西安交通大学-天启队技术报告(3)

第六届“飞思卡尔”杯全国智能汽车竞赛技术报告

2.2.3 电源模块

图 2-4 系统供电示意图

如图 2-4，智能小车系统使用开关稳压电源芯片AS1015为单片机和编码器提供5V电源，激光传感器使用LM317进行供电，摇头舵机使用了AS1015进行调压。转向舵机S3010的工作电压标称在4-6V 之间，但经过试验发现，其在8V 电压下仍可以稳定工作，而且响应速度更快。所以可将电池电压通过两个二极管串联后为转向舵机供电。电池充满时的实际电压能达到9V左右，经两个二极管压降后，电压为7.6V，可以直接为转向舵机供电。

图 2-5 镍镉电池放电曲线

放电曲线（在3A的大电流放电条件下得到的结果）

电压：1.2×6=7.2 v 容量：2000mAh

第二章总体方案设计

系统的总电源是大赛提供的7.2V，2000mA Ni-Cd（镍-镉）充电电池，它直接给直流电机供电。如图 2-5，电池在大电流条件下放电会导致电压不断的降低。由于整个系统通过同一块电池进行供电，在小车高速行驶时，电机转动会消耗大量的电力，在舵机转角较大时，电池的总电压会瞬间拉低，此时，电源模块应为主控系统提供足够的电压（5V），防止单片机复位造成系统重启。本文使用了新型开关稳压电源芯片AS1015，在大电流和大压差下具有很好的性能。

2.2.4 执行模块

该模块包括电机和舵机驱动，直接表现为速度控制与转向控制。激光传感器将采集到的赛道黑线信息传入MCU，MCU对信号进行处理后，由PWM发生模块发出四路PWM波，分别对转向主舵机，传感器摇头舵机电机（需要两路PWM波）进行控制，完成智能车的转向，前进，制动的功能。

执行模块是智能小车的速度和转向控制的执行者，该模块需要由主控模块的算法程序提供控制信号，通过电机和舵机来实现速度闭环控制和转向闭环控制。

2.3 本章小结

本章重点分析了智能车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计，以及简要地分析了系统各模块的作用。在实际系统的设计与实现过程中，每一个功能模块都是由硬件与软件共同实现。整车硬件系统，软件系统以及机械结构组成了整个智能模型车系统。在后续的章节中，将从硬件设计，机械结构调整和算法设计与实现三个方面对智能模型车系统的设计及实现进行详细介绍。

第三章 硬件电路设计与实现

硬件电路主要包括了最小系统板接口电路，电源电路，激光传感器电路，信号调理电路，电机驱动电路，编码器电路等几个部分。

3.1 最小系统板接口电路

图 3-1 MC9S12XS128引脚图（80pin）

本文研究所用单片机MC9S12XS128 是飞思卡尔公司推出的S12 系列单片机中的一款增强型16 位单片机[3, 4]，引脚分配见图 3-1。在设计最小系统电路时要注意几个问题[5, 6]。首先是避免电源噪声，减小其对单片机的冲击，从而避免系统复位；其次是要注意包含高频信号的线路对周围电路的影响，尽量分散布线或者加以屏蔽，屏蔽方式可以通过在其背面或两边布置大面积的地来实现。最后，时钟电路的选择与布置要特别注意，避免大的电场对晶振的干扰，

第三章硬件电路设计与实现

保证内部时钟的稳定。在设计中，要时刻注意这些问题，尽量使用官方提供DATASHEET上推荐的布置方式，保证最小系统稳定工作。为了保证最小系统板的电磁稳定性，我们直接使用组委会提供的核心MCU电路板进行二次开发。

图 3-2 最小系统板接口板电路原理图

单片机的接口板主要实现最小系统板的引脚引出的作用，将实际用到的引脚引出到合适的位置。具体的引脚分配应与程序中的使用相匹配，如表 3-1所示。 表 3-1 MC9S12XS128单片机接口分配表

