智能小车控制器论文 - 图文

智能小车控制器

摘 要

智能车辆是当今车辆工程领域研究的前沿，它体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。

本文是在第二届“飞思卡尔” 杯全国大学生智能汽车竞赛背景下诞生的，介绍了基于Freescale的MC9S12DG128芯片开发的智能小车硬件系统。本设计的智能小车运行在带黑色引导线的白色跑道上，具有自动识别路径及安全运行的功能。这篇文章着重阐述了目标道路信息的获取、处理和识别过程，并在此基础上结合软件设计运用有效的控制算法对智能小车进行控制，使小车能够快速准确的对道路进行跟踪。目标道路信息的获取是通过TCRT5000红外传感器来进行，其主要任务是通过扫描获得道路信息，并将是该信号传递给单片机进行处理。该课题主要设计了以单片机为主的硬件电路，本文详细叙述了轨迹跟踪系统的载体构造、控制系统的总体设计、驱动芯片的选型等。

关键词：智能小车；路径识别；红外传感器；MC9S12DG128

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ABSTRACT

The study about intelligent vehicle is the top level in the research field of vehicle engineering nowadays. It involves in the combination of multiple academic subjects and integration of multiple high technologies, which represent the development direction of automobile technology.

This paper is born under the background of the second Freescale Nation Undergraduates Intelligent Car Contest Cup. This paper demonstrates a design and execution of auto-searching for track by usage of infrared sensor module on an intelligent model car. The main function that the intelligent car may achieve is that the car should track the black-guide-line automatically and move forward following the line as fast and stable as possible. The intelligent car system uses the Freescale16-bitsingle-chip MC9S12DG128B as its control microprocessor.

The paper select TCRT5000 as the sensor to identify the road some hardware circuit such as road identification circuit, motor driving circuit and etc. are designed.

Keywords： Intelligent car, The path identify ,Infrared sensor, MC9S12DG128B

single-chip

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目 录

第一章 绪论…………………………………………………………….1

1.1 引言…………………….................................................................................1 1.2 研究背景…………………………………………………………………….1 1.2.1 红外图像采集与处理技术的发展现状…………………………….2 1.2.2 智能车路径跟踪技术及其发展…………………………………….3 1.2.3 小车智能控制技术的发展………………………………………….5 1.3 研究现状与意义…………………………………………………………….6 1.4 本文主要研究内容和章节安排…………………………………………….7

第二章 智能小车控制器概述...………………………………..............9

2.1 智能小车控制器硬件电路总述……………………………………...……..9 2.2 智能小车控制器软件设计简述…………………………………...…….....10

第三章 控制器硬件电路设计………………………………………...12

3.1 电源模块设计………………………………………………………………12 3.1.1 5V电压模块设计……………………………………………………13 3.1.2 6V电压模块设计……………………………………………………14 3.2 路径探测模块设计………………………………………………………....15 3.2.1 传感器选型…………………………………………………...……..17

3.2.2 传感器布局…………………………………………………………..17 3.2.3 传感器间隔距离确定……………………………………………….18 3.2.4 径向探出距离的设计……………………………………………….18 3.2.5 探测模块控制电路设计……………………………………………..19 3.3 速度检测模块的设计……………………………………………………....20 3.4 MC9S12DG128单片机简介………………………………………………….22 3.4.1 MC9S12DG128的结构………………………………………..………22 3.4.2 MC9S12DG128引脚结构及功能介绍………………………………...25 3.4.3 单片机MC9S12DG128最小系统设计………………………….…….28 3.5 舵机驱动模块设计………………………………………………………....32 3.6 后轮电机驱动模块设计……………………………………………………32 3.6.1 驱动电机介绍………………………………………………………..32 3.6.2 电机驱动控制设计…………………………………………………..34 3.7 系统抗干扰设计……………………………………………………………36 3.7.1 干扰的产生原因……………………………………………………..37

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3.7.2 抗干扰措施…………………………………………………………..37

第四章 总结和展望……………………………………………………38

4.1 总结…………………………………………………………………….......38 4.2 展望………………………………………………………………………...38

致 谢………………………………………………………………40 参考文献………………………………………………………………41 附录A:英文资料……………………………………………………...42 附录B:英文资料翻译…………………………………………………55 附录C:硬件系统原理图………………………………………………63 附录D:硬件系统PCB图………………………………………………64 附录E:元器件清单……………………………………………………65

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第一章 绪论

1.1 引言

大学生智能汽车竞赛源自韩国，在韩国已经成功举办了五届。为加强大学生实践、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，2006年教育部高等教育司自动化专业教学指导委员会将该赛事引入我国，由清华大学主办了第一届全国大学生智能汽车竞赛。目前该比赛已经列入教育部主办的全国五大竞赛之一，是全国大学生科技创意性重要赛事。

2007年8月，第二届“Freescale”杯全国大学生智能汽车竞赛决赛在上海交通大学拉开帷幕。比赛吸引了来自全国各高校两百多支参赛队伍参加。本次比赛由飞思卡尔（Freescale）半导体公司赞助，大赛组委会提供MC9S12DG128B型单片机、直流电机、可充电电池以及一款带有差速器的后驱模型赛车，要求各参赛队在一定限制条件下设计制作一个能够自主识别路线的智能小车，在专门设计的跑道上自主寻线行驶。在保证小车运行稳定不冲出跑道的前提下，单圈成绩最短的队伍为优胜者。制作智能模型车，需要参赛队伍学习MC9S12DG128B型单片机并应用嵌入式软件开发工具CodeWarrior和在线开发手段，自行设计路径识别方案，电机驱动电路，模型车车速传感器电路等，其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机和机械等多个学科，对于提高各高等院校在汽车电子领域的研究水平和加强在校学生的实践能力、创新能力和团队协作精神培养，具有良好的长期的推动作用。

1.2 研究背景

当今汽车电子化已经成为行业发展的必然趋势。据统计，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例不断上升，在一些豪华轿车上，电子产品甚至占到整车成本的50%以上。汽车电子应用已涵盖了汽车电子控制装置到车载汽车电子装置的几乎所有系统。在这样的行业背景下，教育部为了加强大学生实践、创新能力和团队精神，培养面向未来的科技尖端人才，在已举办的全国数学建模、电子设计等4大专业竞赛的基础上，设立了第五项大学生设计竞赛—全国大学生智能汽车竞赛。

首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛场地赛和颁奖大会已于2006年8月20—21日在清华大学综合体育馆举办。

大学生智能汽车设计竞赛，参赛者在飞思卡尔S12主控微控制器芯片的模型车体的基础上进行设计，制作出具有自主道路识别能力的智能汽车。

为汽车竞赛而设的S12平台飞思卡尔S12系列具有16位解决方案的固定优

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势，如代码简短高效、功耗低、体积小巧、购买和开发成本低、可以升级到50MHZ，同时能够达到通常只有32位控制器才能达到的性能水平。而这些显著优点来源于增强CPU，以及与XGATE协同处理器的结合。S12是一个非常成功的芯片系列，并具有为中国市场度身定造的相宜价格和性能，它被广泛应用于以下汽车电子中：引擎管理系统；自动传送；安全气囊；ABS；电动驾驶；汽车网络；群集/仪表盘；车身控制模块；灯光；雨刷器；天窗、空调系统；电动镜；电动座位；电动门锁等。

