基于飞思卡尔单片机的智能汽车设计毕业设计论文.docx
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基于飞思卡尔单片机的智能汽车设计毕业设计论文
毕业设计论文
基于飞思卡尔单片机的智能汽车设计
摘要
本智能车系统设计以MC9S12DG128B微控制器为核心，通过一个CMOS摄像头检测模型车的运动位置和运动方向，使用LM1881视频分离芯片对图像进行处理，用光电传感器检测模型车的速度并使用PID控制算法调节驱动电机的转速和舵机的方向，完成对模型车运动速度和运动方向的闭环控制。
为了提高智能车的行驶速度和可靠性，采用了自制的电路板，在性能和重量上有了更大的优势，对比了各种方案的优缺点。
实验结果表明，系统设计方案可行
关键词：
MC9S12DG128，CMOS摄像头，PID
TheResearchofSmallandMedium-sizedElectricMachinesinFuanCity
Author：
YaofangTutor：
Mashuhua
Abstract
FujianFuanCityindustryofelectricmotorandelectricalequipmentistheoneofthemostrepresentativephenomenonofindustryclusterinFujianProvincemechanicalindustry.Itsoutputvalueofsmallandmedium-sizedelectricmachinesaccountsfor20%ofthewholeprovince’selectricalequipmentindustry.Theoutputamountofsmallandmedium-sizedelectricmachinesfromthisregiontakesup1/3ofthatofthewholenation.Fuanelectricmotorandelectricalequipmentindustryplaysasignificantroleinthedevelopmentoflocalnationaleconomy,beingconsideredtobethemaingrowthpointoflocaleconomyandcalled"theChineseelectricmotorandelectricalequipmentcity".
Thispaperlaunchedaresearchonsmallandmedium-sizedelectricmachinesinFuancityfromtwoangles.ThefirstoneinferredthesituationofFuanelectricmachineindustrialclusteraswellastheanalysisofthetemporaryexistedproblems,andthenproposeafewofsuggestionsonthepartoflocalgovernment.ThesecondpartfocusontheimprovementofthecompetitivenessofFuanelectricmachineenterprises,throughtheapplicationofMichaelPorter'sFiveForcesModelintothelocalindustryofelectricmachine,consequentlycarriedoutsomestrategieslocalenterprisesshouldtake.
KeyWords:
smallandmedium-sizedelectricmachines,FiveForcesModel,industrialcluster
1绪论
1.1智能车竞赛背景介绍
全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛是教育部主办的面向全国大学生的五大赛事之一（另外四个：
数学建模、电子设计、机械设计、结构设计）。
智能车竞赛是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛。
大赛旨在加强大学生的创新与实践动手的能力，为社会培养一批优秀的创新型人才。
全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了三届，比赛规模不断扩大、比赛成绩不断提高。
前三届比赛决赛分别由清华大学、上海交通大学和东北大学承办。
通过比赛，促进了高等学校素质教育，培养了大学生的综合知识运用能力、基本工程实践能力和创新意识，激发了大学生从事科学研究与探索的兴趣和潜能,倡导理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神，为优秀人才的脱颖而出创造了条件。
全国大学生智能汽车竞赛是在竞赛组委会提供的统一汽车模型平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过设计道路识别传感器和电机驱动电路、编写相应软件及装配模型车，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线（路线赛前未知）行进，以完成时间最短者为优胜。
Freescale公司是目前全球领先的半导体公司之一，它为汽车电子、消费电子、工业控制、网络和无线市场设计并制造了众多的嵌入式半导体产品，拥有多达19000种产品。
Freecale公司是全球十大芯片制造商之一，在8位、16位和32位微控制器领域处于领先地位。
智能汽车竞赛所使用的自动控制器是以单片机MC9S12DG128为核心，配合有传感器、电机、舵机、电池以及相应的驱动电路，，它能够自主识别路径，控制模型车高速稳定运行在跑道上。
本届比赛按照赛车进行道路检测方式的不同分为光电组和摄像头组，如果赛车使用了透镜成像原理进行道路检测则属于摄像头组，其余属于光电组。