接口类型

输出

输入

输出

输出

输入

输入

输入

PWM

PWM

PWM

外部中断 接口名称 PA0~PA4 PA5~PA7，PJ6,PJ7 PS0~PS3 PB0~7 AD0 PM1 PM0 P3 P4，P5 P1 PT0 接口用途 激光分时发射控制 激光接收 LED使能控制 LED显示 参数调整输入 测试选择按钮 启动开关输入 控制传感器摇头舵机 控制左右马达 控制转向舵机 测速编码器的中断输入位

第六届“飞思卡尔”杯全国智能汽车竞赛技术报告

实际设计时，应充分考虑所用车模的机械布局，将对应的引脚引出到合适的位置，方便最终进行组装。

3.2 电源设计

3.2.1 系统5V电源

5V 电源模块用于为最小系统板、传感器模块等供电。常用的电源有串联型线性稳压电源（LM2940、7805 等）和开关型稳压电源（LM2596、LM2575 等）两大类。前者具有纹波小、电路结构简单的优点，但是效率较低，功耗大；后者功耗小，效率高，但电路却比较复杂，电路的纹波大。 表 3-2 各种5V稳压芯片特点比较

序号 1

2

3

4

5

6

7 8 芯片型号 LM7805 LM317 LM350 LM1117 LM2575 LM2576 LM2940 AS1015 特点 串联稳压，输入电压需大于7V 负载1.5A，输出电压可调，调节方便 负载3A，输出电压可调，负载电流大 负载800mA，压差可小于1.2V 负载1A，开关稳压，输入需6.5V 负载3A，开关稳压，输入需6.5V 负载1A，串联稳压，压差可小于0.5V 负载5A，输出电压可调，输入范围宽：3.6-20V

由表 3-2可知，如果从带负载能力角度来看，AS1015的带载能力最强， 该芯片采用了P-MOSFET结构，功耗小，输入输出压差可以为0。特别适合用电池/电瓶供电的设备，在较低电压下仍然可以提供较高的电压。电流最高可达5A，输入输出压差可以为0。

在调试过程中我们发现智能车在出弯直道变速时电池电压会急剧下降。经实验，空载加速至85%占空比时电池电压会在瞬间急剧下降至6V左右，并持续若干毫秒，带载情况甚至更低。在这种低电压的情况下如果采用普通的三端稳压电源芯片或开关电源，其输入电压将小于最小输入电压，此时输出为零。如此以来，如果在出弯时刻舵机输入电压为零，将会引起舵机复位或无输出力矩，导致智能车冲出跑道。

因此，电源模块使用了新型可调开关电源AS1015，对单片机进行5V供电；同时摇头舵机可根据实际舵机特性，调节电压。如图 3-3，输出电压

第三章硬件电路设计与实现

VOUT=VFB*(1+R3/R4)，调节R3的阻值可以调节输出电压，5V电压以及摇头舵机的电压均可采用此方案。

图 3-3 AS1015稳压电源设计

3.2.2 慢启动保护电路

瞬时的电流突变,容易使半导体激光器两端面腔镜产生损伤，从而造成激光器永久性损坏[7]。针对激光二极管对电流很敏感，对电冲击的承受能力差的特性，采用线性稳压电源LM317制作了慢启动保护电路，使电流由0V缓慢地上升到额定的电压值，防止浪涌击穿激光二极管，电路如图 3-4所示。LM317 为输出可调三端稳压管，可改变 R 阻值调节输出电压：

Vout 1.25 (1 R1) Iadj R2 R2 (3-1)

系统上电后， C3 上的电压不能突变，所以Q1 饱和导通，则 Rw 短路，Vout 输出约为 1.5V的初始电压值。随着 C3 两端电压升高，Q 逐渐退出饱和区进入趋于截止的状态，此时，Rw 上的电压逐渐增大， Vout也逐渐升高，直到 C3充电完闭，Q1 出现截止时，输出电压 Uout才能达到预定值。改变 C3 、R2的常数可调整慢启动的上升时间，D1 用于断电后使C3 上电荷快速泄放。

电阻R1 选用较小的阻值，确保 LM317 有5mA 以上的输出电流。Rw选用 10K 欧姆的精密电位器。当R2=360Ω ，可输出为 5V 典型值，微调 R2 可调节输出电压的大小。

由于大电容和 …… 此处隐藏：1590字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……