1.2.1 红外图像采集与处理技术发展现状

红外图像采集系统是红外信息获取与处理系统的前端部分，也是整个系统最关键的硬件平台之一，它的性能直接决定了整个红外采集处理系统的性能。随材料技术和微电子技术的发展，红外焦平面阵列探测器技术的发展日新月异，而导致红外图像分辨率越来越高。相应地需要处理的数据量也越来越大，对于像采集系统性能提出了更高的要求。基于ISA（Industry Standard Architecture）线、EISA(Extended Industry Standard Architecture)总线等的红外图像处理系统处理速度渐渐跟不上高速实时图像采集处理的要求。国外的红外图像数据采集系的研究已经采用PCI局部总线，作为一种较新的数据采集、传输手段。目前，总线因其具有负载能力强，支持32/64位数据传输，采用多总线和线性突发传式，支持即插即用等优点，而被广泛的应用于工业和军事的实时高速数据传统中。如果充分利用这些优点，采用PCI总线作为系统与微机的接口，可以提高系统数据传输速率和传输的稳定性，并节省大量的CPU时间，以适应高分辨率实时红外图像采集处理要求。因此，基于PCI总线的红外数据采集系统的对于红外图像采集与处理技术的发展具有很好的应用价值。

红外探测技术可以说是起源于人们对响尾蛇的研究。二十世纪四十年代末人们研制出一种“响尾蛇”空对空导弹。它是利用硫化铅作红外敏感元件，喷气式飞机机尾喷管发出的波长为1-3微米的红外辐射流，引导导弹从飞机尾行攻击， 它只需接收到热源的位置和方位，并不需要形成目标的热像图。从世纪五十年代开始，红外探测技术被广泛应用于军事领域，尤其是在红外成线制导、红外告警和侦察方面。

美国率先开始了红外搜索与跟踪技术的研究。随国、德国、俄罗斯、加拿大等国也相继开始了有关红外探测的军事应用研究我国在这方面的研究相对较晚。从二十世纪八十年代末，人们已经开始利用传感器来检测远距离的热源，随着热成像技术的成熟，红外图像中的弱小目测技术已经成为一项独立的、具有明显特色的研究方向。尤其在军事领域，在欧美等国家的先进的武器系统 ，包括航空母舰的预警系统、各种飞机的红外搜索跟踪系统、红外成像制导导弹。可以说对

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远距离的飞机导弹等飞行物的自测技术成为成像制导、告警系统和光电对抗的核心技术。它是利用图像处理对复杂背景中低信噪比目标进行自动检测，算法的性能对红外成像系统的作用距离和智能化程度十分关键。未来战争，要求红外探测系统能及时准确远距离发跟踪有威胁的目标，为指挥系统决策和武器系统赢得时间。但是由于红外探侧系统与雷达成像系统相比，红外成像系统作用距离较短，飞机、导弹等飞行物离较远时，成像尺寸小而且信噪比低。另一方面由于光学系统的空间分辨率到接近理论极限水平。因此，要想提高红外探测系统整体性能，比较实际的就是从图像算法处理方面入手，提高目标检测算法性能，尤其是提高红外弱小目标检测算法的性能，来弥补红外成像系统作用距离短的不足。因此，红外弱小目标检测与跟踪问题一直是红外探测领域的研究热点。国际SPIE每年组织一次小目标信号与数据处理(Signal and data processing of small targets)” 会议，交流弱小目标检测的新技术。红外图像中弱小目标检测技术的研究包含两个方面。一是外成像系统方面研究，主要包括探测器、光学系统、读出电路系统以及器件非均匀性校正等方面的研究，其主要目的是通过提高系统空间分辨率、灵敏度和的一致性，来提高系统的作用距离，从而提高系统对弱小目标的检测能力。从图像处理算法方面研究，主要研究图像处理的理论和算法，从而最大程度挥系统性能。

1.2.2 智能车路径跟踪技术及其发展

智能车的路径跟踪技术与机器人的路径跟踪技术类似，但是智能车的跟踪对象不如智能机器人的复杂，可是对行车速度和行驶方向的配合则要求较严格。它首先通过传感器获取目标道路信息，然后结合智能车当前的行驶状态智能地做出决策，对其行驶方向与行车速度进行调整，从而达到准确快速跟踪道路的目的。根据道路信息的完整程度、路径跟踪标志等因素，智能车的路径跟踪技术主要分为基于机器视觉的路径跟踪、基于地图路径跟踪、基于特殊道路标志的路径跟踪 以及基于感知器的路径跟踪等。

基于机器视觉的传感技术在智能车上应用越来越广泛，这得益于图像传感器的价格低廉以及计算机图像处理性能的大幅提高。相对其他道路检测传感器而言，视觉传感器的一大优点在于它能提供大范围的地面信息，但是难以区分目标道路和周边环境，因此需要对图像进行处理，这样计算量的增大对系统的实时性提出了难题。为了提高路径识别的速度，可以对道路的路径标志线进行跟踪。若无路径标志线则通过检测路径边缘信息来得出目标路径的走向。

基于地图的路径跟踪对于在特定区域内运行的路径跟踪非常有效，它首先将路径的完整信息存储起来，预先规划一条全局路线之后采用路径跟踪技术，但是

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对于路径变化较大的则实用性不好。

基于特殊道路标志的路径跟踪是在目标路径上布置一些特殊的道路标志，例如加州大学伯克利分校的PATH系统，它通过铺设磁性装置来识别道路，但是这种方法花费较大，对控制精度要求较高的系统则可以采用这种方法。

基于路径感知器的路径跟踪是通过红外线、雷达或者是超声波来探测路标位置，通过计算后对当前智能车进行定位，规划智能车的下一步行驶路径，从而对智能车的行驶方向和速度进行控制。

智能车的路径跟踪技术是智能车控制系统中一个重要组成部分，因此它是伴随着智能车控制系统的发展而发展起来的，其研究单位主要集中在各汽车电子和汽车生产企业当中。另外许多大学研究所也将智能车作为重点研究项目。

在美国，Basrrett电子公司在上世纪五十年代便开发了一种牵引式小车系统，能够对钢丝索导引的路径进行跟踪。Stanford研究所在二十世纪六十年代开发了Shakey移动机器人用于人工智能研究，并于1973-1981年实现了自主驾驶。加州大学伯克利分校的PATH系统具有较高的控制精度。它采用的路径检测技术是基于电磁来实现的，先通过铺设一系列的磁性装置来标记一条特殊的行驶车道，然后在其车前安装磁性检测装置来对道路实现跟踪。此外美国还将智能汽车的研究用于军事上。美国国防部采用无人车去执行危险地带的巡逻任务，第三代军用智能汽车Demom，能满足有路和无路条节下的车辆自动驾驶。stanley提出了基于神经网络的视觉导航技术。Reid通过处理视觉信息选择智能机械行走基线，ActiveMedia公司生产出的Pioneer系列机器人，美国NASA火星探测智能移动机器人Spirit和Opportunity也都包含了路径跟踪的内容。

在欧洲，意大利帕尔玛大学研制的ARGO实验车配备有障碍物避让和路径跟踪系统。它是一种基于立体视觉的智能系统，借助于车前的视觉探测器它能实现障碍物检测避让和路径跟踪双重性能，其控制器则是根据路径跟踪技术来进行设计和优化的。德国慕尼黑国防军大学曾同奔驰公司合作开发VaMoRS实验车， 实现了在高速公路及条件较好的乡间公路上进行自主驾驶。

在亚洲，日本于60年代开始便开始了智能车的研究，比如自动导引小车的厂家在1988年便达到了20多家。日本的Toyota公司2006年推出的 LexuSLS460的智能泊车辅助系统可对后座和前座摄像头的图像进行处理，利用该结果去控制电子动力方向盘。

在我国，关于智能车路径跟踪的研究主要集中在高校内，其中清华大学走在最前面，智能技术与系统国家重点实验室研制了THMR系列机器移动车，车载设备包括摄像机、光码盘、磁罗盘、差分GPS和电子地图，控制系统能够接受自主驾驶和辅助驾驶两种格式。各高校纷纷将汽车电子作为重点研究对象，包括浙江

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浙江大学、上海交通大学、国防科技大学等。目前“飞思卡尔”杯第四届全国大学生智能车竞赛正在开展之中，智能车的路径识别与跟踪是重点研究对象。

