基于光電傳感器自動循跡小車設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 流波形如下圖：圖37 ZNCD1043啟動時的電壓電流波形(2) 短路波形，電源電壓：8V，負載阻抗 歐姆，以下是波形，其中黃線為負載電壓波形，紫色為負載電流波形，藍色為報錯輸出波形，可以看到模塊短路情況下開始周期的關斷輸出以防止模塊過熱燒壞，并且在報錯輸出引腳輸出 高電平。ZNCD1043短路時的電壓電流波形如圖38所示：圖38 ZNCD1043短路時的電壓電流波形 舵機主要是用來控制智能車的運動方向，通過調節小車前輪轉動的角度來改變小車運動方向的。智能車的角度控制是通過單片機輸出 PWM 信號對舵機進行控制的，舵機內部有一個基準電路，能產生周期為 20ms，寬度為 的基準信號，當 PWM 信號輸入到舵機時，舵機內部產生一個直流偏置電壓，此電壓與電位器的電壓比較，將獲得電壓差輸出，最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定舵機的正反轉。因此，當單片機輸出一定占空比的 PWM 光電時，舵機就會轉動一定的角度。舵機的轉角與 PWM 脈寬的關系如圖39所示：圖39 舵機轉角與 PWM 脈寬的關系 路徑識別模塊是智能車系統的關鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關系到最終性能的優劣。我們組選擇的是光電組。傳感器的收發距離對于車子的前瞻性有著直接的影響。參考過往屆光電組的設計報告，發覺大多數采用的傳感器都是紅外傳感器，說明相對于超聲波傳感器等其他類型的傳感器還是有一定優勢的，所以我們重點放在紅外傳感器的設計和測試，選取了不同廠家不同型號的紅外管來測試路徑識別的性能。對于紅外對管的選取和電路設計，我們作了幾個方案論證。方案一：通過38K載波發射和一體接收頭接收。優點： 發射距離遠，抗干擾能力強；缺點：接收方向范圍過大（大于135度），不利于對道路黑線位置檢測，硬件軟件較復雜。方案二：一體化發射/接收管。優點：硬件電路簡單，方便；缺點：可以收發距離太近。方案三：二極管形式發射接收管。優點：發射功率大，距離比一體化發射/接收管稍遠；缺點：硬件電路稍復雜。最后經過分析比較，我們決定采用第三種方案。紅外傳感器作為智能車上的“眼睛”，對小車的路徑識別起了決定性的作用。由于我們在機械設計的時候把紅外傳感器安裝與水平方向有一定傾角，因此我們也必須增大發射的功率才能使接收管接收到更多發射回來的光。下圖為反射式紅外傳感器電路原理圖圖310 紅外光電管檢測電路上圖為紅外光電管檢測電路主要用來獲取路徑信息，工作原理是左邊的發光二極管通電產生光源，根據跑道黑白顏色的不同，黑色跑道吸收光線，白色跑道反射光線的不同，由于黑色跑道吸收全部的光線，而使右邊的光敏三極管截止，使比較器LM339的同相輸入端為高電平接近5V，通過比較器LM339使輸出為1告知單片機MC9S12XS128，智能車現處在黑色位置上。白色跑道由于光線被反射使光敏三極管導通。從而使LM339同相輸入端為低電平接近零伏，通過比較器LM339使輸出為0告知單片機MC9S12XS128，智能車現處在白色位置上。這樣智能車就可以時刻獲取跑道的信息。為了實現小車的智能化，必須利用傳感器來采集跑道信息，再把車模運動的速度采集給單片機，進而實現智能調速，實現車模的智能化。以下是測量速度方案的比較與選擇。方案一：利用霍爾傳感器和磁鋼測量速度：將霍爾傳感器和磁鋼分別安裝在車架和車軸的適當位置，小車行駛時，每轉動一圈，霍爾傳感器產生開關信號，通過在單位時間對其計數可計算出車輛行駛的瞬時速度。優點：機械結構、電路較簡單，成本較低；缺點：對于磁鋼的安裝工藝要求較高；方案二：采用光電編碼器測量速度：利用安裝第五個輪子，通過第五個輪的轉動帶動光電編碼器轉動，后輪每轉一圈，光電編碼器就會輸出一定的光電數，通過計算在一定時間內編碼器輸出的光電數，就可以算出車子運行的速度。優點：精度高，安裝簡單；缺點：成本較高；通過比較，采用霍爾傳感器測量速度，磁鋼如果粘的不穩的話，車子速度太快磁鋼容易脫落，整個速度測量系統將產生很大誤差。而光電編碼器的測量精度遠遠比霍爾傳感器的精度高，而且采用光電編碼器測量車子速度，電路簡單，安裝方便穩定，適合車模的機械結構，綜合考慮后決定采用光電編碼器來測量智能車的速度。速度傳感器的工作原理：此次設計用到的速度傳感器是光電編碼器。它是一種集光、機、電為一體的數字化檢測裝置，它具有分辨率高、精度高、結構簡單、體積小、使用可靠、易于維護、性價比高等優點。