基于飞思卡尔单片机的智能小车设计与应用样本.doc
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1、安徽建筑大学毕 业 设 计 (论 文)专 业 通信工程 班 级 10级1班 学生姓名 刘新 学 号 课 题 基于飞思卡尔单片机智能小车设计与应用 -主监控程序和行使控制程序设计 指引教师 夏巍 6月1日摘 要 本文重要是以全国大学生“飞思卡尔”杯智能小车竞赛为背景一项课题研究。本次课题研究重要采用运用飞思卡尔公司32位单片机MPC5604MINI作为核心控制单元,用CCD进行对道路信息采集,用编码器对小车速度进行检测,使用7.2V锂电池进行供电,并用MPC5604MINI产生PWM波控制电机模块和舵机模块,从而达到控制小车速度和转向。本文重要简介主监控程序和行驶控制程序编写,就是编写程序让小车
2、各个某些协调工作,让小车行驶并可以实现转向。 核心词:智能小车;MPC5604MINI;主控电路;行驶控制。AbstractThis article is based on National College Freescale Cup smart car competition as a research background.The research mainly uses Freescales 32-bit singlechip as the core control unit MPC5604MINI,and Carried out on the road with a CCD infor
3、mation collection,and use encoder to detect the speed of the car,using a 7.2V lithium battery-powered and used to generate PWM wave MPC5604MINI module and servo motor control module,so as to control the cars speed and steering.This paper describes the preparation of the master control procedures and
4、 driving control program,is to write the program so that the coordination of the various parts of the car,so the car driving and steering can be achieved.Keywords:Smart car;MPC5604MINI;Control circuit;Driving control.目 录摘要 Abstract1引言1 1.1课题研究意义1 1.2 智能小车国内外概况1 1.2.1 国内研究概况1 1.2.2 国外研究概况2 1.3 智能小车发展
5、前景22 系统设计及方案论证3 2.1 系统设计规定3 2.2 系统设计方案3 2.2.1 主控芯片选定3 2.2.2 传感器模块5 2.2.3 测速传感器模块5 2.2.4 转向舵机模块6 2.2.5电机驱动模块6 2.2.6国内外概况63系统硬件电路简介8 3.1 主控芯片电路8 3.2 速度检测电路8 3.3 电机驱动电路8 3.4 舵机驱动电路9 3.5 拨码开关电路94 软件设计9 4.1软件流程10 4.1.1程序流程图10 4.1.2 程序流程图简介10 4.2 CodeWarrior简介11 4.2.1 CodeWarrior简介11 4.2.2 CodeWarrior功能11
6、 4.3 系统初始化设计12 4.3.1时钟模块12 4.3.2 PWM模块12 4.3.3 速度检测模块软件设计12 4.3.4 车体控制算法13 4.3.5 PID控制算法13 4.3.6 行进电机PID控制16 4.3.7 转向舵机PD控制165总结18道谢19参照文献20附录:21基于飞思卡尔单片机智能小车设计与应用 -主监控程序和行使控制程序设计电子与信息工程学院 通信工程 级1班 刘新指引教师 夏巍1引言1.1课题研究意义随着汽车电子和机器人智能技术发展,智能车已经成为自动控制领域内一种研究热点。智能汽车是一种集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体综合系统,集中运用到了自动控制
