工学]基于摄像头的智能车控制器的软件设计论文

工学]基于摄像头的智能车控制器的软件设计论文内容摘要：

系统是一个有机的整体，所以任何一部分的改进都能提高小车的性能。 系统所用的传感器包括编码器和摄像头，它们可以完成赛道信息的采集和小车行驶参数的获取，算法部分主要涉及到 PID 控制算法。 系统硬件位于底层，是整个系统的基础，系统软件结构则根据硬件和控制需求来制定。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 38页 第 7 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 硬件电路的设计 飞思卡尔 单片机简介 本次智能车 设计 中，所使用的单片机是飞思卡尔 MC9S12DG128， MC9S12DG128 是飞思卡尔半导体公司的汽车电子类产品，早在飞思卡尔还没有从摩托罗拉分离出来前就已经诞生了。 它隶属于飞思卡尔单片机的 S12 系列，其内核为 CPU12 高速处理器。 MC9S12DG128 拥有丰富的片内资源， flash 达 128kb，加入裁减过的 uCOS 都没有问题，所以对于参加全国大学生智能车竞赛或者其他中等复杂程 度的控制系统它不用扩充片外存储器。 MC9S12DG128 有 16 路 AD 转换，精度最高可设置为 10 位；有 8 路8位 PWM 并可两两级联为 16 精度 PWM，特别适合用于控制多电机系统。 它的串行通信端口也非常丰富，有 2 路 SCI， 2 路 SPI 此外还有 IIC， CAN 总线等端口，并且采用了引角复用功能，使得这些功能 引脚 也可设置为普通的 IO 端口使用。 此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化我们的程序设计。 MC9S12DG128 的封装有两种，一种为 80 引脚的，它没有引出扩展总线，且 AD 转换只引出了 8 路；一种为 112 引脚的，两种都采用了表面贴片式封装。 在设计中，使用的是 112 引脚。 单片机最小系统的设计包括：时钟电路设计、滤波电路设计、电源电路设计、 IO接口电路设计以及复位电路设计。 下面我来介绍 本次设计中所使用 的引脚功能： PORTB： LED 状态指示 ； PAD0：摄像头数据采集输入 AD 转换口； PT0：行同步信号输入端口； PT1：场同步信号输入端口； PORTK：采用 40193 硬件测速的 8位输入端口； PP1：电机控制口； PP3：舵机控制口； PP5：电机 控制口； 电源模块 为了保证各个部件的正常工作，电源的供给是十分重要的，需要对发的标准车模用蓄电池进行电压调节。 单片机系统、摄像头、车速传感器电路等各个电路的工作电压不同，需要想办法来使得电压满足各自的要求，一种方法是利用升压或降压的芯片来达到它们的要求，另一种方法是利用双电源供电的方法，来实现各模块的不同需要，由于电路模块较多，该方案中仍需要升压或降压芯片。 实际应用中，我们确定采用升压降压芯片等来实现对各个模块的供电要求。 而且，在电路设计中，考虑到由于电机 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 38页 第 8 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 驱动所引起的电源不稳定，在电源输入端 ，各芯片电源引脚都加入滤波电路。 如图 31所示电源模块的组成： 图 31 电源模块组成框图 智能汽车控制系统 ,其电源通常在 7. 2 V 左右 ,系统电路对电流的需求很大 ,因此在电源的选择方面通常会选择能够提供较大工作电流的镍镉电池。 智能汽车各工作系统对电压电流的需求不一样 ,有的需要将电源降压或升压 ,有的需要大功率器件。 一个好的智能汽车控制系统 ,要求有强大的动力 ,并且电源能够提供一强大的电流给电机。 就飞思卡尔智能小车而言其后轮驱动电机正常工作时 ,要求有 1 . 4 A 左右的 电流 ,其堵转是电流达到 2 A 以上。 这就是说要使该智能汽车有一个很好的表现就必须要求电源及其电源电路至少能提供 2 A 以上的电流。 下面就以飞思卡尔智能小车为例对智能小车的系统电源电路进行探讨和研究。 （ 1） 电源需求的总体规划 在进行系统设计之前我们应先对系统电源的需求进行一个总体规划 ,以飞思卡尔智能小车为例 ,进行相应的说明。 飞思卡尔智能寻迹小车以飞思卡尔公司 16 位微控制器 MC9S12DG128为核心 ,对小车进行全程控制 ,通过采用 CMOS传感器 ,霍尔元件等传感器等进行数据采集 ,并送入单片 机内进行处理 ,由微控制器发出指令来控制稳压集成电路 LM317， LM317 其输入电压可调 ,理论上已经完全能满足电路的需要。 （ 2） 舵机和后轮电机模块。 对于飞思卡尔组委会提供的智能小车模型 ,其舵机的正常工作电流为 700mA 左右。 电压为 6 V。 在设计过程中 ,刚开始用 7806 组成稳压电路 ,后发现舵机工作时会把 7806 三端稳压管的输出 6 V 电压拉低到了 4V 左右。 导致舵机不能正常工作。 于是接着便把该舵机的电源电路进行了调整 ,把调压电路去掉 ,只要在电路中串接了两个大功率硅二极管 ,因为硅管 的额定压降为 0 . 7 V ,串接两个硅管 ,其两端压 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 38页 第 9 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 降则达 1 . 