨秃谏珜?duì)于光線的反射系數(shù)不同，反射回的光線強(qiáng)度也不同，被不同的接收單元接收到后，表現(xiàn)出不同的狀態(tài)（如電阻值的變化，或者電流或電壓的變化）。 下面列舉各種傳感器實(shí)現(xiàn)方案：3.2.1 紅外管與紅外接收管紅外管可以分為兩總組合方式，分離式和對(duì)管，分離式就是說(shuō)發(fā)射管和接收管是分開的，他們的發(fā)射接收角是可變的，可以自動(dòng)的調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳效果。

23、原理如圖3.2所示： 圖3.2分離發(fā)射管圖 由上圖能看出分離式光電接收管可以有更好的前瞻性，但是由于慢反射的角度可變，而且非常小，如果接收管沒(méi)有很好的靈敏度，在區(qū)分黑白賽道顏色時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)就會(huì)很小只有20-50mv的壓差，不能用做信號(hào)輸出。所以角度的調(diào)整和接收管的挑選時(shí)很困難的事情，而且貴州地區(qū)能買到的只有很少型號(hào)的接收管。 另外的就是光電對(duì)管了，也就是我們最后采用的實(shí)現(xiàn)方式，它的發(fā)射管和接收管方向是平行的，封裝在一起，接收管的定向性比較好，而且比分離的接收管靈敏度高很多，安裝也方便。但是由于平行安裝，如果與地面角度過(guò)于小就會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)數(shù)字變小。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量光電管與地面保持700 左右的角度最為

24、合適。只有的方式只要是能保證對(duì)管能有較高的區(qū)分電壓能達(dá)到1-2v就達(dá)到信號(hào)輸出標(biāo)準(zhǔn)了。如下圖3.3所示： 圖3.3光電對(duì)管反射3.2.1 聚光led燈與光敏電阻聚光led與光敏電阻搭配，其實(shí)與紅外光管分離式是一樣的原理，但是由于比賽場(chǎng)地大多都用大功率的鈉燈照明，所以考慮到可見(jiàn)光對(duì)光敏電阻干擾過(guò)大，所以我們?cè)跍?zhǔn)備初期就不取用這種方法了。3.2.2 激光管與激光接收管激光管和激光對(duì)管其實(shí)電路實(shí)現(xiàn)是一樣的，同樣是通過(guò)接收管的電壓或者電流變換得到的信號(hào)。不同的是他采用了透鏡成像原理，能探測(cè)到更遠(yuǎn)的距離，如果調(diào)試好的話可以達(dá)到一般攝像頭的距離。這是一個(gè)突破增強(qiáng)了前瞻性，車子可以預(yù)先準(zhǔn)備，可以更好的控制速

25、度，速度可以更快。透鏡成像原理如下圖3.4所示： 圖3.4透鏡成像原理這里物象可以用激光接收管來(lái)做，當(dāng)在一定范圍內(nèi)，激光點(diǎn)打在賽道上成像的倒影會(huì)打在接收管上。要注意的是這個(gè)物象是倒影，在對(duì)焦和固定透鏡的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大麻煩。每對(duì)管子都必須對(duì)焦，預(yù)防交叉干擾。綜合上述的方案，我們選擇性能更加可靠的紅外光電對(duì)管，當(dāng)然激光是個(gè)不錯(cuò)的選擇但是我們第一次做比賽，不得不選擇更加安全保險(xiǎn)的方式。而且時(shí)間不夠，我們掌握激光透鏡原理調(diào)試要花費(fèi)很多時(shí)間。況且紅外對(duì)管的穩(wěn)定性好，也方便調(diào)試。具體實(shí)現(xiàn)方法將在第四章介紹。3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 目前有兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，用飛思卡爾專用的33886，和自己制作的mosfet電

26、路。由于實(shí)踐證明光電組的速度沒(méi)有達(dá)到要用mosfet來(lái)供電的范疇，所以我們只考慮的33886來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.4 測(cè)速模塊 速度測(cè)量反饋回來(lái)的信號(hào)用于控制速度，可以提供變速的條件依據(jù)。這里可以用做測(cè)速的可以用紅外對(duì)管，也可以用霍爾元件來(lái)自己制作，但是精度不夠，影響速度控制，而且需要制作編碼盤，打孔。主要是安裝復(fù)雜，我們?nèi)鄙倌Ｐ椭谱鞴ぞ叩那闆r下，我們選擇購(gòu)買現(xiàn)成的編碼電機(jī)，主要可以節(jié)省我們的時(shí)間和精力。3.5 數(shù)據(jù)傳輸模塊與上位機(jī)方案對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸我們采取了兩種：有線傳輸 就是直接通過(guò)上位機(jī)串口接單片機(jī)串口傳輸。這樣的方式直接而且成本低，可以對(duì)質(zhì)量較大的串口線做改變，使用一些質(zhì)量較輕的線代替，在小

