基于mc9s12xs128单片机的智能小车设计-毕业论文

基于mc9s12xs128单片机的智能小车设计-毕业论文内容摘要：

此方案的优点是 ,减少机身的重量 ,操作简单。 其缺点是 ,这样会使单片机的波动变大 ,影响单片机的性能 ,稳定性比较弱。 方案二 :采用双电源供电 ,通过两个独立的电源分别对单片机和直流电机进行供电。 此方案的优点是 ,减少波动 ,稳定性比较好 ,可以让小车更好的运作起来 ,唯一的缺点就是会增加小车的重量。 综合以上的优点和缺点 ,本设计决定采用第二种方案。 电源总分布图 图 电源部分系统框图 主控板和数字传感器电源模块 为了保证主控制器不受其它模块影响 ,本设计采用 2940 为主控制器单独供电 ,用另一片 2940 为其它的数字传感器供电 ,如图 所示。 图 5V 供电系统 三端稳压集成电路 lm7804 电子产品中 ,常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 lm78 系列和负电压输出的 lm79系列。 顾名思义 ,三端 IC 是指这种稳压用的集成电路 ,只有三条引脚输出 ,分别是输入端、接地端和输出端。 它的样子像是普通的三极管 TO 220 的标准封装 ,也有 lm9013 样子的 TO92 封装。 图 Lm7804 封装 用 lm78/lm79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少 ,电路内部还有 过流、过热及调整管的保护电路 ,所以使用起来安全 ,可靠 ,而且很方便方便 ,最主要的是价格非常便宜。 从实用性和节约成本考虑本设计选用了此芯片 [3]。 该系列集成稳压 IC 型号中的 lm78 或 lm79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压 ,如 lm7806 表示输出电压为正 6V,lm7909 表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便 ,电子制作中经常采用。 在实际应用中 ,应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器 (当然小功率 的条件下不用 )。 当稳压管温度过高时 ,稳压性能将变差 ,甚至损坏。 当制作中需要一个能 输出 以上电流的稳压电源 ,通常采用几块三端稳压电路并联起来 ,使其最大输出电流为 N个 ,但应用时需注意 :并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品 ,以保证参数的一致。 另外在输出电流上留有一定的余量 ,以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 舵机电源模块 电压越高 ,舵机的反应越灵敏 ,很多人都直接给舵机加电源电压 ,来获得更好的转向效果 ,本设计也尝试过 ,但这样特别容易烧坏舵机 ,而且非常不稳定。 所以必须选择低压差 ,而且输出电流大于 2A 以上的稳压芯片。 由于 线性电源电路简单 ,而且稳定 ,所以本设计首先考虑的是线性电源。 然而线性电源往往是低压差的输出电流小 ,输出电流大的压差又比较大 ,不能很好的满足要求。 为了达到理想中的效果 ,使控制芯片更加稳定地工作。 本设计最终选择了开关电源 ,选择的开关电源输出最大电流可以达到 5A,输出电压大范围可调 ,最高可以接近电源电压 ,完全满足要求。 而且开关电源还具有效率高的优点 ,特别是在转弯的时候 ,不至于让电流以热量的形式白白浪费掉。 如图 所示。 图 开关电源模块 电机驱动系统 方案一 :采用直流电机 ,配合 LM293 驱动芯片组合。 优点在于硬件电路的设计简单。 当外加额定直流电压时 ,转速几乎相等。 这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中 ,也用于变速范围很宽的驱动装置 ,但是容易受到外部因素干扰 ,影响稳定的转速和转矩输出。 电路如图 所示。 图 电机驱动系统 方案二 :采用步进电机 ,配合 LM298 驱动芯片组合。 步进电机可以实现精确的转脚输出 ,只要施加合适的脉冲序列 ,电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动 ,便于控速 ,但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂。 而且LM298 芯片的硬件电路比较复杂 ,输出杂波比较多。 最主要的致命缺点是它的控制精度不高 ,因此本设计最终放弃了这种方案。 