1.2智能车系统设计思路及方案分析
智能车竞赛已成功举办了三届，水平越来越高，每一届都能有很多创意值得学习，也会有一些教训需要吸取。
我们对所能找到的资料进行了认真的分析和总结，从而确定了我们的设计思路。
首先，采用低重心设计。
前三届的比赛中，不乏因重心过高而翻车的例子。
重心成了进一步加快智能车弯道速度的限制之一。
反观一些速度很快的赛车，重心一般都比较低（有个别例外）。
因此，尽可能降低重心成为我们设计智能车过程中始终重点考虑的问题之一。
对智能车重心影响最大的当属摄像头及其支架；支架选择轻质材料制作，且在不影响道路识别的情况下，尽量降低支架高度。
还可以通过减小PCB版面积，低位安装来降低重心。
第二，提高图像的分辨率，增强摄像头及算法对光线的适应性。
在赛场上，智能车因无法适应场地光线，从而无法完成比赛，是一件很可惜的事情。
我们从摄像头的选型到程序的编写，再到平时的调试，始终注意了提高智能车道路检测系统对场地光线的适应性。
我们选用了CMOS摄像头，它一方面可以提供很高的分辨率，另一方面对光线的适应性也很好。
第三，在算法设计上，要实现“抄近道”的跑法。
所谓“抄近道”，是指智能车并不是严格沿着黑线行进，而是在保证不犯规的情况下，走最短的路径。
“抄近道”也就是路径优化。
我们曾经做过测试，通过一个小S弯，沿弯道跑的赛车比直冲小S弯的赛车多费一倍多的时间。
如何实现路径优化，是我们软件设计中重点解决的问题之一。
最后，减轻车重、调整车模机械结构、也可以有效地提高智能车的平均速度。
在智能车硬件电路的设计上，我们采用了模块化的设计思想。
将整个系统分为最小系统板、电源模块、驱动模块、图像采集模块等若干模块。
每个模块只负责完成特定的功能，与其他模块之间相对独立。
这种“分而治之”的模块化硬件设计思想，把复杂的系统分为若干功能模块，方便了小组内进行分工设计。
同时，由于进行了模块化划分，电路规模也相对变小了，减小了出错的几率，增大了成功率。
在前期开发阶段，可以对各个模块进行单独测试。
保持各模块间接口定义不变，各模块可以单独升级换代，具有一定的通用性。
在调试过程中，每一模块均有备件，且拆装替换方便。
如果某一模块出故障或需要升级，可以马上替换，不会出现因一点小故障导致调试工作无法进行的问题。
这也保证了我们的调试进度。
比如：
我们针对驱动模块、电源模块在调试过程中出现的问题，对这两个模块进行了改进；此外，对数字摄像头模块也进行过改进，提高了图像的质量。
这些改动都没有对我们的调试进度产生大的影响。
对于系统软件的设计，我们也力图使软件模块化、层次化。
在程序中，有一个专门的.h和.c文件负责和硬件的接口。
如果在调试中改动了硬件，只需改变这两个文件中的部分设置，其他部分程序不需要改动。
这样的设计方便了我们调试软件，提高了代码的可重用性，也减小了出错的几率。
1.3系统整体设计结构图
按照预先的设计，我们设计了整个系统的结构图。
系统力求简单高效，在满足比赛要求的情况下，使硬件结构最简单，减少因硬件而出现的问题。
图1.1智能车系统结构图
2机械结构的调整与设计
为了使车能够更稳定的高速运行，我们对这个车进行了系统的分析。
今年的车模精度不是很高，因此尽量在规则允许范围内改造车模，提高车模整体精度是很必要的。
另外，我们在实际调试中发现，前轮的束角和主销倾角对车的高速运行下的稳定性影响很大。
高速运行下舵机的转动速度对车转向的灵活程度也起到了根本性的作用。
所以，在整车的机械结构方面我们进行了三方面改进：
转向机构改进、前轮束角调整、底盘高度调整。
2.1机械安装结构调整
由于在比赛时硬件部分对赛车的速度有很大的影响，所以对赛车的机械安装部分的调整有很大的必要。
2.2舵机安装方式的调整
将舵机竖立放置，并适当加长其传动杆，可以提高舵机的控制精度，加快赛车转向的灵敏度。
图2.1舵机安装调整图
2.3摄像头的安装
图2.2摄像头安装方式
今年我们采用了更轻的材料制作摄像头支架，并且就地取材，采用小车配备的备用零件固定摄像头，并将摄像头放置在小车的后方，以便减少赛车前方的盲区，对小车的控制十分有利。
2.4测速码盘的安装
图2.3测速安装方式
在测速方面我们采用了透射式光电码盘的方法，并且将码盘固定在电机的转动轴上，从而能获取更多的脉冲。
该方法在速度不是特别高的时候，足以满足我们的测量要求，具有很高的性价比。
2.5前轮倾角的调整
我们在调试中发现：
由于前轮轴和车轮之间的间隙较大，对车高速转向时的重心影响较大，会引起高速转向时车的转向不足。
而且这里又是规则中严禁改动的部分，所以为了尽可能降低转向舵机负载，我们对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。
前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性、转向轻便和减少轮胎的磨损。
前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个因素决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。
主销内倾是指主销安装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。
角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。
主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。
它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。
由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也越好。
图2.4主销后倾角调整图
主销内倾和主销后倾都有时骑车转向自动回正，保持直线行驶的功能。
不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。
