基于凌陽16位單片機(jī)的智能車設(shè)計(jì)

引言

　　輪式小車是智能小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的主體部分，由車身、輪子、變速器、傳動(dòng)軸等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成。輪式小車還包括提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)器，用來收集智能小車的自身狀態(tài)信息或外部環(huán)境信息，并對(duì)多傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合，動(dòng)態(tài)調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在一定條件下的自主行駛。
 

　　硬件設(shè)計(jì)

　　圖1是智能車總體的設(shè)計(jì)方案及組成原理。微處理器采用了16位SPCE061A單片機(jī)，以此為核心設(shè)計(jì)了紅外傳感模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、PI控制器及相關(guān)的顯示指示模塊。

　　圖1 智能車總體的設(shè)計(jì)方案

　　輪式小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　智能小車機(jī)械結(jié)構(gòu)包括車輪、車身、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。小車車身主體由2mm厚的有機(jī)玻璃組成。小車有三個(gè)車輪，其中后面的兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，分別有獨(dú)立的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

　　若直接將直流電機(jī)輸出軸連接小車的輪胎，會(huì)出現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩偏小、小車的動(dòng)力差等缺點(diǎn)，采用PWM直流電機(jī)調(diào)速方法又會(huì)使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在原有壓降的基礎(chǔ)上又有所下降。為了解決轉(zhuǎn)矩速度之間的矛盾，筆者設(shè)計(jì)了二級(jí)定軸輪系轉(zhuǎn)動(dòng)減速裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

　　圖2 減速機(jī)構(gòu)原理圖

　　其中齒輪均為圓柱直齒輪。若主動(dòng)軸用1表示，末輪以K表示，輪速為ω，圓柱直齒輪嚙合次數(shù)為m，則上述輪系機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比ilk為

(1)

　　此處電機(jī)輸出軸是主動(dòng)軸，車體輪胎是從動(dòng)軸。

　　其中一級(jí)變速主動(dòng)輪齒數(shù)Z1主=11，從動(dòng)輪齒數(shù)Z1從=35;二級(jí)變速主動(dòng)輪齒數(shù)Z2主=11，從動(dòng)輪齒數(shù)Z2從=40;圓柱直齒輪嚙合次數(shù)為m=2?？梢杂?jì)算出ilk=11.5。紅外傳感器

　　紅外傳感電路采用反射式紅外傳感器，可以方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控并有效防止誤觸發(fā)，靈敏度容易控制。圖3為紅外檢測(cè)電路，核心IC器件是LM393，該集成塊內(nèi)部裝有兩個(gè)獨(dú)立的電壓比較器。

　　圖3 紅外檢測(cè)電路

　　LM393類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端(用“+”表示)，另一個(gè)稱為反相輸入端(用“-”表示)。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓，另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端的電壓差大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)。因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。測(cè)速反饋電路由發(fā)光二極管、光電級(jí)管、單穩(wěn)態(tài)電路以及裝在主軸上的光電碼盤組成。當(dāng)光碼盤上的孔經(jīng)過發(fā)光二極管時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光使光電三極管導(dǎo)通，輸出高電平;當(dāng)光碼盤上的非孔部分經(jīng)過光二極管時(shí)，光電極管截止，輸出低電平。產(chǎn)生的周期性脈沖經(jīng)單穩(wěn)電路整形送高速輸入通道IOB2或IOB3外部中斷源，取得每次上升沿的時(shí)間值, 就是定時(shí)器T1的值，每兩次T1上升沿值之差為光電脈沖周期，從而可計(jì)算出主軸的轉(zhuǎn)速。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　微型直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能和非常高的效率廣泛應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。為了控制直流電機(jī)，本文采用PWM控制。SPCE064A的I/OB特殊功能IOB8 、IOB9就直接提供了兩個(gè)PWM輸出口，直接輸出控制信號(hào)即可，無須另加電路?？紤]到電壓、電流的等級(jí)及尺寸、外觀因素，本文采用L298代替三極管構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。

　　圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　L298可同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)，且輸出電流達(dá)到2A。其ENA(引腳6)和ENB(引腳11)分別于SPCE064A的IOB8和IOB9相連，可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的PWM速度控制。SENSEA、SENSEB為電流反饋引腳，用于實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)控制?？刂破?/p>

　　常規(guī)的智能車一般引入輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為負(fù)反饋行程單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雖然這個(gè)閉環(huán)具有較強(qiáng)的抗干擾性能，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器，但是在系統(tǒng)中靜差仍然存在，即在PI控制調(diào)節(jié)器下穩(wěn)態(tài)誤差只能減少而不可能消除。因此，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制效果和性能對(duì)給定穩(wěn)壓源和速度檢測(cè)元件的精度具有依賴性。

　　直流電機(jī)在全壓啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這對(duì)電機(jī)的換向不利，實(shí)際中表現(xiàn)為小車在變向或倒車時(shí)控制不及時(shí)，有較大的延遲時(shí)間。引入自動(dòng)限制電樞電流的電流環(huán)負(fù)反饋對(duì)解決此問題是有效的。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器, 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間串級(jí)聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖5所示。

　　圖5 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

　　其中，β為電流反饋系數(shù)，n為轉(zhuǎn)速， α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。ASR為轉(zhuǎn)速比例積分調(diào)節(jié)器，用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。ACR為電流比例積分調(diào)節(jié)器，用來實(shí)現(xiàn)電流無靜差。當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)輸出量與輸入量無關(guān)。軟件程序設(shè)計(jì)

　　軟件程序由主程序、尋跡模塊程序、避障模塊程序、避障語音播報(bào)程序和LED顯示車體轉(zhuǎn)向程序等幾部分組成。圖6、圖7即為主程序和尋跡程序流程。

　　圖6 主程序流程圖 圖7 尋跡程序流程圖

　　PWM算法的實(shí)現(xiàn)

　　凌陽SPCE061A單片機(jī)提供了兩個(gè)16位定時(shí)器，分別有相應(yīng)的定時(shí)器控制寄存器設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，P_TimerA_Ctrl(700BH)和P_TimerB_Ctrl(700DH)的第6~9位設(shè)置該定時(shí)器輸出不同頻率的脈寬調(diào)制信號(hào)。

　　智能車實(shí)地調(diào)試

　　小車的實(shí)際調(diào)試是讓小車運(yùn)行在一個(gè)指定或任意給定的由紙板構(gòu)成的迷宮通道，通道設(shè)有兩個(gè)進(jìn)出入口。開始測(cè)試時(shí)將小車放置在入口處并打開小車電源，小車可以順利地在迷宮內(nèi)實(shí)現(xiàn)躲避障礙，最后從迷宮的另一個(gè)出口出來。循跡的測(cè)試是在一張空曠的貼有一定黑線軌跡的桌子上進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果顯示，小車可以按照比賽的要求進(jìn)行循跡、轉(zhuǎn)向和避懸崖。

　　結(jié)語

　　本次設(shè)計(jì)的智能車是機(jī)電一體化的綜合產(chǎn)品。循跡模塊能實(shí)現(xiàn)尋黑線車體的自由運(yùn)轉(zhuǎn)。小車可以順利地完成拐直角彎道或者掉頭返回(180°轉(zhuǎn)彎)等操作。