近10幾年來，發展為一種成熟的多規格、高性能的系列工業化產品，在數控機床、機器人、雷達、光電經緯儀、地面指揮儀、高精度閉環調速系統、伺服系統等諸多領域中得到了廣泛的應用。光電編碼器可以定義為：一種通過光電轉換，將輸至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，它主要用于速度或位置（角度）的檢測。典型的光電編碼器由碼盤（Disk）、檢測光柵（Mask）、光電轉換電路（包括光源、光敏器件、信號轉換電路）、機械部件等組成。一般來說，根據光電編碼器產生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對式以及復合式三大類。按編碼器運動部件的運動方式來分，可以分為旋轉式和直線式兩種。由于直線式運動可以借助機械連接轉變為旋轉式運動，反之亦然。因此，只有在那些結構形式和運動方式都有利于使用直線式光電編碼器的場合才予使用。旋轉式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實現小型化，傳感長度較長，具有較長的環境適用能力，因而在實際工業生產中得到廣泛的應用，此次設計用到的就是旋轉式光電編碼器。也是目前應用最多的傳感器。其工作原理是通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器是由光柵和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與被測對象同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前被測對象的轉速。 單片機模塊主要負責道路的識別、獲取智能車的速度、輸出驅動電機的控制信號和算法的實現，通過串口驅動電路中的RS232電平轉換芯片，單片機可以利用異步通信協議與PC機通信。RS232電平轉換芯片可以實現TTL電平與RS232電平之間的轉換，然后再通過9芯串行口與PC進行串口通信。單片機及外圍電路如圖311所示：圖311 單片機MC9S12XS128及外圍電路對于硬件電路部分，一定要做的足夠穩定，這對于整個系統的穩定性占著至關重要的位置。而整個電路中，電源電路更加重要，特別是為單片機供電，一定要穩定。不讓，當電機啟動的瞬間，或者舵機打角的時候，電機和舵機拉去很大的電流，這樣會使電池電壓瞬時拉到一個低電壓狀態，很可能會造成單片機供電不穩，而使單片機復位。對于提高電源穩定性，并上幾個電容當然是好的，但是電容的最大電容量有限制。在整個主板上，既有數字部分，又有模擬部分，所以，系統的穩定性與主板的電路布局布線也有很大關系。為提高整板的穩定性，自己設計電路，繪制 PCB 版圖，然后通過三氯化鐵腐蝕成板。在整個電路板的制作過程中，我們是先從總體上考慮電路布局，電路實現的功能，電路總體性能，然后再分模塊繪圖制作，最后通過排針排母，排線或者杜邦線連接在一起，整體構架穩定。第四章 軟件系統設計程序設計的基本原則是，首先考慮小車的穩定性，在此基礎上，盡量提高小車的速度。智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結構。從結構上看，系統程序主要包括一個主體循環程序，增量式PID速度控制程序，中斷服務程序，循線控制算法程序，速度控制算法程序以及其他一些控制程序。作為此次設計所用到的處理器MC9S12XS128采用S12X V2 CPU內核，可運行在40MHz總線頻率上，帶有錯誤校正功能（ECC）的、4KB至8KB DataFlash，用于實現數據或程序存儲，可配置10或12位模數轉換器（ADC），轉換時間為3μs，支持控制區域網（CAN）、本地互聯網（LIN）和串行外設接口（SPI）協議模塊，帶有16位計數器、8通道定時器。這些卓越的性能，完全足夠滿足此次設計的要求。在本次制作中用到MC9S12XS128單片機硬件資源如表41所示。表41 控制模塊說明程序實現的功能使用的模塊電機轉速控制PWM模塊舵機轉角控制PWM模塊PID反饋光電計數定時器模塊，光電累加器人機交互SCI模塊光電傳感器信號處理普通I/O端口智能車的控制系統是一個時時控制系統，人的思維很難想象車在行進過程中所處的狀態，因此針對某個控制算法，如果在測試中出現問題，很難確定具體出在哪個環節。這樣，一個可以時時反映智能車運行狀態的監測平臺就顯得非常必要了。監測平臺可以將智能車的采集信息，控制算法計算得到的控制信息以及其他調試時的有用信息發送到PC端，用于觀察、記錄，以便反復分析、改進。監測平臺工作流程如下：智能車采集信息、控制信息224。RS232224。