电路图如图 所示 图 电机驱动系统 方案三 :用通俗的话来说 ,驱动模块就是一个电子开关。 所说的驱动能力强 ,其实就是减小导通等效电阻。 市场上有很多低内阻的驱动芯片供选择 ,如MC33886,BTS7970 等。 为了追求更低内阻 ,可以选择低内阻的 NMOS 来搭建驱动电路。 本设计就采用了两块 BTS7970 电机驱动芯片来驱动电机 ,不仅输出功率大 ,而且有控制简单 ,精度高的优点。 循迹单元方案论证 方案一 :用光敏电阻组成光敏探测器 用光敏电阻组成光敏探测器 ,光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。 当光线照射到白线上面时 ,光线发射强烈 ,光线照射到黑线上面时 ,光线发射较弱。 因此光敏电阻在白线和黑线上方时 ,阻值会发生明显的变化。 将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。 但是这种方案受光照影响很大 ,不能够稳定的工作。 本设计排除了这种做法。 方案二 :采用 RPR220 型光电对管 RPR220 是一种一体化反射型光电探测器 ,其发射器是一个砷化镓红外发光二极管 ,而接收器是一个高灵敏度 ,硅平面光电三极管。 这种方案的缺点是探测范围小 ,小车速度不能很好的提升。 方案三 :采用激光头探测 对于智能小车 ,传感器是至关重要的 ,就像人的眼睛一样 ,如果让一个患有眼疾或近视的人去开赛车 ,后果是不堪设想的。 传感器主要追求三个指标 :稳定、前瞻和测量精度。 开始接触激光的时候 ,往往觉得难以琢磨它的脾气 ,一不小心就烧了 ,其实熟悉它后 ,完全可以把它当做发光二极管来对待。 激光头探测不仅仅探测半径大 ,而且传输信号稳定 ,受干扰小 ,本设计因此采用了激光头探测 [4]。 激光分布如图 所示。 图 激光分布图 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 ,经放大电路放大 ,激光管放射。 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用以判别电压高低。 由于接收的波属于高频段的波 ,因此电容是必须的 ,否则电磁干扰会非常的严重 ,指示灯会常亮或者闪烁 ,实际过程中要不断试验电容的大小 ,选择合适的值以使接收管正常工作。 3 智能小车机械结构设计 《资本论》中提到有“经济基 础决定上层建筑”的论断。 不错 ,在智能小车系统中 ,车子的机械结构就是决定智能小车整体性能的基础。 以往的经验告诉我们 ,机械结构调校的好 ,对软件的编写有很大地促进。 从整个系统上考虑 :软件驾驭硬件 ,而硬件却依赖于机械结构。 要想提高智能小车的速度 ,软件要调的好 ,而机械结构上的一些优化 ,在很大程度上可以简化软件的编写。 合理优良的机械结构能让智能小车在直道和弯道上高速稳定的通过 ,而且转弯灵巧快速。 本章将主要介绍赛车车模的机械结构设计和调整优化方案 :车模整体结构 ,转向舵机的安装、车轮及底盘的调整、随动舵机及激光传感器的安装 、测速模块的安装等。 车模整体结构 车模选用的是“飞思卡尔”杯智能车大赛组委会指定的 1:10 仿真车模。 车模底盘结构如图 所示。 图 车模底盘 转向舵机的安装 转向舵机是控制智能小车转向的关键部分 ,其安装性能的优劣直接影响到智能小车转向的灵活性和稳定性 ,这也就对智能小车舵机安装的机械结构提出了较高的要求。 舵机的在车模上必须完全固定 ,不允许它与车模之间有相对移动。 同时 ,舵机的传动力臂在保证提供足够转向力矩的前提下还要做到更加灵活。 首先 ,对于同样的舵机 ,其传动 力臂越长 ,响应速度越高。 增加舵机传动力臂的长度意味着舵机只要转动更小的角度就能产生较大的横向位移 ,从而使车轮转过更大的角度。 但是 ,根据力矩公式 MF?L ,舵机传动力臂加长会使舵机的负载转矩增大 ,从而降低舵机定位的精度 ,且容易造成舵机损坏。 因此 ,舵机传动力臂的长度并不是跟舵机转向的灵活性成正比的 ,传动力臂太长反而会影响其转向性能。 综合考虑 ,最终选择适当加长舵机的传动力臂 ,在提高智能小车转弯的灵活度的同时不会对舵机定位的精度有太大影响。 经过多次改动实验 ,发现将舵机垂直安装于车身头部正中央位置效果最佳。 这样安装使舵机连接杆与传动力臂处于同一平面内并接近垂直 ,保证了舵机产生的转矩最大程度上作用于前轮的转向。 舵机安装在中央位置使前轮左右转向平衡 ,避免了车模转向的左右不对称 ,提高了智能小车适应不同赛道的能力。 另外 ,舵机前置使重心前移 ,增大了前轮对地面的压力 ,从而增大了前轮的抓地力更加利于转向。 舵机安装实物图如图 所示。 图 舵机安装实物图 车轮及底盘的调整 为了使智。