27、車行駛中不會(huì)產(chǎn)生太大的干擾。無(wú)線傳輸 使用無(wú)線模塊傳輸，就關(guān)電組來(lái)說(shuō)所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常少我們采用高頻傳輸?shù)臒o(wú)線模塊，完全能夠傳輸我們采集的數(shù)據(jù)和小車運(yùn)行參數(shù)。對(duì)于上位機(jī)的編寫有很多方式，有各種的編程軟件都可以實(shí)現(xiàn)，可以選擇c+,vb，java等。而對(duì)于控制類的編程來(lái)說(shuō)我們使用的是labview 8.5，這是一款可視化的專業(yè)控制編程軟件。它所有的控制都是可視化的控件組成，而且可以提供很多圖形模式，能讓我們汽車運(yùn)行的數(shù)據(jù)看起來(lái)更加的直觀。第四章 模塊方案設(shè)計(jì)在挑選模塊的實(shí)現(xiàn)方式后我們進(jìn)入到最重要的環(huán)節(jié)，就是模塊電路的實(shí)現(xiàn)。4.1 電源與接口模塊設(shè)計(jì)4.1.1 電源電路為了能使智能車系統(tǒng)能正常工

28、作，需要對(duì)電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識(shí)別傳感器模塊、測(cè)速模塊電路需要5v電壓，伺服電機(jī)工作電壓范圍是4.8v到6v，因此我們給其接到6v上。直流電機(jī)是用7.2v的電池直接供電。根據(jù)方案對(duì)比我們選用了lm2940 與lm1117來(lái)實(shí)現(xiàn)5v和6v的穩(wěn)壓。下面分別介紹我們?cè)谑褂胠m2940 和lm1117的電路。lm2940 5v穩(wěn)壓電路5v穩(wěn)壓電源模塊不只為s12單片機(jī)供電，而且還要為傳感器和無(wú)線模塊等供電考兩次到小車可能做頻繁的加速，減速動(dòng)作使得電池兩端電壓會(huì)有較大的波動(dòng)，因此為了確保系統(tǒng)能正常工作避免單片機(jī)意外的重啟，在電源輸入端加上旁路電容。如圖4.1所示，為了消除來(lái)自電源的干

29、擾，在輸入端分別接入了電容值比較大的的電解電容和瓷片電容。圖4.1 lm2940 穩(wěn)壓電路 lm1117 6v穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓芯片選擇低電壓差的lm1117。其輸出電壓和輸入電壓差可以低到1.3v，而電池電壓高于7.2v,因此lm1117滿足6v穩(wěn)壓要求。通過(guò)運(yùn)用公式v=1.25*（1+r2/r3）調(diào)節(jié)可變電阻r2，可以得到輸出電壓穩(wěn)定到6v。實(shí)驗(yàn)證明lm1117能夠?yàn)槎鏅C(jī)提供穩(wěn)定的電壓，在賽車運(yùn)行中，電壓的波動(dòng)范圍在5.88-6.08v之間，能夠很好的維持舵機(jī)的穩(wěn)定工作。下面是lm1117原理電路如圖4.2所示： 圖4.2 lm1117穩(wěn)壓電路電源模塊介紹完了，基本電路很簡(jiǎn)單。下面介紹接口。 4

30、.1.2 接口電路我們要用到的單片機(jī)是s12xs128，他提供128個(gè)接口，我們用pp3用于舵機(jī)控制， pp1 pp5 用于33886 out1 out2輸出,pj6 pj7用于光電管組控制，pj0 pj1 33886,txd0/ps1 rxd0/ps0 無(wú)線串口輸入輸出,an0-an11用于光電輸入a/d轉(zhuǎn)換。比賽官方提供的最小系統(tǒng)版如圖4.3所示：圖4.3系統(tǒng)板構(gòu)造圖 他對(duì)應(yīng)的管腳圖如圖4.4所示：圖4.4 單片機(jī)接口表 我們必須取出我們所需要用到的端口，然后引出來(lái)到電路板上，為其他模塊提供接口。在設(shè)計(jì)中我們只取用我們需要用到的口的管腳，因?yàn)橄到y(tǒng)版是插槽式的，所以我們只要在需要用的口設(shè)置插

