飞思卡尔智能车合肥学院技术报告

飞思卡尔智能车合肥学院技术报告内容摘要：

MOSFET 管等组成。 其整体结构图如图 ： 第四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 6 图 2. 1 智能车整体框图 MC9S12xs128 单片机资源 使用 本次设计单片机的端口分配如表。 表 单片机端口 PWM 模块 PWM1 舵机 PWM3,PWM5 电机 ECT 模块 PT7 速度传感器 PT4PT7 拨码开关 外部中断 IRQ 行同步 串口通讯 RXD0 串口接收 TXD0 串口发送 无线通讯模块 RXD1 无线接收 TXD1 无线发送 IO口 PM6 视频选通信号 PA0 奇偶信号 7 第三章 硬件 的设计与实现 智能车需要设计的硬件系统主要包括以下几个部分 ： 电源部分、电机驱动部分、测速 部分、舵机部分、图像采集与处理部分、人机交互部分。 电源模块设计 此次设计具体需要设计的电源电路及实现方案如图 所示。 图 电源设计及具体供电模块 5V 电源 本设计采用 LM2940 将电池电压稳压到 5V ， LM2940 具有外围电路简单、转换效率高，波形稳定等特点 [8]。 主要为单片机、 SD 卡、测速模块、 PCB 板上芯片、无线通讯模块等供电，电路图 如图 所示。 第四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 8 112233L M 29 40100uFC1C2100uFC3C4 1KR1L E D 1V I N VOUT 图 3. 2 5V 稳压电源原理图 6V 电源 6V 电源主要为舵机供电，采用摩托拉罗公司的低压降，能够线性调整输出的 LM1117 芯片制作可调电源 [9]，具体电路图如 图 所示。 10uFC81uFC7220uFC622uFC51kR5adj1out2in3L M 1117l m 1117hua 1L E D 3VOUT V I N 图 6V 稳压电路原理图 CCD 升压供电电路 CCD摄像头需要 12V的工作电压。 本文设计中是使用 MC34063A搭建一个由 12V的升压电路， MC34063A是单片双极型线性集成电路，专用于直流 ―― 直流变换器控制部分，一个占空比周期控制振荡器，驱动器和大电流输出开关 ，能输出 关电流。 它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器，降压式变换器和电源反向器。 根据厂商提供的内部原理图和外围器件参数计算公式（计算方式见附件），设计 MC34063A外围电路 [10]。 第 三 章 硬件的设计与实现 9 图 MC34063 内部原理图 经过计算 (见附录 5)符合摄像头正常工作时候的升压电路如 图。 L1120uhI N 58 1912V470uFC9 68 0P FC 10180R 11R 121KR8S W C1S W E2CT3GND4D R V8I P K7V C C6C M P R5M C 34 06 3L E D 3D i od ehu a 3V I N 图 3. 4 DCDC 升压电路图 电机驱动模块设计 竞速比赛的 智能车 最关键的就是要有 强劲的驱动力。 这个 “ 驱动力 ” 不光包 括 通常所说的驱动电机，同时还包括一个强劲的电机驱动电路。 由于比赛规则严禁改动更换驱动电机，故赛车动力的强劲与否便直接与驱动电路性能画上了等号。 优秀的电机驱动电路，不但要能为赛车提供强大的动力 —— 这里的 动力包括了瞬间的加减速性能与持续的输出能力，同时自身的功耗要小，能够保证长时间大电流输出的情况下 减少 升温 且要稳定持续工作。 对于 PWM 调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标： ：它决定着电路能驱动多大功率的电机。 第四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 10 ：高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。 要提高电路的效 率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（ H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 ：功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 ：共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 ：电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。 结合以上，在实际制作过程中，主要采用了以下两种方 案： 方案一 ：采用 MC33886 级联组成驱动电路 该驱动芯片 MC33886 特性如下： 工作电压： 540V 导通电阻： 120 毫欧姆 输入信号： TTL/CMOS PWM 频率： 10KHz 短路保护、欠压保护、过温保护等； 图 MC33886 芯片及引脚图 采用两片 MC33886组成的驱动电路如 图。 