1.2.3 小车智能控制技术的发展

智能控制是自动控制学科发展里程中的一个崭新的阶段。与其他学科一样，智能控制是由于科学技术发展的需要，从解决重大工程和技术问题的实践中产生和发展起来的。

从20世纪60年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学者在研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工智能用于控制系统。1965年，美国著名控制论专家L.A.Zadeh创立了模糊集合论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具；同年，Feigenbaum着手研制世界上第一个专家系统；傅京逊教授提出把人工智能中的知觉推理方法用于学习控制系统；1966年，Mendel进一步在空间飞行器的控制中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。1967年，Leondes和Mendel开始使用“潜能控制”一词，并把记忆、目标分解等一些简单的人工智能技术用于学习控制系统，提高了系统处理不确定性问题的能力。

从20世纪70年代初开始，傅京逊、Gloriso和Saridis等人从控制论角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系，正式提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立了人-机交互式分级递阶智能控制的系统结构。

在20世纪70年代中后期，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发，智能控制在规则控制方面取得了重大的进展。1974年，Mamdadani将模糊集和模糊语言逻辑用于控制，创立了用模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并成功地用于工业过程控制。1979年，他又成功地研制出自组织模糊控制器， 使得模糊控制具有了较高的智能。

进入20世纪80年代以来，由于计算机技术的迅速发展以及专家系统技术的逐渐成熟，智能控制和决策的研究及应用领域逐渐扩大，取得了丰硕的成果。智能控制由研制、开发阶段转向应用阶段。80年代中后期，神经网络的研究获得了重大进展，为智能控制的研究起到了重大的推进作用。1985年8月，IEEE在美国纽约召开的智能控制专题讨论会，标志着智能控制作为一个新的学科分支正式被控制界公认。从1987年开始，每年都举行一次智能控制国际研讨会，形成了智能控制的研究热潮。20世纪90年代以来，智能控制的研究势头异常猛烈，1992年4月，美国国家自然科学基金委员会和美国电力研究院联合发出《智能控制》研究项目倡议书；1993年5月美国IEEE控制系统学会智能控制专业委员

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会成立专家小组，专门探讨“智能控制”的含义。1994年6月在美国奥兰多召开了IEEE全球计算智能大会，综合讨论了模糊控制、神经网络、进化计算三方面的内容，1995年10月国际智能自动化学会筹委会第一次会议在加拿大温哥华召开。国际智能自动化学会的成立将在世界范围内对智能自动化的研究起到推动作用。

智能车辆又称为轮式移动机器人，一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。由于其实行实时控制，考虑到小车的舵机的转向和图像信息采集处理所需的时间，故在实际决策或发出指令时会出现时滞现象。要想系统很好的实现预期的控制效果，必需考虑到时滞的影响。

传统时滞系统的经典控制方法包括自整定PD控制、Smith预估计控制和大林算法的控制算法。由于其具有结构简单、可靠性及实用性强等特点，在实际生产过程中得到了广泛的应用。但它们都是记忆参数模型的控制方法，因而自适应性和鲁棒性差、对模型的精确性要求高、抗干扰能力差。自整定PD控制需要在对象模型精确已知的情况下，实现PD参数的在线整定，当被控对象特性发生变化时，就必须重新对系统进行模型辨识，自适应性很差。Smith预估计控制是由Smith于1957年提出的，通过引入一个与被控制对象相并联的纯滞后环节，是补偿后的被控对象的等效传递函数不包括纯滞后项，但在实际操作中存在如下的问题: (l)系统对扰动的响应很差；

(2)若被控对象中包含极点时，即使控制对象中含有积分器，系统对扰动稳态误差也不为零。

随着人们对智能机器高速度、高精度要求的不断提高，并且要求智能机器在完成复杂的任务时具有自行规划和决策的能力，有自动躲避障碍运动到期望目标位置的能力等，使得整个智能机器系统对其控制部分的要求也越来越高，开发具有智能的机器已经成为人们研究的热点。智能机器技术能得到广泛地应用，得益于计算机技术和控制技术的发展和完善。经典的PD控制方法、模糊控制、神经网络控制、专家控制、自适应控制、鲁棒控制等现代控制理论方法都在智能机器系统中得到了应用。

研究被控对象的模型存在不确定性及未知环境交互作用较强情况下的控制时，智能控制方法得到了成功的应用。由于经典控制方法和现代控制方法在对机器轨迹跟踪控制时往往无法得到满意的效果。近年来，机器的智能控制在理论和应用方面都有较大的进展。采用模糊控制、神经网络控制等智能控制方法可以较好地解决机器人非线性系统的控制问题和复杂作业任务的控制问题。

1.3 研究现状与意义

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随着计算机和机器人技术的发展，研制机器人大致经过三代的演变： 第一代是可编程的示教再现型机器人。目前已经普及化，它是依靠人们给予程序，能重复进行多种操作的系统。由于其不具有传感器的反馈信息，因此不能在作业过程中从外界不断获取信息，来改善其自身的行动品质，故其应用范围和精度受到限制。

第二代是具有一定感觉功能和自适应能力的离线编程机器人。此种机器人配备了简单的内、外部传感器，能对自身的实际位置、方向等进行测量，能通过“视觉”、“触觉”等传感能力对外部环境进行实际探测，从而由这些反馈信息在事先编好的算法和程序指导下对操作过程进行调整。它与这几年迅速发展起来的传感器、微机技术和仿生学、控制理论等有密切关系。

第三代机器人是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能机器人。这种机器人装有多种传感器，并能将多种传感器探测到的信息进行“融合”（多传感器的信息融合）并做出相应决策，自主完成某一项任务。它能有效地适应变化的环境，具有很强自适应能力，是具有自学习和自治（自主决策）功能的智能机器人。

目前机器人的研究正向着复杂、智能型、自主型发展。机器人与人类生活联系得越来越紧密。作为现代机器人中一个重要分支的移动式机器人是一个相当活跃的研究领域。

室外视觉移动机器人的研究开始于二十世纪七十年代末，主要集中在美国、欧洲和日本等少数发达国家。由于硬件运算速度的限制，今天的视觉移动机器人往往还要使用其它的传感器，如测距传感器。不过在所有的信息中，视觉是最主要的信息来源。由于移动机器人技术集中了计算机视觉、模式识别、多传感器融合、人工智能、通讯以及虚拟现实等多学科先进成果，以及它在军事、民用和科学研究等领域广泛的应用前景，引起各国政府和一些大公司的注意。在二十几年的时间里，先后发展了许多具有代表性的实验原型机器人。我国类似的研究开始于“八五”期间，在“九五”期间各方面性能得到了进一步的提高。

1.4 本文主要研究内容和章节安排

该课题是以Freesale16位单片机MC9Sl2DG128为核心控制器的CPU而设计的“基于红外传感器的智能小车硬件设计”。其主要任务是能够准确采集周围环境的信号并进行处理分析，从而做出正确的判断，根据智能小车相对于赛道的位置来控制电机及舵机，以便达到控制智能车的运行速度、运动方向等目的。

本课题主要完成了探测电路、核心控制模块、速度检测电路、电机驱动、舵机驱动等控制电路以及电源模块的设计。

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按照文章结构，全文共分为一下几章：

第一章绪论。本章详细介绍了该课题的研究背景，以及其使用的红外传感技术、智能控制技术的发展状况等。并大体描述了该课题所研究的意义及内容。

第二章描述了智能车控制器的组成。本章将智能车系统进行了分模块讲解，讲述了各模块的功能和特点以及软件流程图。

第三章就智能小车路径跟踪控制系统的硬件方面进行了设计，包括智能小车舵机驱动电路与电动机驱动电路的设计、速度检测电路、电源电路的设计、抗干扰设计。

第四章 总结与展望。本章结合当前的智能自动导向车的技术，对本文进行了总结并针对本次设计的不足之处提出了小车需要改进的方向和方法。

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第二章 智能小车控制器概述

2.1 智能小车控制器硬件电路总述

智能车系统以MC9S12DG128BB为核心，该系统单片机可靠性高，抗干扰能力强，工作频率最高达到25MHZ，从而保障了系统的实时性。为了使智能车能够快速行驶，单片机必须把路径的迅速判断、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。如果传感器部分的数据没有正确地采集和识别，转向伺服电机控制的失当，都会造成模型车严重抖动甚至偏离赛道；如果直流电机的驱动控制效果不好，也会造成直线路段速度上不去，弯曲路段入弯速度过快等问题。赛道示意图如图2.1所示。