31、針然后引出來(lái)就可以了。接口電路原理圖如下圖4.5所示： 圖4.5 轉(zhuǎn)接板電路圖 排布在中間的是穩(wěn)壓電路，然后輸出相應(yīng)的電壓。兩邊的插孔是單片機(jī)插孔引出的對(duì)應(yīng)的模塊接口，用于鏈接相應(yīng)的模塊電路。4.1.2 系統(tǒng)轉(zhuǎn)接板系統(tǒng)轉(zhuǎn)接板就是集合電源模塊和接口模塊在一起的系統(tǒng)板，他將是以單片機(jī)為中心的控制單元平臺(tái)，也是各個(gè)模塊的供電和接口平臺(tái)。把所有的模塊接口綜合在一起也方便檢測(cè)模塊的工作是否穩(wěn)定，如果模塊出問(wèn)題也方便更換。在設(shè)計(jì)pcb版中雖然電源電路，我們遇到的問(wèn)題是我們只能制作單面的pcb版，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)可能會(huì)出現(xiàn)很多的跳線，這也是不可避免的。也需要做很大的調(diào)整才能更好的減少跳線的使用，加強(qiáng)系統(tǒng)版的穩(wěn)定

32、性。pcb板如圖4.6所示：圖4.6 電源接口模塊pcb板圖實(shí)物圖見(jiàn)附錄圖附2轉(zhuǎn)接板原圖。4.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)4.2.1 傳感器電路測(cè)試第三章節(jié)中，我們挑選了st188光電對(duì)管作為傳感器使用，st188是采用的高發(fā)射功率的紅外發(fā)射管，和高靈敏度的紅外接收管組成。其工作特性和外形如下圖4.7所示:圖4.7 st188 參數(shù) 參數(shù)給定了，我們需要做一些測(cè)試，例如光電管各種垂直距離的黑白賽道數(shù)值時(shí)多時(shí)，以及標(biāo)準(zhǔn)賽道情況下我們?nèi)绾伟卜殴怆姽鼙容^合適。同一批號(hào)的光電管也會(huì)出現(xiàn)不同的參數(shù)，所以我們必須經(jīng)過(guò)測(cè)試電路來(lái)選擇參數(shù)更加接近的，這樣能更好的讓程序判別黑白賽道。下面是我所做的測(cè)試電路以及光電管測(cè)試過(guò)

33、程。如圖4.7所示： 圖4.7 光電管測(cè)試電路 上圖左為簡(jiǎn)單的測(cè)試電路圖，其中1k的精密電位器是用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射管功率的，經(jīng)過(guò)測(cè)試為100比較合適，我們選用直接從較大電阻20k中取出電壓值，這樣方便電路的設(shè)計(jì)，而且取出的電壓值能達(dá)到理想的范圍。右圖為測(cè)試模型圖，使用白色kt板寬度60cm，中間貼上寬為2.5cm的黑色膠帶。3接下來(lái)做好測(cè)試支架開始在垂直1.5cm-3cm距離進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表4.1所示：表4.1光電管測(cè)試數(shù)據(jù)高度 st188號(hào)1號(hào)黑白v2號(hào)黑白v3號(hào)黑白v4號(hào)黑白v5號(hào)黑白v6號(hào)黑白v7號(hào)黑白v8號(hào)黑白v9號(hào)黑白v10號(hào)黑白v11號(hào)黑白v12號(hào)黑白v1.5cm0.25v4.8

34、0v0.22v4.70v0.20v4.9v0.18v4.70v0.17v4.69v0.18v4.83v0.25v4.99v0.22v4.89v0.21v4.98v0.23v4.77v0.28v4.87v0.28v4.88v2.0cm0.27v4.52v0.25v4.45v0.24v4.64v0.22v4.47v0. .21v4.43v0.22v4.45v0.24v4.47v0.27v4.47v0.25v4.33v0.27v4.35v0.28v4.70v0.30v4.72v2.5cm0.23v4.02v0.22v4.00v0.27v3.85v0.22v4.22v0.19v4.02v0.24v3.