第 三 章 硬件的设计与实现 11 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 1 J un 20 09 S he e t o f F i l e : F : \智能车 V d b D r a w n B y :A G N D1FS2I N 13V+4V+5O U T 16O U T 17D N C8P G N D9P G N D10P G N D11P G N D12D213O U T 214O U T 215V+16C C P17D118I N 219D N C20M C 33 88 6A G N D1FS2I N 13V+4V+5O U T 16O U T 17D N C8P G N D9P G N D10P G N D11P G N D12D213O U T 214O U T 215V+16C C P17D118I N 219D N C20U2M C 33 88 6P W M 5P W M 7P W M 7P W M 5C C P 2C C P 1V S SG N DG N DO U T 1O U T 2O U T 1O U T 2D1D2D1D212V S S12V S SG N DO U T 1O U T 2C133n47 u F47uC C P 1 G N DG N DV S SR11kV C CC3 uV S S G N DG N DV C CP W M 5P W M 7D1D2123456R2 1kV C CC233nG N DC C P 2V S S 图 3. 6 两片 MC3386 级联 第一次 采用的驱动方案是通过 两片 并联 MC33886芯片来增强电机驱动性能。 但是这样做往往由于电路设计的不合理，导致流过多片 33886 的电流不平均，出现 “一片发烫，一片冰凉” 的现象，进而影响整体的驱动性能。 方案二：采用 MOSFET搭建 H桥电路 鉴于 MC33886输出电流有限，不能提供较为强劲的驱动力，我们专门独立设计了采用 MOSFET搭建的采用 H桥驱动电路。 最终 选用 了 一款最大工作电流 16A ，采用 TO200封装的 MOS 管来搭建 H 桥驱动。 虽然 16A的电流较其他一些 50A甚至 100A的大型贴片 /直插 MOS在功率上逊色了一些，但是仍大大超过的 MC33886的 5A的最大工作电流，并且也能满足赛车需要，关键是在保证驱动能力的情况下，重量体积大大减小。 同时对驱动模块采用了贴片化，布线密集化，电路板大面积覆铜覆锡等手段，最终保证了驱动模块在正常运行情况下 H 桥不会出现发热现象（比赛正常情况下赛车的运行时间不会太长）；在加减速性能得到提升的同时，不会出现应剧烈加减速导致单片机复位现象，基本达到了预期的设计目标。 MOS 管驱动器采 TD340。 TD340 芯片是 N 沟道功率 MOS 管驱动器，适合于直流电机控制。 该器件内集成有可 驱动 N 沟道高边功率 MOS 管的电荷泵和内部 PWM发生器，可进行速度和方向控制而且功耗很低，同时具有过压（ 20V） 欠压（ ） 保护功能，以及反向电源有源保护功能。 TD340 内含可调的频率开关（ 025Khz） 及待机模式，且集成有看门狗和复位电路。 除此之外， TD340 芯片还具有 H 桥直流电机部分和微控制器之间的必要接口，直流电机的速度和方向第四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 12 可由外界输入的信号给定 [11]。 以下是直流电机 PWM调速系统框图及 TD340和 MOS管组成的 H桥驱动电路 图、图。 图 3. 7 直流电机 PWM 调速系统框图 图 由 TD340 和 MOS 管组成的 H 桥驱动电路 图 的 MOS 管采用 STP30NE03L,它的优点是开关速度快，通路电阻低和电压门信号低，适合于大电流和低电压运行， TD340 用于构成 PWM 发生器，功率放大电路是由 4个 MOSFET 管组成的 H桥电路。 电阻 R1R4 用于控制 MOS 门的升降时间，也有利于避免门电压的震荡，门电压的震荡通常与门电容处的连接线 的平行电感所引起的。 R1R4 的值通常为10100 欧，电容 C6 用于存储能量并对通过电桥的电压进行滤波，在电压上升和下降期间，为了保证系统的可靠性，可在两个低端 MOS 管的门级各接一个下拉电阻以确保电桥保持关断。 采用 Td340 和两片 MC33886 驱动能力比较 ,如表 所示。 信号输入 H 桥功率放大电路 直流电机 负载 TD340 第 三 章 硬件的设计与实现 13 表 用 MC33886 和 MOS 管驱动电路比较 方案 加速 减速 混合 稳定 效率 33886*2 一般 一般 一般 很好 低 Mos 较好 好 好 较差 高 MOS 管数据测试全在高速下，但在速度较低情况下，加速性能并不 是很明显，这次 MOS 管驱动电路只是个尝试，和正式竞速成绩好的队伍比较，还是有一定缺陷，而且驱动电路采用分立元件，稳定性较差，且重量较重。 以后设计中可以考虑采用集成的 MOS 管，采用多片加速和多片制动的混合策略。 由于实验条件有限，对两种驱 动方案无法进行定量比较，只能通过实际智能车行驶效果作出定性比较。 综合考虑比较结果，本 设计的直流电机调速系统由信号输入电路、TD340 和 H桥电路组成。 测速模块设计 为了使得赛车能够平稳地沿着赛道运行，需要控制车速，使赛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。 这些因素会造成赛车运行不稳定。 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。 车速检测初次主要由红外对管电路和后轮齿轮做编码盘组成。 红外对管之间的红外光束被编码盘挡住时接收管截止，与接收管串联的电阻电压为逻辑 0，当红外光束通过编码盘的孔时，接收管开通，与接收管串联的电阻电压为逻辑 1。 通过输出比较器定时 T中断一次去读取脉冲累加器 PACN32 的所得脉冲数 N而得车速 V。 设后轮周长为 C、减速齿轮数为 n。 得车速公式： V=[(C247。 n) N]247。 T。 [13] 公式 31 本次用作测速的光电传感器型号为 H42B6，在 5V 测试电压下，上升沿时间和下降沿时间为 15ｕ s。 这样的向应时间是够用的，我们可以粗略估算一下：假设车速为 4m/s, 即 s/mm。 后轮的周长为 170mm,码盘等分 76*2=152。 所以第四届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告 14 每等分为 170mm/152=。 所以每个时间间隔为： 247。 s/mm＝ s。 远远 大于 H42B6 的反应时间。 此部分的示意图。