图2.1 赛道示意图

智能车系统一般由电源模块、传感器模块、直流电机驱动模块、路径识别模块、单片机模块等组成。智能小车控制系统结构图如图2.2所示。智能车系统的特点如下:

1.电源管理模块。智能车系统根据各部件正常工作的需要，对配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni—CD蓄电池进行电压调节。其中，单片机系统、路径识别的红外传感器和接收器电路、车速传感器电路需要5V电压，伺服电机工作电压范围4.8V到6V，直流电机可以使用7.2V 2000mAh Ni—CD蓄电池直接供电。

最常用的电源管理芯片是7805和7806。考虑到由驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，低压降的电压调节器如LM2940、LM2576等也被广泛的采用。

2.路径识别模块。路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方

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案的好坏，直接关系到最终性能的优劣。在此我选用TCRT5000红外传感器方案。

3.直流电机驱动模块。直流电机的控制一般由单片机的PWM信号来完成，驱动芯片一般采用飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器MC33886。

4.在速度控制上，为了提高行驶特别是弯道行驶的稳定性，有些队伍还采用了自行制作的解码器来感知车速的变化，从而更有效地控制了速度。

电源管理模块 直流电机 舵机 MC9S12DG128BB 霍尔传感器 路径识别模块 红外传感器 图2.2 智能小车控制系统结构图

2.2 智能小车控制系统软件设计简述

在智能车控制系统中，软件系统主要有以下几个部分：路径识别算法、后轮驱动电机控制算法、转向舵机控制算法、速度检测等。单片机系统需要接收路径识别电路的信号、车速传感器的信号。系统中采用某种路径搜索算法进行寻线判断，进而控制转向伺服电机和直流驱动电机。程序算法流程图如图2.3所示。

控制策略的选择对于小车的行驶性能是非常重要的，控制小车的最终目的就是要使小车在平稳行驶的前提下，尽可能地以最快的速度和最短的路线行驶。在此我就不详述了。

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控制智能车方向 控制智能车速度 计算智能车位置 中断函数 测量智能车速度 获取A/D值 中断发生 系统初始化 中断初始化

图2.3 程序算法流程图

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第三章 控制系统硬件电路设计

第二章简绍了智能车系统主要的几个模块:控制核心(MCU)模块、电源管理模块、路径识别模块、后轮电机驱动模块、转向舵机控制模块、速度检测模块。下面就具体介绍智能车各个模块的硬件设计方案，并对各个方案的优缺点进行论证。

3.1 电源模块设计

电源作为小车动力来源，为小车上的控制器，执行器，传感器提供可靠的工作电压。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。智能小车电源设计示意图如图3.1所示。

由于镍镉电池具有价格便宜、技术成熟、电路简单、瞬间大电流供应能力强等优势，在本设计中提供的电源为7.2V、2A/h的可充电镍镉蓄电池。由于电路中的不同模块需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池转换成各个模块所需要的电压。本次设计中所需要的电压为以下三种：

1）5V电压。主要为单片机、红外传感器、霍尔传感器等提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。

2）6V电压。主要为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机的工作电压范围4.8V～6V,电压无需十分稳定,选择6V电压为舵机供电有利于提高智能小车的性能;所需的工作电流一般在几十毫安左右。

3）7.2V电压。这部分直接取自电源两端电压，主要为后轮直流电机提供电源。

由此可见，除了电机驱动模块的电源可以直接取自电池之外，其余各模块的工作电压则需要从电池电压通过稳压芯片变换稳压获取。选择稳压芯片时除了考虑输出电压和电流容量参数外，还需要对稳压芯片的工作最小压差留有一定余量，这是由于电池两端的电压在模型车运行过程中会逐步降低。特别是在模型车的启动过程中，电池提供大的启动电流时，电池两端电压会降低很多，所以需要选择一些工作压差小的稳压芯片。

降压稳压电路可以采用串联稳压和开关稳压两种芯片。开关稳压芯片的工作

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效率高，但有较高的电源噪声，适用于耗电量比较大的电路。另外稳压电路的设计要求简单可靠，在满足电压波动范围下应尽量简化电源电路。

在电源的设计中还要考虑消除电源中的噪声并减少电压波动，需要在各级电源模块中安装滤波电容，包括容量小的高频滤波电容以及大容量的电解电容。由于电机存在驱动，为了避免电机在启动过程和制动过程中产生的冲击电流对于电源的影响，应尽量加大电池两端的电容容量。

7.2V 2000mAh 的Ni-CD蓄电池 5V电压 6V电压 主板 红外 传感器 速度 传感器 舵机 直流电机 图3.1智能小车电源设计示意图

3.1.1 5V电压模块设计

方案一:采用常用的7805三端稳压电路。 方案二:采用LM2576构成的开关电源。 采用7805构成的三端稳压电路存在着以下缺点:

1）内部功率损耗大，全部压降均转换成热量损失了，不仅造成了电源效率低，而且散发的大量热量也容易烧坏电子元器件以及电路版。

2）由于核心的元件7805的工作速度不太高，所以对于输入电压或者负载电流的急剧变化的响应慢。

智能汽车控制系统采用的是蓄电池供电，蓄电池的充放电次数是有限的，电能的利用效率愈显得非常重要，所以为了尽可能的延长蓄电池的使用时间，提高蓄电池的可利用率，在设计中采用了第二种设计方案，LM2576电路应用比较简单且外围元件较少，内置频率补偿电路和固定频率振荡器。LM2576系列产品的开关频率为52KHz，所以应用时可以使用小尺寸的滤波元件。LM2576可以高效的取代一般的三端线性稳压器，它能够充分的减小散热片的面积，在一些应用条件下甚至可以不使用散热片。在规定的输入电压和输出负载的条件下，LM2576

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输出电压的误差范围为±4%；振荡器的振荡频率误差范围为±10%；典型的待机电流为50mA，芯片内置过流保护电路和过热保护电路。

实践证明了该稳压电路的合理性，该电路不仅能够获得理想的5V电压而且芯片散热量也不大。开关电源的电路如图3.2所示。

图3.2 输出5V的开关电源电路图

LM2576系列的稳压器是单片集成电路，通常是单列直插5脚封装，固定输出电压有3.3V、5V、12V、15V，还有可调整输出的型号。其功耗非常低，一般不需要、或只要很小尺寸的散热片。该电路本身带有热关断及电流限制保护，可以很方便地组成具有各种正负电压值、输出3A的开关电源。

LM2576引脚功能如下：

“1”脚为降压开关稳压器的正向电源输入，接输入旁路电容C1(100μf)。 “2”脚为输出端，这是内部开关的发射极，其饱和电压Vsat是1.5V，与此脚相连的PCB区域要尽可能地小，以使其对感应电路的耦合最小。

“3” 脚为接地端，“4”脚为反馈，信号被内部电阻R1、R2分压，并送至内部误差放大器同相输入端。可调节型号的LM2576开关稳压器中这一管脚是误差放大器的直接输入，且电阻网络R2、R1从外部连接，以允许对输出进行调节。

“5” 脚为通／断控制端，允许用逻辑信号来控制开关稳压器。图中该引脚接地，表示接通。

如图所示，整个系统只需4个外接器件,且缺一不可，而且对元件参数有严格要求。

C1：100μF，50V铝电解电容；CJ4：220μF，16V铝电解电容；DP：3.0A，40V肖特基二极管；L：100μH电感。 3.1.2 6V电压模块的设计