7、、模式辨认、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等众多学科,是典型高新技术综合体,具备重要军用和民用价值。智能车辆( intelligent vehicles,IV)是智能交通系统重要构成某些,其研究重要目在于减少日趋严重交通事故发生率,提高既有道路交通效率,在某种限度上缓和能源题,同步减少人劳动强度,让人类更好生活。 在此背景下咱们开始研发智能小车模型,随后浮现了飞思卡尔智能小车竞赛。咱们现阶段研究重要是为了飞思卡尔智能小车竞赛而进行。通过飞思卡尔智能小车竞赛不断积累经验,为后来智能车辆奠定基本。1.2 智能小车国内外概况1.2.1国内研究概况受教诲部高等教诲司委托,高等学校自动化专业教
8、学指引委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教诲部主办全国五大竞赛之一。首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛于在清华大学成功举办。此项赛事,在韩国已举办过多届,其专业知识涉及控制、模式辨认、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科,对学生知识融合和动手能力培养,对高等学校控制及汽车电子学科学术水平提高,具备良好推动作用。在第一、二届比赛中参赛选手必要使用大赛组委会统一提供竞赛车模,以Freescale公司生产16位微控制器MC9S12DG128作为核心控制单元。第三届则规定参赛队伍除了X系列微解决器不用以外,其她8位和16位微控制器可由参赛对自己选取(8位单片机最多可选
9、两块),这无疑给人们一种更位大选取余地,此届比赛则准许使用官方推荐MC9S12XS128双核芯片及以往8位极16位单核微控核心。,中华人民共和国大学生制作智能车速度已经打破了韩国智能车比赛持续七届冠军速度。该项赛事现已在国内是成功举办五次,规模已有刚开始112支队伍增长到了600支队伍,竞争已经相称激烈。随着飞思卡尔智能汽车大赛影响力加大,全国各类学校踊跃参加此项赛事,场面也越来越壮观,技术上也越来越成熟,各支队伍在技术上创新也越来越多,对全国高校学子各项能力发展起到很大作用。1.2.2 国外研究概况韩国大学生智能模型车竞赛是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办以HCS12
10、单片机为核心大学生课外科技竞赛。组委会将提供一种原则汽车模型、直流电机和可充电式电池,参赛队伍要制作一种可以自主辨认路线智能车,在专门设计跑道上自动辨认道路行驶,跑完整个赛程用时最短,并且技术报告评分较高参赛队就是获胜者。制作智能车,需要参赛队伍学习和应用嵌入式软件开发工具软件Codewarrior和在线开发手段,自行设计和制作可以自动辨认途径方案、电机驱动电路、模型车车速传感电路、模型车转向伺服电机驱动以及微控制器MC685912DP256控制软件编程等等。随着赛事逐年开展,将不但有助于大学生自主创新能力提高,对于高校有关学科领域学术水平提高也有一定协助,最后将有助于汽车公司自主创新,得到公
11、司承认。这项赛事在韩国成功可以证明这一点。智能车比赛一方面由韩国汉阳大学承办开展起来,每年全韩国大概有100余支大学生队伍报名并准予参赛,至今已举办5届,得到了众多高校和大学生欢迎,也逐渐得到了公司界极大关注。韩国当代公司自开始免费捐赠了一辆轿车作为赛事特等奖项。德国宝马公司也提供了不菲资助,邀请3名获奖学生到德国宝马公司研究所访问,SUNMOON大学参赛者获得了这一殊荣。近年来,飞思卡尔半导体公司参加举办智能车大赛有了进一步发展。12月13日飞思卡尔半导体在马来西亚UITM工程学院举办了首届飞思卡尔智能车大赛。共有26组,涉及约52工科学生来自10个地方大学参加智能汽车竞赛。该国竞赛由马来西