前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。
前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联结件损坏。
所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1度左右。
所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。
前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。
前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。
2.6地盘高度的调整
底盘适当降低，在可以过坡道的情况下，尽量降低底盘，从整体上降低车的重心，使车在转弯时可以更加稳定、快速。
我们在前路上增加了组委会提供的两个黄色垫片，将赛车前端的中心降低了1.5MM。
2.7齿轮传动机构及后轮差速的调整
车模后轮采用RS-380SH-4045电机驱动，由竞赛主办方提供。
电机轴与后轮轴之间的传动比为9:
38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。
齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。
齿轮传动部分安装不恰当，会增大电机驱动后轮的负载；齿轮配合间隙过松则容易打坏齿轮，过紧则会增加传动阻力。
所以我们在电机安装过程中尽量使得传动齿轮轴保持平行，传动部分轻松、流畅，不存在卡壳或迟滞现象。
差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。
差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。
好的差速机构，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小，不会有迟滞或者过转动情况发生。
判断齿轮传动是否调整好的一个依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。
声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。
调整好的齿轮传送噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。
3硬件电路的设计与实现
3.1硬件电路设计方案
从最初进行硬件电路设计时我们就定了系统的设计目标：
可靠、高效、简洁，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。
可靠性是系统设计的第一要求，我们对电路设计的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，使本系统工作的可靠性达到了设计要求。
高效是指本系统的性能要足够强劲。
我们主要是从以下两个方面实现的：
1、采用运算放大器制作的比较器实现了图像二值化的高速转换，大大提高了图像采集的分辨率；
2、使用了由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器，该驱动器的额定工作电流可以轻易达到100A以上，大大提高了电动机的工作转矩和转速。
简洁是指在满足了可靠、高效的要求后，为了尽量减轻整车重量，降低车体重心位置，应使电路设计尽量简洁，尽量减少元器件使用数量，缩小电路板面积，使电路部分重量轻，易于安装。
我们在对电路进行详细、彻底地分析后，对电路进行了大量简化，并合理设计元件排列和电路走线，使本系统硬件电路部分轻量化指标都达到了设计要求。
3.2硬件电路的实现
整个智能车控制系统是由三部分组成的：
S12为核心的最小系统板、主板、电机驱动电路板。
最小系统板可以插在主板上组成信号采集、处理和电机控制单元。
为了减小电机驱动电路带来的电磁干扰，我们把控制单元部分和电机驱动部分分开，做成了两块电路板。
3.2.1以S12为核心的单片机最小系统
单片机最小系统板使用MC9S12DG128单片机，80引脚封装。
MC9S12DG128是Freescale公司推出的S12系列微控制器中的一款增强型16位微控制器。
其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等。
它不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域有广泛的用途，而且在FLASH存储控制及加密方面也有很强的功能。
MC9S12DG128微控制器采用增强型16位S12CPU,片内总线时钟频率最高可25MHz；片内资源包括8KBRAM、128KBFLASH、2KBEEPROM;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，可宽范围选择逻辑始终频率；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）.
下面主要介绍S12系列的特点、基本结构、引脚功能、操作模式、振荡电路、系统运行监视、实时中断、复位电路等。
（1）S12的核心：
-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）CGR时钟和复位发生器：
-锁相环（PLL）；
-看门狗（COPwatchdog）；
-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：
-可编程的上升沿或下降沿触发。
（4）存储器：
-128KBFLASH；
-2KBEEPROM；
-8KBRAM。
（5）2个8通道模/数转换器：
-10位精度；
-外部触发转变功能。
（6）3个1Mbps的CAN总线模块，兼容CAN2.0A/B：
-5个接受缓冲器，3个发送缓冲器；