PC端數據處理軟件本智能車控制系統軟件設計程序的主流程是：先完成單片機初始化（包括I/O模塊、PWM模塊、計時器模塊、定時中斷模塊初始化）之后，通過無限循環語句不斷地重復執行路徑檢測程序、數據處理程序、控制算法程序、舵機輸出及驅動電機輸出程序。其中，定時中斷用于檢測小車當前速度，作為小車速度閉環控制的反饋信號。 主程序流程圖如圖41所示。 圖 41 小車主程序流程圖為了體現程序的系統性和連貫性，智能小車的控制軟件采用模塊化的程序結構。各個模塊有相應的數據接口，方便其它模塊調用，這樣，系統條理顯得清晰。主要包括：系統初始化模塊、路徑數據采集模塊、數據處理模塊、起跑線識別模塊，再有，為了系統調試方便，本系統還設計了串口調試模塊等。單片機的晶振是16MHz，MC9S12XS128在時鐘初始化后可以通過鎖相環將系統時鐘系統時鐘進行倍頻，可以提高單片機的工作頻率，從而提高單片機的運行速度。在安全允許范圍內，我們使用鎖相環超可倍頻到48MHZ。這里就用到了一些寄存器中的某些位，倍頻公式如下： （41）其中，OSCCLK_VALUE——系統的外部晶振；REFDV_VALUE——系統時鐘分頻系數SYNR_VALUE——倍頻系數SYNR=SYNR_VALUE，REFDV=REFDV_VALUE，SYNR、REFDV就是寄存器中的對應位。void CLK_init(void){ //鎖相環24M SYNR=2。 REFDV=1。 //PLL=2*OSC*(SYNR+1)/(REFDV+1) while(!(CRGFLG amp。 0x08)){} //等待鎖相環穩定 CLKSEL=CLKSEL_PLLSEL。 //設置總線時鐘為PLL/2｝可以看到，不論8位、16位還是32位單片機的最小系統都是通過異步串行口與人溝通的。使用串行通信接口SCI(Serial Communication Interface)通信是計算機與人對話最傳統、最基本的方法，異步通信接口也成為通用異步接受器/發送器UART(Universal Asynchronous Receiver/Tansmitter)。為了便于調試，本系統利用串口通信接口SCI實現數據的傳輸。串口部分程序主要是初始化各寄存器，其中包括設置波特率、數據格式、接受發送功能使能、設置接受模式等。以下是與串口有關的幾個初始化函數:/**********串口初始化*************************/void SCIinit(void){ SCI1BD=208。 //32M總線 波特率9600SCI1CR1=0。SCI1CR2=0x2C。 //只允許接收中斷}/**********讀串口******************************/unsigned char Sci1Read(){unsigned char redata。while(SCI1SR1_RDRF!=1)。redata=SCI1DRL。return redata。}/**********寫串口******************************/void Sci1Write(unsigned char chSend){while(SCI1SR1_TC!=1)。while(SCI1SR1_TDRE!=1)。SCI1DRL=chSend。 } PWM初始化PWM(Pulse Width Modulation)即脈寬調制，脈寬調制波是一種可用程序來控制波形占空比、周期、相位的波形。它在電動機驅動、D/A變換等場合有著廣泛的應用。PWM模塊特點：R 8個帶周期占空比可程控的PWM獨立通道R 4個可程控選擇的時鐘源 R 每個PWM通道有專用的計數器 R PWM每個通道脈沖極性可以選擇 R 每個PWM通道可使能/禁止R 周期和占空比雙緩沖 R 每個通道有中心對齊和邊緣對齊方式 R 分辨率: 8位(8通道)，16位(4通道)R 帶中斷功能的緊急切斷 PWM在本系統中主要用于驅動兩個伺服電機，一個是電機，另一個是舵機，而控制這兩個電機的PWM信號是經過路徑識別和系統決策后給出的，這樣就能實現小車的循線跑。舵機的響應時間對于控制非常重要，一方面可以通過修改PWM周期獲得。另一方面也可以通過機械方式，利用舵機的輸出轉矩余量，將角度進行放大，加快舵機的響應速度。而舵機的脈沖范圍，它對應舵機旋轉角度，在設置時一方面應考慮到舵機的極限位置；另一方面還要考慮到車模轉向的極限。本設計中，通過測試找到了40度對應的脈沖寬度。PWM初始化程序流程圖如圖42所示：圖42 PWM初始化流程圖具體程序如下：void pwminitial(void) { PWMCTL_CON01 =