智能汽车控制系统中，除了5V的供电电压外，还要向舵机提供6V的工作电

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压，电源模块还需要一个产生6V直流电压的电路。在市场上很难买到直接能输出6V电压的稳压芯片，只能用可调集成稳压器，在设计中选用了LM317可调稳压器。

LM317是美国国家半导体公司的三端可调整稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选择，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。LM317的使用特性非常简单，仅需要两个外接电阻来设置输出电压。其特性如下：

1）可调整输出电压1.2V-37V； 2）最大输出电流1.5A； 3）典型线形调整率0.010k； 4）典型负载调整率0.1%； 5）80dB纹波抑制比； 6）输出短路保护； 7）过流、过热保护； 8）调整管安全工作区保护；

LM317构成的调压电路如图3.3所示，其中1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证电压的输出性能，R1应小于240欧姆。在时间电路中选用120欧姆，改变R2阻值即可调整稳压电压值。Dl，D2用于保护LM317。

图3.3 舵机供电电压调节电路

3.2 路径探测模块设计

路径识别模块是智能车控制系统的关键模块之一，它将路况的信息传输给主

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控制模块，路径识别方案的好坏，直接影响着小车的控制效果。在智能车控制系统中，小车有多种寻迹方案。包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结合在一起的寻迹方案。下面依次具体介绍几种寻迹方案。

摄像头寻迹，就是通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，来进行路径识别的一种寻迹方法。摄像头有面阵和线阵两种。它的优点是可以更远更早地感知赛道的变化，但是硬件电路比较复杂，信息处理量大，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。

光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极管组成，一个发光二极管和一个接收二极管构成一对，这也相等于摄像头的一个像素。由于跑道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。

基于两种方案的优缺点，以及智能汽车控制核心MC9S12DG128的处理速度和内部资源，本文采用了光电传感器的设计方案。

本设计通过在地面铺设标志线，依靠标志线与地面的颜色对比来检测标志线。不同的颜色对光线有不同的反射率，用光电三极管接收反射回来的光线，根据反射强度的不同来判断是地面还是标志线。检测原理如图3.4.1所示。以白色地面黑色标志线为例，在相同的光照条件下，标志线反射光的强度小于地面反射光的强度，通过光电三极管将反射的光信号转换为电信号，经放大、模数转换送到微处理器，最后通过分析处理得到结果。

反射光强度的输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离X 的函数，设反射面物质为同种物质时，X 与 Vout 的响应曲线是非线性的，如图3.4.2所示。设定输出电压达到某一阙值时作为目标，不同的目标距离阙值电压是不同的。

图3.4.1 红外传感器检测原理图

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Vout 4 10 光强度相应曲线 X/mm

图3.4.2 反射光强度相应曲线图

路径探测模块的设计主要包括：传感器的选型、传感器的布局、传感器的安装以及控制电路的设计。 3.2.1 传感器选型

选择发射功率大、接收灵敏度高的红外传感器是保证红外检测电路可靠工作的基础。传感器的选择大体上有两种：

1）可以选择独立的红外发射与接收管，如：TSAL6200、TSOP1738。 2）可以选择一体化的选择发射/接收管，如TCRT5000、ITR9908。

由于一体化发射/接收管集成度高，抗干扰能力强。结合本设计的特点，我们选用了TCRT5000作为探测模块传感器。 3.2.2 传感器布局

红外传感器安装在一整块的电路板上，电路板可以起到承载传感器的作用，同时在其上也可以安装驱动和接收电路，电路板固定在模型车的前方。其布局如下：

1）“一”字型布局

“一”字型布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上。如图3.5(a)所示。

2）“V”字型布局

“V”字型布局，从横向来看与“一”字型类似，但它增加了纵向的特性，从有了一定的前瞻性。将中间两传感器进行前置的主要目的在于能够早一步了车前

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方是否为直道，从而可以进行加速。如图3.5(b)所示。

3）“W”字型布局

对于智能车能否顺利跑完全程，最重要的一点是过弯道，特别是通过比较弯道的能力。因此为了能够更早地预测到弯道的出现，还可以将左右两端的传感器进行适当前置，从而形成“W”型布局。如图3.5(c)所示。

图3.5 红外传感器布局图

3.2.3传感器间隔距离确定

各个传感器的布局间隔对智能车行车有一定的影响的。根据运行跑道规则，中间黑线(导引线)的宽度为25mm，因此如果要求传感器间不出现同时感应现象（即每次采集只出现一个传感器值为“1”），那么传感器间隔就必须大于25mm。事实上这样做只能产生9种不同的情况（包括迷失，即传感器均为“0”），对于控制策略的设计会带有局限性。因此可以将间隔设计成小于25mm，从而产生更多种情况。此外，如果间隔过大，还会出现另一种情况，即在间隔之间出现空白，当线移动到该范围时，传感器感应不到，从而出现迷失现象。在设计中红外管的间距小于黑色导引线的宽度，从而使红外更容易感应到黑线，有利于车与赛道偏移距离的判断。由于小车的宽度不能超过250mm，而且车上最多安装16个红外传感器，为了检测更宽的横行信息，本设计最终安装了8个红外传感器且间隔为20mm。最终的红外传感器排列的正面图如图3.6所示。 3.2.4径向探出距离的设计

径向探出距离是指光电传感器离车头的径向距离。它主要影响智能车的预测性能。对于未知的赛道，如果能早一步了解到前方道路的情况，那么就可以早点做出调整，从而使车以相应最优策略通过赛道。所以，理论上探出距离是越大越好，但是如果距离过大，智能车可能会发生重心偏移，造成行驶不稳、振动等一系列问题。除此之外，红外传感器相对于地面的高度和角度决定了检测道路的范围。传感器的高度及相对地面的垂直角度越大，他的检测前瞻距离越远，同时检测道路的宽度也越远。因此，为了既能增加径向距离，又不引起重心偏移，红外

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传感器安装如图3.7所示。

图3.6 实际应用中红外传感器布局图

图3.7 传感器在小车上的安装实物图

3.2.5 探测模块控制电路设计

红外接收管接收道路反射的红外光后会产生变化电压，这样就可以反应出跑到中心线的位置。这个电压信息可以通过外部的电压比较器变成高低电平后由单片机的I/O口读取，也可以通过单片机A/D端口直接读取。

通过单片机的A/D口直接读取电压的变化量，可以简化单片机外部电路的设计，同时还可以保留红外接收管的连续变化电压信息，这样通过软件算法进行位置插值细化，不仅可以得更加准确的位置信息，同时还可以消除环境光线的影响。但是单片机I/O口较多，可以并行输入传感器的状态，读取速度快。虽然这种方

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式需要增加多路电压比较电路，增加了电路的复杂性，同时也可能将红外接收管上连续变化电压由于整形而丢失。但是结合本设计采用的红外传感器为一体化的TCRT5000，其采样得到的信号为单片机直接可采用的方波信号。因此在设计中直接通过红外传感器采集路面信号即可直接送单片机的I/O口进行处理。不仅没有增加硬件电路的复杂性，同时相对于用A/D口而言又减轻了软件设计的负担。

在能够实现小车安全稳定运行的基础上，遵循设计简单的原则，本设计采用的是I/O接口检测模块。

图3.8 探测模块控制电路图

如图3.8所示，每个红外传感器TCRT5000都由一个发射管和一个接收管组成。发射管发射的光线若照射在白色跑道上，则被吸收的光线少，反射光较强，对应的接收管导通，将低电平信号送至单片机。反之，如果发射光线照射在黑色引导线上，那么反射光很弱或几乎没有，此时接收管将被截止，通过一上拉电阻将高电平送至单片机。