12、亚科协举办。1.3智能小车发展前景智能车辆系统进步和发展需要计算机技术、信息技术、电子技术、通信技术、控制技术、传感技术、机械制造等众多技术领域发展推动,其发展又可以推动所涉及学科和技术进步与发展。这是一种可以将汽车产业,交通系统与信息产业紧密结合起来新型领域。智能车辆研发为世界各国高新技术产业提供了又一辽阔发展空间。欧洲、日本、美国等发达国家虽走在了前面,但当前与国内实际差距还不是很大。因而,把握住这一机遇,有筹划、有环节地制定相应发展方略,提供各种优惠政策来积极指引和引导其健康发展,从而在改进和发展国内交通,提高交通安全性同步,缩小该领域与发达国家之间差距。2 系统设计及方案论证2.1 系
13、统设计规定本次研究必要使用竞赛秘书处统一指定竞赛车模套件,采用飞思卡尔半导体公司8位、16位、32位微控制器作为核心控制单元,自主构思控制方案进行系统设计,涉及传感器信号采集解决、电机驱动、转向舵机控制以及控制算法软件开发等,完毕智能车工程制作及调试,同步使用四轮车模通过指定线阵CCD器件获得一维持续或者离散点赛道信息,最后完毕基于单片机自动控制系统使得模型车在指定跑道上自主循迹运营。2.2 系统设计方案系统由CCD模块、测速传感器模块、主控模块、转向舵机模块、电机驱动模块。框图如图2.1所示:图2.1 系统总框图2.2.1 主控芯片选定MC9S12XS128型开发板是以Freescale公司
14、16位汽车级MCU芯片,MPC5604MINI型开发板是以Freescale公司32位汽车级MCU芯片,她们都是专为智能小车控制设计,可以减小咱们开发周期,同步也可用于其她二次开发等应用场合。MPC5604MINI与S12XS128比较:用MPC5604MINI代替S12XS128,计算能力会有极大提高;RAM空间有了大幅增长,可适应复杂算法;有更多UART、SPI、IIC通信接口,可以挂更多外设,更便于调试;PWM和脉冲计数功能比S12更强大、更以便好用;外部IO中断使用更自由;DMA功能可以让摄像头车设计大为变化,因此最后咱们选取MPC5604MINI型开发板。程序重要用到MPC5604M
15、INI芯片中PWM模块,PIT模块、I/O模块以及SCI模块等模块化设计。PWM模块重要用来控制舵机和电机运转,捕获编码器边沿触发并计算“瞬时”速度;PIT模块重要是用在了定期读取速度和数据定期采集,I/O模块重要是用来分派给批示灯和激光管发射和接受;SCI模块重要用在串口传送模块观测实时数据。主控芯片中所用模块简介:(1) PWM 模块:PWM 调制波有3 个输出模块,每一种输出模块有8个输出通道,每个输出通道都可以独立进行输出。每一种输出模块均有一种精准计数器(计算脉冲个数),一种周期控制寄存器和各种可供选取时钟源。每一种PWM 输出通道都能调制出占空比从0100%变化波形。每一种通道都可
16、以通过编程实现左对齐输出还是居中对齐输出,同步她们可以配备为低保真和高保真模式以便顾客编程。(2) PIT模块: MPC5604MINI 增强型捕获计时器模块在原则定期器基本上增长了某些特点,用以扩展它应用范畴,基准计时器核心依然是一种16位可编程计数器,其时钟源来自一种预分频器。该模块涉及三个独立定期器,可以以便顾客编程同步她们优先级可以设立。(3) I/O模块: MPC5604MINI拥有多达70个GPIO且她们都工作在总线频率下(最高50M),每个IO可独立配备为输入输出,内部上拉和自动。运用其高工作频率咱们运用它来发射激光,在中断中实时读取IO信息(激光反射信息)并存储并用来判断赛道信
17、息。(4) SCI模块: SCI 是一种采用NRZ 格式异步串行通信接口,它内置独立波特率产生电路和SCI 收发器,可以选取发送8 或9 个数据位( 其中一位可以指定为奇或偶校验位) 。SCI是全双工异步串行通信接口,重要用于MCU与其她计算机或设备之间通信,几种独立MCU也能通过SCI 实现串行通信,形成网络。 MPC5604MINI里有四个SCI(SCI0、SCI1、SCI2、SCI3),其中有两个工作在系统时钟下其她工作在分频后总线频率下。2.2.2 传感器模块良好巡线方式是保证模型车稳定迅速运营基本,也是调试过程中耗费时间和精力最多一某些。按照指引教师给出定义与规定,车模通过采集赛道上