4 V ,因此电源电流从硅管过来时 ,输出端的电压就被降到了 6 V 左右 ,这也就满足了舵机的电压要求。 既提供了稳定的电压 ,也保证了充足的电流 ,使舵机能够正常工作。 另外还在电源端接上了一个 0. 1μ F 的小电容 ,以去除电路中的高频杂波干扰。 由于后轮驱动电机在正常工作时电流达到 1. 5 A 左右 ,堵转时达 2 A 以上 ,且该电机可以工作在 7. 2 V 的电压下 ,因此可以直接把电源电压接到电机驱动上。 保证了电机需要的尽可能大的工作电流。 （ 3） 电路布线及节能问题 在搭建电路的过程中 ,值得注意的是需要大电流的地方 ,其外接电源线的直径应尽可能大。 比如在总电源与电路板的连接点应用较粗的铜线连接 ,以尽可能减小线电阻的作用保证大电流的顺利通过。 在电路板布线时其电源线和地线应尽量布宽。 通常在稳压电路中 ,当稳压器距离整流滤波电路比较远时 ,在输入端必须接入一小电容器 (比如 0. 33μ F ) ,以抵消线路的电感效应 ,防止产生自激振荡。 输出端也须接一小电容 (0. 1μ F)用以滤除输出端的高频信号 ,改善电路的暂态响应 ,因为大容量电解电容有一定的分布电 感 ,易引起自激振荡 ,形成高频干扰 ,所以稳压器的输入、 输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应 ,抑制高频干扰。 鉴于电路板元件的选取 ,建议尽量使用贴片元件 ,以尽可能的减少电能的损耗。 现在我来介绍自己使用的两种电源： 1） 5v 电源 市场上常用的 5v 芯片有 LM2940， LM7805， LM2575， LM2596。 其中 LM2940 和 LM7805转换效率低（ 40%）输出波纹小 ,而且稳定，对于电源要求比较高的元件适合。 LM2575和 LM2596 转换效率高（ 75%~80%）输出波纹大，可能会让单片机出现重启。 所以 我们选择前者而 LM2940 比 LM7805 压差小，而且更加稳定因此我们最终选择 LM317 可调电源芯片 作为 5v稳压芯片。 原理图如图 32所示 图 32 5V 电源原理图 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 38页 第 10 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 当稳压器离电源滤波器有一定距离时 Cin 是必须的， Co 对稳定性而言不必要；但改进瞬态响应： RIRRV id jout V 112 )1(  （ 41） 电压范围 LM117/LM317 至 37V 连续可调。 绝对最大额定值 符号 参数 值 单位 VIO 输入－输出电压差 40 V IO 输出电流 内部限制 Top 工作结温 LM117 55 到 150 ℃ LM217 25 到 150 LM317 0到 125 Ptot 功耗 内部限制 Tstg 储存温度 65 到 150 ℃ 2） 6V 电源 舵机的响应速度与其电源电压有关。 因此，为了获得更快的响应速度，舵机的供电采用其工作上限电压 +6V，舵机的工作电压为 46v 因此，为了稳定起见我们给舵机也做了稳压电路，器件选择的是 LM7806。 原理图如图 33 所示： 图 33 6V 电源 原理图 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 38页 第 11 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 电机驱动模块 PN MOS 管 H 桥原理 所谓的 H 桥电路就是控制电机正反转的。 下图就是一种简单的 H 桥电路，它由 2 个 P 型场效应管 Q Q2 与 2个 N型场效应管 Q Q3组成，所以它叫 PNMOS 管 H桥。 桥臂上的 4 个场效应管相当于四个开关， P 型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭； N型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。 场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”。 正因为这个特点，在连接好下图电路后，控制臂 1 置高电平（ U=VCC）、控制臂 2 置低电平（ U=0）时， Q Q4 关闭， Q Q3 导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿箭头方向流动。 设为电机正转。 控制臂 1 置低电平、控制臂 2 置高电平时， Q Q3 关闭， Q Q4 导通，电机左端高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。 设为电机反转。 当控制臂 2 均为低电平时， Q Q2 导通， Q Q4 关闭，电机两端均为高电平，电机不转； 当控制臂 2均为高电平时， Q Q2关闭， Q Q4导通，电机两端均为低电平，电机也不转 ， 所以，此电路有一个优点就是无论控制臂状态如何（绝不允许悬空状态）， H 桥都不会出现“共态导通”（短路），很适合 使用。 下面是由与非门 74LS00 组成的栅极驱动电路，因为单片机输出电压为 0~5V，而我们小车使用的 H桥的控制臂需要 0V 或。