35、86v0.20v3.98v0.19v3.78v0.25v3.79v0.27v4.08v0.22v4.05v0.23v4.07v3.0cm0.30v3.02v0.23v3.10v0.21v2.78v0.23vv2.37v0.24v2.54v0.29v2.58v0.27v2.46v0.40v2.88v0.32v2.96v0.32v2.86v0.38v3.05v0.40v3.24v通過(guò)上表分析在1.5cm-3cm這段測(cè)試距離中穩(wěn)定段在2.0cm-2.5cm之間，雖然3.0cm距離的數(shù)據(jù)可以使用但是支架過(guò)高抖動(dòng)系數(shù)不利于數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)在測(cè)試過(guò)程中由于支架定位不穩(wěn)定所以也可能產(chǎn)生誤差。實(shí)驗(yàn)室照明和比賽照

36、明條件也不一樣也會(huì)影響到測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。但是我們得到的數(shù)據(jù)顯示這批光電對(duì)管在一定的環(huán)境下工作是穩(wěn)定的，數(shù)值相差不大，所以決定開始做開始pcb電路板設(shè)計(jì)。在電路板設(shè)計(jì)中，我們制作了多塊板子，其中買到的st188有兩種型號(hào)，l3和l4經(jīng)過(guò)測(cè)試l4的接收距離比l3遠(yuǎn)，但是l4的每個(gè)管子的參數(shù)差距太大。而且制作出來(lái)的傳感器對(duì)環(huán)境的要求高，容易受光線干擾。4.2.2 傳感器pcb板設(shè)計(jì) 把上訴電路應(yīng)用到實(shí)際的電路板設(shè)計(jì)中，首先我們必須考慮到賽道的檢測(cè)，和接口的問(wèn)題。賽道規(guī)定的是：黑線寬度25mm，賽車可以沿著黑線自主循線。當(dāng)任何時(shí)刻只有一路傳感器在黑線上的情況（每?jī)蓚€(gè)傳感器之間的間距是25mm），傳感

37、器由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種狀態(tài)所移動(dòng)的距離，即有效距離為：25mm。當(dāng)有時(shí)有一路傳感器在黑線上，有時(shí)有兩路傳感器在黑線上的情況下（12.5mm傳感器兩兩間距25mm）。如圖4.8所示：圖4.8傳感器設(shè)計(jì)圖試驗(yàn)初期我們選用a形方案，而且在電路上仍然采用緊密電位器調(diào)節(jié)發(fā)射功率。這樣做起到了不錯(cuò)的效果，就算環(huán)境不理想，我們可以改變光電管發(fā)射功率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。但是發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)汽車進(jìn)入彎道時(shí)候如果轉(zhuǎn)向不理想250mm長(zhǎng)的傳感器電路板顯得過(guò)于長(zhǎng)，最邊上的光電管容易檢測(cè)到賽道以外的地方引，引起程序判別錯(cuò)誤，認(rèn)為黑線在賽道以外因而轉(zhuǎn)向跑出賽道。后來(lái)經(jīng)過(guò)考慮我們采用了b形排列方式，這樣做檢測(cè)的精度也會(huì)得到有效的

38、提高，因?yàn)樵诔绦驁?zhí)行中要檢測(cè)到最邊上的光電管程序才會(huì)讓舵機(jī)打死，所以距離小了也提高了反應(yīng)速度。下面是我們制作的pcb版圖，因?yàn)樵瓉?lái)是單面板制作所以需要做很多的調(diào)整，在論文設(shè)計(jì)中我又按照原來(lái)的模型做了雙面板的pcb圖，效果要比單面板好很多。如下圖4.9所示：圖4.9傳感器pcb板 在焊接電路時(shí)候一定注意元件位置的安排，因?yàn)榭紤]到電阻是可以以其他方式放置的所以沒(méi)有我們只用做兩個(gè)焊盤代替就可以，在實(shí)際安裝的時(shí)候一定要了解它的位置和電阻值，我們直接用于pcb板設(shè)計(jì)后，把接地的12端集合，然后為了防止干擾我們把光電管間隔分為兩組。分別用接口中的pj6 pj7口通過(guò)9012 或者8050開關(guān)三極管來(lái)交替點(diǎn)