18、中间黑线信息进行自动循迹,运用CCD进行黑线信息采集,咱们有两种摄像头选取,一种是CCD,另一种是CMOS,CCD摄像头是一种采集图像很清晰,对摄像头稳定性规定比较高,合用于低置摄像头,CMOS摄像头采集图形没有CCD清晰,但是对于摄像头放置稳定性规定没有那么高,合用于高置摄像头,结合查找网上资料和教师意见,总结出各传感器优势以及局限性,最后咱们选用蓝宙公司TSL1401线性CCD图像传感器传感器。CCD图像传感器具备图形清晰长处更有助于提前鉴别道路信息从而提高车速。2.2.3 测速传感器模块为了使得智能车可以平稳地沿赛道导引线运营,除了控制前轮转向舵以外,还需要比较精准地控制车速,使智能车在
19、急转弯时不会由于速度过快而冲出跑道。依照自动控制原理可以懂得闭环系统普通比较稳定,通过一定办法实时测量智能车速度,从而形成闭环控制,使得智能车更加精确运营。普通可以采用如下几种测速办法:方案一:霍尔传感器测速。在后轮轴附近安装一种霍尔传感器,相相应再在轴上安装各种小型永磁铁,依照霍尔传感器特点,用一种上拉电阻将其接至5V,随着后轮转动就会形成各种脉冲信号。依照单位时间内脉冲数量就可以测得当前车速。方案二:反射式光电管测速。在后轮轴上安装一种黑白相间光码盘,然后通过一侧安装反射式光电管读取光码盘转动脉冲。方案三:投射式光电管测速。采用品有齿槽构造圆盘固定后轴上,采用直射式红外光传感器读取齿槽圆盘
20、转动脉冲。方案四:光电编码器测速。光电编码器可觉得分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式光电编码器可以输出正比于转速脉冲,记录单位时间内脉冲数就可以间接测取实时速度。鉴于光电编码器安装简朴,输出信号比较规整,因此咱们采用方案四。速度传感器用于感知车模自身行驶速度,是速度闭环控制一种必要环节。咱们使用光电编码器作为速度传感器,安装在车尾与传动齿轮啮合,使用与电机齿数成比例齿轮,相称于直接测得电机“转速”。2.2.4 转向舵机模块舵机又称伺服电机。其工作原理是:控制信号由接受机通道进入信号调制芯片,获得直流偏置电压。舵机由脉宽调制波(PWM)控制,其旋转角度由PWM波占空比决定,其占空比在
21、0100可调。本设计中控制信号由单片机一路16位PWM口给出。2.2.5电机驱动模块 电机驱动可以使用专用电机驱动芯片、达林顿管驱动、场效应管驱动。分离达林顿管,场效应管虽然能获得大电流和响应速度快长处,但搭建电路较复杂且调试难度大,电机驱动芯片MC33886,内部具备过流保护电路,刹车效应好,接口简朴易用,虽然可以提供比较大驱动电流,但对于小车骤然加速时所需电流不够,发热量也比较大,通过实验咱们决定使用飞思卡尔比赛使用BTS7960。它既有MC33886功能,且小车骤然加减速不易发热在电流上比MC33886大,给咱们在提速方略上提供了以便。2.2.6 电源管理模块 电源模块是整个电路最基本模
22、块也是整个电路核心某些,详细框架如图2.1所示: 图2.1 电源模块框图 所有硬件电路由7.2V、2A/h可充电锂电池提供。重要涉及如下不同电压:(1)5V电压,通过线性开关电源后,输出5V电压,为单片机和编码器,以及现行CCD提供电源。车模附带直流电池正常输出电压约为7.2V-8.5V。而智能车系统中,单片机最小系统、拨码开关模块以及测速光电编码器都使用5V供电,因而需要电压转换。惯用电源有串联型线性稳压电源LM2940、7805。两者都具备纹波小、电路构造简朴长处;前者价格较高但低压差性能好,后者便宜但低压差性能差且功率较小容易带载时发热,对于单片机,需要提供稳定5V电源,由于LM2940
23、稳压线性度非常好,为提高单片机电源稳定性,咱们将单片机电源模块与其她模块分开,单独使用一片电源芯片为其供电。经测试,咱们主控模块工作正常,电压稳定,没有浮现电压局限性或静电干扰复位状况。(2)6V电压,为转向舵机供电。 舵机供电可以选取串联型线性稳压电源或开关型稳压电源,LM2941和LM1117,都可以从电池电压稳压到6V也就是都可以用来控制舵机,但通过查阅资料得知LM1117相对稳定,且电压可调,故选取LM1117给舵机供电。LM1117是一种低压差电压调节器系列,其压差在1.2V输出,负载电流为800mA时为1.2V。LM1117提供电流限制和热保护。电路包括1个齐纳调节带隙参照电压以保
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