3.3 速度检测模块的设计

为了使小车能够平稳的沿着跑道运行，除了控制前轮转向电机外，还需要控制车速，使模型车在急转弯时速度不要过快而冲出跑道。可以通过驱动电机上的平均电压控

速，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。这些因素会造成行车的不稳定。通过速度检测，对小车的速度进行闭环反馈控制，可提高小车运行的精确度。

一般情况下，智能小车的车速与驱动电动机的转速成正比，这样可以通过检测驱动电动机的转速来计算当前车辆的行驶速度，可以通过电压来测速，也可以通过计数脉冲来进行测速。

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车速检测的方式有很多，大致有以下几种方式：

1.测速发电机。测速发电动机是一种典型的电压测速装置，它能把电动机的转速变换成电压信号，其输出电压在磁极磁通量为常数时满足输出电压与输入转速成正比关系且输出电压与输入的转速成正比关系，一般可以采用同轴直连的方式或者齿轮动的方式将测速发电动机与驱动电动机相连，但是测速发电动机在有负载和无载的情况下所反映的转速与输出电压的关系并非是线性关系，因为测速电动机受到电枢反应、电刷接触电阻、温度、纹波等影响，且因为重量关系，因此不用它。

2.转角编码盘。它常被用来测量旋转轴的位置和转速。分为“绝对式位置编码器”和“增量式轴编码器”，“绝对式位置编码器”被用来测量转轴的实际位置，这种编码器常被用于伺服系统中来获得一定的转轴位置。“增量式轴编码器”常被用来测量转轴的转速(速率和方向)。增量式轴编码器可以产生直接对应于轴转速的脉冲序列，如果采用有两相信号输出的增量式轴编码器，那么脉冲序列就可以直接表示出电机的旋转方向。

3.反射式光电检测。在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间的光码盘，通过固定在附近的反射式红外传感器读取光码盘转动的脉冲。

通过计数脉冲来进行计数显得更为简单，只要微控制器在一定时间内对与速有一定关系的脉冲进行计数便可以实现测速，计数脉冲的形成有很多方法，以通过增量式转角编码盘来实现，它输出的脉冲个数与电动机转动的角度成比，然后根据单位时间内的转角来计算电动机角速度。也可以通过光电检测方来实现。 4.透射式光电检测。透射式红外传感器的工作原理与反射式光电检测的原理相似反射式是过红外光在不同的反射面上形成的反射光强不同来形成脉冲，透射式光电检测是通过齿槽对光线的遮挡来形成脉冲的。

5.霍尔传感器检测。在后轮输出轴上粘贴一个或者两个小型永磁体，附近固定一个霍尔传感器，如CS3020和CS10218型霍尔传感器。霍尔元件有3个引脚，其中两个是电源和地，第三个是输出信号，只要通过一个上拉电阻接至5V电压，就可以形成开关脉冲。

比较几种测速方式可知，使用霍尔传感器进行测速不仅可以简化电路，在软件控制算法上也比较简单那，因此本设计采用了CS3020进行测速控制的设计。其设计电路图如3.9所示。

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图3.9 霍尔传感器控制电路图

3.4 MC9S12DG128单片机简介

次设计使用的微控制器是Freescale公司推出的S12系列单片机中具有增强型的16位单片机MC9S12DG128，其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，该系列单片机在汽车电子领域有着广泛的应用。

MC9S12DG128微控制器采用增强型16位S12CPU,片内总线时钟频率最高可达25MHZ；片内资源包括8KB RAM、128KB FLASH、2KB EEPROM、SCI、SPI、PWM串行接口模块；PWM模块可设置成4路8位或2路16位，可宽范围选择逻辑时钟频率；它还提供2个8路10位精度A/D转换器、控制器局域网模块CAN和增强型捕捉定时器，并支持背景调试模式（BDM）。 3.4.1 MC9S12DG128的结构

MC9S12DG128系统结构图如图3.10所示,结构框图如图3.11所示。 MC9S12DG128系统结构大致可分为MCU核心与MCU外设两部分，对应于图3.5中的左右半边。 1.MCU核心

该部分包括MCU的3种存储器（FLASH、RAM、EEPROM）；多电压调整器，包括数字电路和模拟电路电源电压；具有单线背景调试接口（BDM）和运行监视功能的增强S12CPU；程序存储器的页面模式控制；具有中断识别、读/写控制、工作模式等控制功能的系统综合模块（SIM）；可用于系统扩展的分时复用总线端口，其中A口、B口可作为外扩存储器或接口电路时的复用地址/数据总线，E口的部分口可作为控制总线。 2.MCU外设

S12外设部分包括：A/D转换器（ATD0、ATD1）,增强型定时与捕捉模块（ECT），串行接口SPI、I2C、CAN、Byteflight等接口。

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S12系列微控制器有以下特点：

1）S12核心：16位S12CPU；20位ALU，指令队列，增强型索引寻址；多种外部总线接口（MEBI）；模块映射控制机制（MMC）；中断控制(INT）；断点（BKP）；背景调试模块（BDM）。

2）CRG时钟和复位发生器 ：锁相环（PPL）；看门狗（COP watchdog）；实时中断（RTI）；时钟监视器（CM）。 3）带中断功能的8位和4位端口。

4）存储器：128KB FLASH；2KB EEPROM；8KB RAM。 5）2个8通道模/数转换器。

6）8个PWM通道：每个通道的周期和占空比由程序决定，各通道独立控制，脉冲在周期内中心对称或左右对齐。

7）串行口：2个异步串行通信接口（SCI）；2个同步串行设备接口（SPI）；Byteflight模块。

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3.10 MC9S12DG128系统结构图

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HCS 12 CPU 128KB FLASH 2个8路10位ADC 增强型8路16位定时器 8位8路 / 16位4路PWM 2个 SCI 口 8KB RAM 2个 SPI 口 IIC 2KB EEPROM 5个增强型CAN总线接口 5V变2.5V电压调整器 J1850通信口 图3.11 MC9S12DG128B单片机的结构框图

3.4.2 MC9S12DG128引脚结构及功能介绍

采用LQFP-112封装的MC9S12G128引脚分布见图3.12。

S12MCU的每一种接口大多具有双重或多种功能，即通用I/O功能和特殊接口功能。在单片模式下，A口、B口和部分E口也可以用作通用I/O接口。这些双重功能的I/O口本身及其控制逻辑完全集成在MCU内部，其体积、功耗、可靠性、应用简单方便程度都与我们自行扩充的I/O口有着重要的区别。接下来将大致介绍相关引脚的功能。 一、系统功能引脚

1）EXTAL、XTAL：振荡器引脚，即晶振电路或外部时钟引脚。

2）RESET：外部复位引脚，低电平有效，为双向控制信号。当输入低电平有效时，将MCU初始化成默认状态；当MCU内部功能引起复位时，可作为输入信号。

3）TEST：测试引脚，仅有输入功能，专为测试预留。在所有应用中必须和VSS连在一起。

4）XFC：琐相环滤波器引脚，用于外接锁相环滤波器。

5）BKGD / TAGHI / MODC：背景调试引脚，指令高字节执行标志（在扩展模式下有效），模式选择端子。该引脚在背景调试中作为通信引脚。在复位中作为MCU操作模式选择引脚，在RESET信号上升沿这个引脚的状态所如MODC位。

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的模拟数入引脚。

模式中，这些引脚可作为数据总线。

三、 P口

二、A口和B口

此引脚有一个固定的上拉电阻，并且一直使能。

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图3.12 MC9S12DG128引脚结构图

数转换器的输入引脚，分别作为模/数转换器ADT1和ADT0的外部触发输入。

个使MCU退出停止或者等待模式的中断；也可以作为PWM7-4通道的输出。

1）PP[7:4] / KWP[7:4] / PWM[7:4]:P口的通用输入输出引脚；可用于产生一

3）PB[7:0] / ADDR[7:0] / DATA[7:0]：通用输入或输出引脚；在MCU扩展操作

2）PAD[14:8] / AN1[6:0]和PAD[6:0] / AN0[6:0]：通用输入引脚；模/数转换器

1）PAD[15] / AN1[7] / ETRIG1和PAD[7] / AN0[7] / ETRI：通用输入引脚；摸/

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2）PP3 / KWP3 / PWM3 / SS1：通用输入或输出引脚；可用于产生一个使MCU退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的3通道的输出；还可以作为串行设备接口1（SPI1）的从选引脚SS1.