39、亮。這樣也能降低光電管的功率消耗。這里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，就是關(guān)于接口的排序，因?yàn)槌鲇陔娐吩O(shè)計(jì)的考慮我們必須按照能排布的方式設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接板模塊的接口排序，光電管我們也只能按照光電管的設(shè)計(jì)思路來(lái)排布接口所以兩邊不能達(dá)到對(duì)接，必須有在排線序列上做一些調(diào)整，這些對(duì)應(yīng)的口在排布對(duì)齊能工作后必須迅速固化起來(lái)，避免在之后的測(cè)試中脫落后出現(xiàn)不必要的麻煩。經(jīng)過(guò)多次的設(shè)計(jì)后我們光電管基本達(dá)到能適應(yīng)很多變化的環(huán)境，而且工作穩(wěn)定。實(shí)物圖見(jiàn)附錄圖4傳感器原圖。這樣我們的傳感器模塊就基本制作完成了。下面一節(jié)我們對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行實(shí)用設(shè)計(jì)。4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用飛思卡爾專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片mc33886。驅(qū)動(dòng)電路如圖

40、4.6 所示。為了增大驅(qū)動(dòng)能力，減少單個(gè)33886的發(fā)熱量，我們采用兩片mc33886 并聯(lián)的方案。系統(tǒng)使用pwm 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，充分利用單片機(jī)的pwm 模塊資源。電機(jī)pwm 頻率設(shè)定為8khz。 由于mc33886芯片的工作電壓為5-40v，導(dǎo)通電阻為140毫歐姆，pwm頻率小于10khz，具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等功能。因此這種芯片是很好用的。我們將電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片安裝在制作的電機(jī)驅(qū)動(dòng)pcb板上，在pcb 板設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到芯片散熱問(wèn)題，在mc33886上我們安裝了散熱片，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行效果表明這種設(shè)計(jì)較好的達(dá)到了要求。為了防止電動(dòng)機(jī)突然停止時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，我們?cè)陔妱?dòng)機(jī)的兩端焊接了一個(gè)0

41、.1f 濾波電容。 其功能電路如圖4.10所示： 圖4.10 雙片33886驅(qū)動(dòng)電路 原圖如附錄圖3電機(jī)驅(qū)動(dòng)原圖所示。4.4 測(cè)速模塊 測(cè)速模塊我們采用的是編碼電機(jī)，他每一個(gè)周期能采集200個(gè)數(shù)發(fā)送到單片機(jī)上。這個(gè)采集量足夠我們很準(zhǔn)確的判斷汽車的速度，編碼電機(jī)共有3個(gè)接口電源，地，以及數(shù)據(jù)。速度模塊真正遇到問(wèn)題是安裝的問(wèn)題，由于找到相同口徑的齒輪很困難，我們只好找到一些廢棄的玩具汽車，用他們的齒輪來(lái)進(jìn)行改裝。也可以采用皮帶的方式，但是皮帶容易打滑，可能影響到編碼電機(jī)的發(fā)送。所以還是使用齒輪。這樣可以通過(guò)齒輪的比例來(lái)計(jì)算在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，編碼電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)多少圈從的得到更精缺的數(shù)據(jù)。具體安裝需要加工模型

42、把編碼電機(jī)很好的固定在與后輪傳動(dòng)軸的同軸方向上。并且保持齒輪與齒輪的結(jié)合度不能過(guò)高或者過(guò)低，使用鉛筆粉來(lái)潤(rùn)滑，這樣可以不像使用潤(rùn)滑油一樣會(huì)產(chǎn)生污染到其他組件。具體裝配圖如圖4.11所示：圖4.11 編碼電機(jī)安裝圖4.5 數(shù)據(jù)傳輸與上位機(jī)4.5.1 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)在汽車調(diào)試過(guò)程中我們必須保證能檢測(cè)到智能車運(yùn)行的數(shù)據(jù)，如果用有限鏈接的話不方便調(diào)試所以必須采用有一定數(shù)據(jù)傳輸能力的無(wú)線模塊，用于汽車和上位機(jī)的鏈接，這里我們選用了sz05系列的嵌入式無(wú)線模塊，原理圖如下圖4.12所示：圖4.12 sz05無(wú)線模塊無(wú)線模塊分別用于上位機(jī)串口端，和單片機(jī)串口端，rx1接用戶系統(tǒng)輸出，tx1接系統(tǒng)輸入，然后接上

