小車自動(dòng)停車入庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1

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1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）題 目：小車自動(dòng)停車入庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級(jí)：測控2009-2班摘要本設(shè)計(jì)在信息工程學(xué)院智能停車場實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,以飛思卡爾智能車為模型設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了小車自動(dòng)停車入庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)將Freescale16位單片機(jī)MC9S12XS128作為系統(tǒng)微控制器，設(shè)計(jì)了單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、路徑識(shí)別電路及對(duì)管定位電路，并介紹了電路相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法。在小車自動(dòng)停車入庫系統(tǒng)中，小車通過采集道路信息、交通燈信息以及車庫信息，自動(dòng)從車場入口行駛至指定空車位，并準(zhǔn)確停車入庫。通過CCD攝像頭采集道路信息并對(duì)其處理，提取出路中

2、央黑線與小車位置的偏差，從而控制舵機(jī)動(dòng)作來矯正行駛中小車的狀態(tài)；通過安裝在車頭的紅外線對(duì)管來確定空車位及信號(hào)燈的位置；同樣采用CCD攝像頭來提取信號(hào)燈的指向，進(jìn)而指引小車正確駛向車庫。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)入庫；智能車系統(tǒng)；圖像采樣；Freescale16位單片機(jī)AbstractOn the experimental platform of the smart parking garage in School of Information Engineering, the automatic car parking storage system is designed on the basis of

3、the Freescale intelligent car. Including the minimum system circuit, power management part, motor drive circuit, servo drive circuit, path recognition circuit and the geminate transistors circuit, the system takes the MC9S12XS128 SCM as its microcontroller. Besides, relative calculations of paramete

4、rs are also given.In this automatic car parking garage system, the smart car is designed to drive to the assigned garage automatically from the entrance and to park in the storage accurately, though identifying information of roads, traffic lights and garages. Firstly, the system is used to deal wit

5、h the information searched by CCD camera, then to find the deviation between the position of the car and the central black line, and correct the car through a steering gear. In addition, the infrared tubes can be installed in front of the car to determine the locations of the empty parking spaces an

6、d the signal lights. Similarly, the directions of signal lights can be detected by CCD camera as well to make the car drive in the garage correctly.Key words: Automatic parking garage; Intelligent vehicle system; Image sampling; Freescale16-bit single-chip 52目錄摘要IAbstractII第一章 引言11.1 設(shè)計(jì)背景及意義11.2 設(shè)計(jì)目

7、標(biāo)2第二章 總體設(shè)計(jì)32.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)32.2 設(shè)計(jì)方案分析32.2.1 道路識(shí)別方案分析42.2.2 交通燈識(shí)別方案分析52.2.3 小車自動(dòng)入庫方案分析52.3 系統(tǒng)硬件安裝62.3.1 智能車系統(tǒng)硬件安裝62.3.2 車場硬件安裝7第三章 硬件設(shè)計(jì)83.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路83.1.1 單片機(jī)MC9S12XS128簡介83.1.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)93.1.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)93.1.4 BDM接口電路設(shè)計(jì)103.2 電源電路設(shè)計(jì)113.2.1 5V電源電路設(shè)計(jì)113.2.2 6V電源電路設(shè)計(jì)123.2.3 12V電源電路設(shè)計(jì)123.3 直流電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路143.3.1 電機(jī)R

8、S-380簡介143.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路143.4 視頻采集電路163.4.1 CCD攝像頭的工作原理163.4.2 視頻分離電路173.5 舵機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路183.6 紅外對(duì)管電路19第四章 軟件設(shè)計(jì)214.1 主函數(shù)214.2 初始化程序設(shè)計(jì)224.2.1 鎖相環(huán)初始化設(shè)計(jì)224.2.2 TIM模塊初始化設(shè)計(jì)224.2.3 PIT模塊初始化設(shè)計(jì)234.2.4 PWM模塊初始化設(shè)計(jì)244.2.5 A-D轉(zhuǎn)換初始化設(shè)計(jì)244.3 道路模塊程序設(shè)計(jì)254.3.1 道路信息采集程序設(shè)計(jì)254.3.2 引導(dǎo)線提取程序設(shè)計(jì)274.4 交通燈模塊程序設(shè)計(jì)284.5 小車自動(dòng)入庫程序設(shè)計(jì)29第五章 總

9、結(jié)31參考文獻(xiàn)32附錄A：系統(tǒng)硬件仿真原理圖34附錄B1：最小系統(tǒng)PCB原理圖35附錄B2：電機(jī)驅(qū)動(dòng)PCB原理圖35附錄B3：電源模塊PCB原理圖36附錄C：系統(tǒng)C語言源程序37第一章 引言1.1 設(shè)計(jì)背景及意義智能停車場實(shí)驗(yàn)室是我校信息工程學(xué)院為本科研究生實(shí)踐訓(xùn)練和課程研究搭建的模擬平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)室可以為自動(dòng)化和測控專業(yè)在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、模擬電路實(shí)驗(yàn)和嵌入式實(shí)驗(yàn)等方向上提供支持，為我院學(xué)生的學(xué)習(xí)生活又增添了一種新的方式。在此平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)停車和車庫設(shè)計(jì)兩方面的功能，其中自動(dòng)停車方面可以研究自動(dòng)循跡、信號(hào)燈識(shí)別、圖像識(shí)別以及PWM控制等，車庫設(shè)計(jì)方面可以研究空位查詢、各種安全報(bào)警以及停車信息系