-4个独立的中断通道，分别是发送中断、接受中断、错误中断和唤醒中断；
-低通滤波器唤醒功能。
（7）增强型捕捉定时器：
-16位计数器，7位预分频功能；
-8个可编程输入捕捉或输出比较通道；
-4个8位或2个16位脉冲累加器。
（8）8个PWM通道：
-每个通道的周期和占空比由程序决定；
-8位8通道或16位4通道；
-各通道独立控制；
-脉冲在周期内中心对称或左对齐输出；
-可编程时钟选择逻辑；
-紧急事件关断输入；
-可作为中断输入。
（9）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。
（10）I2C总线：
-兼容I2C总线标准；
-多主I2C总线模块。
（11）LQFP-112和QFP-80封装选择：
-5V输入和带驱动能力I/O；
-5VA/D转换器输入；
-50MHz系统频率（相当于25MHz总线频率）；
-单线背景调试模块；
-片上硬件断点。
MC9S12DG128系统结构大致可分为MCU核心与MCU外设两部分。
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分时复用地址/数据总线，E口的部分可作为控制总线。
MCU外设
S12外设部分包括：
A/D转换器（ATD0、ATD1），增强型定时捕捉模块（ECT）,串行接口SPI、I2C。
CAN、Byteflight等接口是许多微控制器所没有的。
Byteflight协议接口是只针对安全临界（SafetyCritical）应用的时间控制协议，有BWM联合Freescale、Elmos及Infineon公司联合开发，主要用于机动车辆中的安全临界应用。
该系统应用在BMW7系列汽车中，主要用于安全气囊系统中的时间临界（TimeCritical）数据的处理与传输。
另外，咳可用于传输车身及底盘电子系统的相关数据。
Byteflight的传输速率为10Mbps，采用塑料光纤作为传输介质。
Byteflight技术不仅可以应用在汽车系统中，而且在需要实现高实时性、高传输速率以及在恶劣的电磁环境中保证传输无故障等领域都大有用武之地。
为减少电路板空间，我们设计的板上仅将本系统所用到的引脚引出，包括两路PWM接口，一路外部中断接口，17路普通IO接口。
其他部分还包括电源滤波电路、时钟电路、复位电路、串行通讯接口、BDM接口。
图3.1单片机最小系统板原理图
为提高系统工作稳定性，我们使用有源晶体振荡器为单片机提供时钟。
单片机最小系统板电路原理图如图3.1。
我们自行设计的PCB电路板尺寸为38mm*40mm，在尺寸和重量上有了很大的改善。
如图3.2
图3.2最小体统
3.2.2主板
主板上装有组成本系统的主要电路，它包括如下部件：
电源稳压电路、视频同步分离电路、摄像头接口、舵机接口、电机驱动电路、测速接口、电源接口、单片机最小系统板插座、跳线、指示灯、开关等。
1.电源稳压电路
本系统中电源稳压电路有三路，一路为+5V稳压电路，第二路路为+3.3V稳压电路，第三路为摄像头9V稳压电路。
为整个智能模型车自动控制系统中除后轮驱动电机，转向舵机外的所有设备供电。
其中+3.3V稳压电路为加速度传感器供电，使用串联稳压芯片TPS7333。
电路原理图如图3.3所示
图3.3TPS7333电源稳压电路
由于整个系统中+5V电路功耗较小，为了降低电源纹波，我们首先使用串联型稳压电路，另外，后轮驱动电机工作时，电池电压压降较大，为提高系统工作稳定性，必须使用低压降电源稳压芯片，常用的低压降串联稳压芯片主要有LM2940、LM1117等等。
LM2940虽然压降比LM1117更低，但是纹波电压较大。
相比之下，1117的性能更好一些，具有输出电压恒定、压降较低的优点，但是其线性调整工作方式在工作中会造成较大的热损失，导致电源利用率不高，工作效率低下。
为了提高电源的利用率，我们进一步选择DC/DC电源稳压电路。
DC/DC是开关型稳压电路，它的优点是电路结构简单，对电源的高频干扰有较强的抑制作用、效率高，输入电压的范围宽，输出电压，电流的纹波值较小。
DC/DC电源稳压电路原理图如图3.4所示：
但是DC/DC也存在一些缺点，如体积大，成本较高，纹波电压相对理论值较大，并且工作压降要求在1.0V以上，不便于电池电源的使用，因此我们又探索了新的稳压芯片TPS7350。
TPS7350是微功耗低压差线性电源芯片，具有完善的保护电路，包括过流、过压、电压反接保护。
使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路。
与前两种稳压器件相比，TPS7350具有更低的工作压降和更小的静态工作电流，可以使电池获得相对更长的使用时间。
由于热损失小，因此无需专门考虑散热问题。
图3.4DC-DC稳压电路原理图
TPS7350电源稳压电路原理图如图3.5所示：
图3.5TPS7350电源稳压电路
整个系统中只有摄像头采用9V电压，因为自己设计的可调的电源稳压电路使用的元器件比较多，在设计PCB电路板的时候会占用很大的空间，所以我们使用了比较简单的办法，直接用DC-DC为摄像头供电，电路图和3.4相同，只是采用的是0509的型号。
输入电压相同，输出电压不同而已。
舵机的工作电压为4-6V,在舵机稳定工作的前提下，电压越高舵机的响应速度越高。
因此我们设计了6V的工作电压，并保留了电池电压的接口。
6V的电压采用TPS7350芯片，在接地端串联两个二极管，使端电压太高1V。
电路图不再重复。
舵机的控制信号（PWM信号）由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。
它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。
最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
图3.6PWM占空比对舵机的控制
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