43、電源和地就能實(shí)現(xiàn)正常通信。波特率設(shè)置為115200。原圖如附錄圖5無(wú)線模塊原圖所示。10 4.5.2 上位機(jī)模塊上位機(jī)的編寫，用于監(jiān)視汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)。還需要控制汽車運(yùn)行狀態(tài)，停車或者起步。所以這樣的控制必須是更直觀的，我們才能更好的調(diào)試汽車。我們選用labview 8.5編寫，這是一個(gè)專門用于工程控制的軟件，他的編程都是可視化的。我們?cè)O(shè)置速度調(diào)節(jié)，傳感器狀態(tài)顯示，停車 啟動(dòng)，速度寫入，舵機(jī)調(diào)節(jié)等控制選項(xiàng)。能很好的采集控制汽車的運(yùn)行參數(shù)。界面如下圖4.13所示： 圖4.13 lebview上位機(jī)系統(tǒng)界面 其中右下界面是停車與運(yùn)行，小車狀態(tài)以及33886驅(qū)動(dòng)報(bào)警，右上方文本框可以在線寫入所要速度方向

44、參數(shù)，往左的看上面讀數(shù)的地方是可以現(xiàn)場(chǎng)采集傳感器的值這個(gè)更提高我們的傳感器適應(yīng)能力。往下是方向的角度盤可以觀察舵機(jī)偏轉(zhuǎn)情況，還可以寫入角度初始值來(lái)控制舵機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的偏差。最頂上條狀的是傳感器的顯示，每一個(gè)傳感器的值都在這里顯示。右邊是所記錄賽道障礙的標(biāo)示分別于十字線，起跑線，出道檢查。左下方式一個(gè)大的坐標(biāo)顯示，他可選速度，方向，馬達(dá)等各種控制的數(shù)據(jù)以坐標(biāo)曲線方式顯示?？刂岂R達(dá)轉(zhuǎn)速的占空比信號(hào)輸入，它將能直接控制馬達(dá)的輸出。 第五章 組裝系統(tǒng) 因?yàn)槲覀円呀?jīng)模塊化了所有的外圍電路，所以我們?cè)谙到y(tǒng)裝配的時(shí)候變得很簡(jiǎn)單，只要接口能正確的鏈接系統(tǒng)就能正常工作了。我們用pp3用于舵機(jī)控制， pp1 p

45、p5 用于33886 out1 out2輸出 ,pj6 pj7用于光電管組控制， pj0 pj1 33886,txd0/ps1 rxd0/ps0 無(wú)線串口輸入輸出,an0-an11用于光電輸入a/d轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)版模塊需要提供的接口：舵機(jī)口（vcc pp3 gnd 三口）,33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)（vcc pp1 pp5 pj0 pji gnd 六口）,傳感器口(pj6 vcc an0-an11 gnd pj7十六口 )，無(wú)線模塊口（vcc txdo rxdo gnd 四口）,編碼電機(jī)接口（vcc pp7 gnd）。 各模塊板接口：舵機(jī)口（vcc紅線 pp3藍(lán)線 gnd黑線 三口）,33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)

46、（vcc pp1 pp5 pj0 pji gnd 六口）使用排線,傳感器口(pj6 vcc an0-an11 gnd pj7十六口 )，無(wú)線模塊口（vcc txdo rxdo gnd 四口）使用16根排線,編碼電機(jī)接口（vcc pp7 gnd）。 除了舵機(jī)口和無(wú)線模塊口可以直接按順序鏈接外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)口和傳感器口需要交叉鏈接，具體鏈接如圖5.1所示：圖5.1 系統(tǒng)組裝接口圖其中有傳感器模塊接口比較復(fù)雜，由于an口是8個(gè)數(shù)據(jù)一起轉(zhuǎn)換方式，而光電管是分組開關(guān)點(diǎn)亮。所以必須把傳感器的an 0 2 4 6 8 10口接在系統(tǒng)板接口的an 0 1 2 3 4 5 ,而傳感器an 1 3 5 7 9 11 接在系統(tǒng)板的 an 6 7 8 9 10 11 上這樣才能正常轉(zhuǎn)換。基本系統(tǒng)就這樣搭建完成。 第六章 設(shè)計(jì)總結(jié)飛思卡爾智能汽車是一個(gè)智能系統(tǒng)，他需要有信息的來(lái)源這就是傳感器，而后信息的流向大腦也就是處理器。處理后然后流向反應(yīng)裝置電機(jī)。這就是一個(gè)完整智能系統(tǒng)的反應(yīng)鏈