3）PP2 / KWP2 / PWM2 / SCK1：通用输入或输出引脚；可用于产生一个使MCU退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的2通道的输出；还可以作为串行设备接口1（SPI1）的串行时钟引脚SCK1。

4）PP1 / KWP1 / PWM1 / MOSI1：通用输入或输出引脚；可用于产生一个使MCU退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的1通道的输出；还可以作为串行设备接口1（SPI1）的主模式输出引脚，或者从模式的输入引脚，即配置为MOSI。

5）PP0 / KWP0 / PWM0 / MISO1：通用输入或输出引脚；可用于产生一个使MCU退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的0通道的输出；还可以作为串行设备接口1（SPI1）的主模式的输入引脚或从模式的输出引脚，即配置为MISO1。 四、S口和T口

1）PS7 / SS0：通用输入输出引脚；可作为串行设备接口0（SPI0）的从选择引脚SS0。

2）PS6 / SCK0：通用输入输出引脚；可作为串行设备接口0（SPI0）的串行时钟引脚SCK0。

3）PS5 / MOSI0：通用输入输出引脚；可配置为SPI0的主模式输出引脚或者从模式输入引脚，即配置为MOSI。

4）PS4 / MISO0：通用输入输出引脚；可配置为SPI0的主模式输入引脚或者从模式输出引脚，即配置为MISO。

5)PS3 / TXD1：通用输入输出引脚；可作为串行设备接口1（SCI1）的发送引脚TXD1。

6）PS2 / RXD1：通用输入输出引脚；可作为串行设备接口1（SCI1）的接收引脚RXD1。

7）PS1 / TXD0：通用输入输出引脚；可作为串行设备接口0（SCI0）的发送引脚TXD0。

8）PS0 / RXD0：通用输入输出引脚；可作为串行设备接口0（SCI0）的接收引脚RXD0。

9）PT[7:0] / IOC[7:0]：通用输入输出引脚；可作为增强型捕捉定时器（ECT）的输入捕捉和输出比较引脚IOC7-IOC0。 五、 电源引脚

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1）VDDX和VSSX：I/O驱动的外部电源和接地引脚。为满足信号快速上升的要求，电源应能提供瞬时大电流，因此应使用高频旁路电流，并尽可能放在MCU旁边，旁路要求取决于MCU引脚的负载大小。

2）VDDR和VSSR：I/O驱动的外部电源和接地引脚及内部电压调节器的输入。为满足信号的快速上升要求，电源应能提供瞬时大电流，应此因使用高频旁路电流，并尽可能放置在MCU旁边，旁路要求取决于MCU引脚的负载大小。

3）VDD1、VDD2、VSS1和VSS2：电源通过VDD和VSS给MCU供电，为满足信号快速上升的要求，电源应能提供瞬时大电流，因此应使用高频旁路电容，并尽可能放置在MCU旁边。这个2.5V电压来自于内部电压调节器。这些引脚不允许悬空。如果VREGEN接地，则内部电压调节器将被关闭。

4）VDDA和VSSA：电压调节器和模/数转换器的电源供应和接地输入引脚。为内部电压调节器提供参考，允许独立旁路ATD的供应电压和参考电压。

5）VRH和VRL：模/数转换器参考电压输入引脚。

6）VDDPLL和VSSPLL：为振荡器和锁相环提供操作电压和接地。这个2.5V电压来自内部电压调节器。

7）VREGEN：使能内部5-2.5V的电压调节器。如果此引脚接低电平，则VDD1、VDD2和VDDPLL必须由外部供电。

3.4.3单片机MC9S12DG128最小硬件系统设计

单片机最小系统如图3.13所示。

虽然单片机将CPU，ROM，RAM以及I/O统统集成在一个集成电路芯片中，但仍需要一些外部电路的支持，这些外围电路主要为单片机系统提供电源、时钟，I/O驱动、通信口等，让单片机可以正常使用，这个最小系统，即人要能够与单片机通信(一般是通过串行口或BDM电缆等来实现)，包括发命令给单片机，下载程序，调试程序等。有了这些基本环境，就可以调试单片机的硬件系统了，最小系统可以分为以下几个部分:

1）时钟电路

时钟基本脉冲是CPU工作的基础。MC9S12DG128微控制器的系统时钟信号由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。MCU内部的所有时钟信号都来源于EXTAL引脚，也为MCU与其他外界芯片之间的 通信提供了可靠的同步时钟信号。

MC9S12DG128在内部集成了完整的振荡电路，XTAT和EXTAT分别为振荡器 的输出和输入引脚，XTAT和EXTAL引脚可接入一个石英或陶瓷振荡器。其内部振荡电路如图3.14所示。图中的电阻R是为了避免对外接晶体振荡器的过驱动，电容C可提高振荡器的稳定性。

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图3.13 单片机最小系统

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图3.14 MC9S12DG128时钟振荡电路

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2）复位电路

S12MCU共有5种复位操作，分别是上电复位、低电压复位、外部复位、时钟监视复位和看门狗复位。

虽然单片机片内集成有上电复位电路，单片机上电时可自动产生复位信号，但加上一个手动复位按钮会给调试带来方便。外部复位电路可以使用简单的按钮加阻容电路，也可以加专门的复位芯片。在该控制系统主板设计中，采取按钮加阻容电路。如图3.15所示。

图3.15 主控模块复位控制电路

当S12MCU内部检测电路发现电源端VDD出现正跳变或过低时，MCU自动进入上电复位或低压复位过程。其复位电路如图3.12所示。这里要强调的是，在该电路中，电容C41的大小不能太大，可以选择0.0luf，甚至也可以不用这个电容，在51单片机复位电路上这个电容可选10uF，但是在FreescaleS12系列单片机的复位电路上这个电容却不能那么大。因为C6过大的话，会导致单片机无法进入BDM工作模式。 3）供电电路

单片机的供电是靠外部+5V电源，通过外部电源提供的。S12单片机片内使用2.5V电压，片外I/O使用5V电压，较低的片内电压使CPU运算速度快，功耗低；较高的I/O电平有利于抗外界干扰。由于S12单片机内部集成了电压调整器模块，电压调整器模块产生单片机内部需要的其他电压，因此只要向S12单片机提供+5V外部电源就可以了。为了稳定这些不同的电压，需要外接一些电容，这些电容有两类，电容值比较大的如luF、10uF等称为储能电容，储能电容消除吞吐数字电路1变0、0变1，即三极管导通、截止时的电流变化；另一类电容值较小

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的电容，如0.luF、0.0luF，称为去藕电容，去掉单片机运行产生的高频躁声。

4）调试显示。在单片机的某个I/O接口上装上一些二极管对最小系统的调试很有用，将调试用的发光二极管接在B口上，虽然这部分并不是最小系统必需的。另外，把单片机的所有I/O都引出来，这样方便单片机与外界电路的联接。

5）单片机模式选择模块。FreescaleS12系列单片机一共有两种工作模式，分别是单片运行模式和扩展运行模式。单片运行模式是S12单片机最常用的一种运行模式，单片运行模式又分为普通单片模式和特殊单片模式。普通单片模式是正常运行应用程序时应使用的模式，特殊单片模式是指BDM调试模式。扩展运行模式允许通过CPU外部总线扩展RAM、Flash、I/O等。工作模式的确立由MODA、MODB、MODC的输入电平状态来确定的，在复位的时候，复位信号上升沿锁存MODA、MODB、MODC等引脚上的输入电平状态到运行模式寄存器(Mode Register)中的相应位，随后单片机便进入相应的工作模式。因为MC9S12DG128有足够的存储器资源，所以在智能车控制系统中只需要工作在单片运行模式。如表3.1所示，要使单片机工作在单片运行模式，MODA和MODB都跳线到低电平。然后当MODC(BKGD)为低电平时，就进入特殊单片模式，当MODC(BKGD)为高电平的时候就进入一般单片模式。通常，当单片机输入引脚浮空时，CPU默认高电平，BKGD引脚上的低电平是由BDM调试工具的相应引脚提供的。所以可理解为，当插上BDM头时，可进入特殊单片模式；当不插BDM头时，自动进入普通单片模式。

表3.1 工作模式选择

PE5= MODA 0 0 0 0 1 1 1 1

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PE6= MODB 0 0 1 1 0 0 1 1 BKGD= MODC 0 1 0 1 0 1 0 1 工作模式描述 特殊单片模式，允许BDM 普通单片模式 特殊测试扩展模式，允许BDM 特殊外围，BDM不能被使用 窄的竞争扩展模式，允许BDM 一般窄的扩展模式，允许BDM 宽的竞争扩展模式，允许BDM 一般宽的扩展模式，允许BDM

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3.5 舵机驱动模块设计

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。其中，直流马达提供了原始动力，带动减速齿轮组，产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，输出扭力也愈大，越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。

舵机的输入线共有三条:红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格:4.8V和6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线。

本设计中使用的舵机为SANWAHS-925。如图3.16所示，该舵机的工作角度为:45度/400us，有两种工作电压，分别是4.8V和6.0V。工作电压为4.8V时，速度为0.11sec/60，堵转力矩为6.1kg.m。工作电压为6.0V时，速度为0.08sec/60，堵转力矩为7.7kg.cm。在设计中，为了提高舵机的响应速度和工作力矩，采用6.0V工作电压。硬件电路如图3.17所示。

图3.16 舵机HS-925外形 图3.17 舵机控制电路图

3.6 后轮电机驱动模块设计

3.6.1 驱动电机介绍

智能车前进的动力是通过直流电机来驱动的，直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，较高的效率，优异的动态特性。

本次设计采用的驱动电机为RS-380电机，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A，转速为16200r/min。在工作电流为3.3A，转速达到14060r/min，工作效率

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最大。它的外形如图3.18所示。

图3.18 驱动电机外形图

RS-380SH型电机机械负载特性如表3.2所示。

表3.2 驱动电机负载特性

电压 工 作 范 围 正 常 空载 速 度 电 流 最高效率 速 度 电 流 mN. g. M cm 扭 矩 输 出 W mN. g. M cm A 堵转 扭 矩 电流 r/min A r/min A 3～9 7.2 16200 0.5 14060 3.29 10.9 111 16 82.3 839 21.6 RS-380SH型电机特性曲线图如图3.19所示。

图3.19 驱动电机特性曲线图

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3.6.2 电机的驱动控制

近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化，随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制(pulse width modulation简称PWM)控制方式己成为主流这种控制方式很容易在单片机控制中实现。采用专用集成电路芯片可以很方便地组 成单片机控制的小功率直流伺服系统。本设计选用的驱动芯片是飞思卡尔半导体公司的H桥式驱动器MC33886。其引脚图如图3.20所示。

图3.20 MC33886引脚图

MC33886的引脚功能说明如下：

PGND和AGND电源和接地引脚。电源和接地引脚要连在一起并与低阻抗连接。

Vpwr为电源驱动引脚。所有的电源驱动引脚在印制电路板上必须连接在一起。并要以最短的路径布线，以将阻抗降到最低。该引脚有一电压下限。当提供的电压低于这个下限值，输出电源开关动作，使输出处于三态状态，FS标志和引脚被设置为低电平。当提供的电压恢复后，则引脚和FS标志自动恢复到高电平。

FS为驱动FS输出。需外接上拉电阻后接5V电源。

IN1, IN2, D1, D2。这些引脚使控制输出的输入引脚。带滞后CMOS兼容。IN1和IN2分别独立控制输出1和2。D1、D2免输入用于控制H桥的三态时能输出。当D1=高电平或D2=低电平，输出1和2使三态使能状态，驱动电路步工作，Ipwr电流减小。

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OUT1 、OUT2。输出是6.5A电流的PWM脉冲信号。输出也有三态和滞后的短路电流保护。

短路及过流保护。如果输出被检测到过流，输出电源打开三态，FS标志变为逻辑高电平。如果D1由高电平变成低电平或者D2从低电平变成高电平，输出开关重新打开同时FS标志重置为高电平。输出总是在工作温度范围内提供驱动连接并随着输入的变化而变化。

PWM电流限制。正常工作状况下的最大电流是6.0-8.5A。当达到最大电流值时，输出在20微妙内变成三态。时间常数与负载特性相一致。在三态期间输出电流逐渐减少直到下一个ON循环开使。

PWM电流限制值取决于驱动连接温度。当温度使-40-160摄氏度时，Imax在6.0-8.5A之间。当温度超过160摄氏度，Imax的值线性的减少到2.5A。当温度达到175摄氏度或高于175摄氏度或驱动达到Tlim。这个特性允许驱动工作一段时间但是当温度高于160摄氏度时，输出性能逐渐衰减。

高温断开和迟滞现象。在高温条件下，驱动输出三态而不受输入控制，FS标志被设置逻辑低电平。若D1电压由高电平变为低电平或D2从低电平变成高电平，输出开关重新打开，提供低于最高温的温度三态限制减少迟滞。FS被重置为高电平。

Ccp电荷输出引脚。在该引脚与PGND之间连接一个过滤电容（33nf）。该驱动能够在没有外部电容器的条件下运行。该电容能够由利于减少噪音，允许驱动在最大速度、最长的时间以及最大的PWM频率下运行。 工作特性:

(1)5V到40V的连续操作。

(2)可以接受TTL或CMOS以及与它们兼容的输 (3)PWM控制频率可以达到10kHz。

(4)通过PWM的通一断来控制驱动电流的大小。 (5)内部设有短路保护，欠压保护电路。 (6)内部设有错误状态报告功能。

通过电机驱动，控制驱动电机两端的电压可以使小车的加速运行，也可对小车进行制动控制。在应用中，为了给小车提供强劲的动力，把MC33886的两个半桥并联来增强驱动能力。本次设计也是应用了两个MC33886来驱动电机，这样设计不仅可以提高电机的输入电流，增大电机的实际功率，使电机能在不增加动力源的情况下，性能大幅度提高；还可以减小单片MC33886的功耗，MC33886发热现象比较严重，上面须加上一定面积的散热片来缓和一下，在这里用两片MC33886来为同一个电机供能，可以有效地减小单片MC33886的功耗，发热现

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象也可以得到部分缓解。

如图3.21所示，电机驱动电路的电源可以直接用电池两端的电压。通过两路PWM脉冲信号来驱动电机，PWM脉冲信号通过输入引脚输入，以调节其对应的输出口电压，从而使得电机两端电压产生一个压差，MCU通过改变脉冲的占空比即可调节电机的转速。由于小车在启动过程中往往会产生和很大的电流冲击，一方面会对其他电路造成电磁干扰；另一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需的最低电压值，产生单片机复位现象。为了克服启动冲击电流产生的影响，在电源中增加了电容值较大的电解电容C9。使其在启动时驱动电路输出电压有一个渐变的过程，使得电机启动速度略为降低从而减小启动冲击电流的幅度。

图3.21 33886驱动电机模块电路

3.7系统抗干扰设计

抗干扰措施分为硬件措施和软件措施。采取合适的硬件措施可消除大部分的干扰，软件措施作为后背技术消除已进入系统的干扰。由于软件抗干扰措施是以CPU为代价的，应合理使用软件方法，避免影响CPU在系统中的正常运行。因

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