10、統(tǒng)管理等。測控技術(shù)與儀器專業(yè)是一個(gè)理論與實(shí)踐并重的專業(yè)，理論性與應(yīng)用性都極強(qiáng)。除了要學(xué)習(xí)測控的理論知識(shí)外，還要進(jìn)行相關(guān)實(shí)踐的訓(xùn)練，以提高解決實(shí)際問題的能力，加深對(duì)知識(shí)的理解。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和開發(fā)能力，我校信息與工程學(xué)院先后創(chuàng)辦了創(chuàng)新基地與秋實(shí)工作室，智能停車場課題也是在此基礎(chǔ)上提出的。學(xué)院計(jì)劃設(shè)立智能停車場實(shí)驗(yàn)室，用于研究其相關(guān)系統(tǒng)，同時(shí)用于單片機(jī)嵌入式課程的教學(xué)。該項(xiàng)目為我們提供了一個(gè)學(xué)習(xí)的平臺(tái)，讓有興趣的同學(xué)參與開發(fā)研究，可以開闊大家的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的熱情。對(duì)于大四的學(xué)生，可以將其作為畢業(yè)設(shè)計(jì)深入研究，更好的了解現(xiàn)在社會(huì)上嵌入式發(fā)展的形勢(shì)。此外，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)室還可以增進(jìn)與其

11、他院校的交流，以達(dá)到相互學(xué)習(xí)共同進(jìn)步的目的。本設(shè)計(jì)是在智能停車場的基礎(chǔ)上，對(duì)車輛自動(dòng)進(jìn)入車庫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以便提高車庫的自動(dòng)化程度。如果這項(xiàng)技術(shù)成熟并投入使用，不但可以改變現(xiàn)在車場管理效率低下的現(xiàn)狀，而且可以實(shí)現(xiàn)車場無人化管理，節(jié)省人力物力。因?yàn)檐囕v入庫是按照空余車位指定的路線自動(dòng)行駛停放的，從而解決了車庫排隊(duì)擁擠和停車安全的問題，減少了車主停車的時(shí)間。此外，如果停車場內(nèi)有對(duì)外開放的臨時(shí)車位，自動(dòng)停車系統(tǒng)更加有利于對(duì)這些車位的管理。隨著我國城市化進(jìn)程的加速和人們經(jīng)濟(jì)生活水平的提高，擁有私家車的家庭越來越多，城市機(jī)動(dòng)車輛迅速增加。車輛的高速增長導(dǎo)致城市交通擁堵，與此同時(shí)，停車入庫排隊(duì)時(shí)間長和尋

12、找車位困難已經(jīng)成為十分嚴(yán)重的社會(huì)問題。城市交通需求量不斷增大，城市人口又相對(duì)密集，無論是私家車還是公交車輛都很難滿足正常停放，一方面車主對(duì)停車的安全性和便利性都產(chǎn)生了新的需求，另一方面更加科學(xué)有效地管理車場，提高車場的使用率和安全性，已經(jīng)成為現(xiàn)在研究的熱門1。1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)本設(shè)計(jì)是在飛思卡爾智能小車的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，首先要按照飛思卡爾大賽的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出智能車系統(tǒng)，其系統(tǒng)主要包括微控制器模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊等2。這部分要實(shí)現(xiàn)的主要功能是：智能車在攝像頭的配合下，能夠自動(dòng)識(shí)別指定道路并沿著道路上的引導(dǎo)線行駛。在小車行駛的過程中，利用了攝像頭對(duì)道路進(jìn)行感測，

13、得到的數(shù)據(jù)送交單片機(jī)，單片機(jī)處理得到的數(shù)據(jù)，通過PWM波控制車頭舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整小車的相對(duì)位置，以達(dá)到自動(dòng)尋跡的目的。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)智能車自動(dòng)進(jìn)入車庫并準(zhǔn)確停入空余車位，這部分主要包括識(shí)別交通燈和定位空車位兩部分。通過攝像頭采集交通燈的信息，經(jīng)過程序算法提取出交通燈的指向，指引小車向空車位行駛。在小車和車位上安裝紅外線對(duì)管，當(dāng)車位上沒有車時(shí)，車位上的紅外線對(duì)管發(fā)射信號(hào)，小車經(jīng)過時(shí)通過紅外接收器檢測到信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)定位車位的功能。本設(shè)計(jì)的具體任務(wù)如下：（1）、結(jié)合停車場模型，設(shè)計(jì)引導(dǎo)路線的識(shí)別方法；（2）、結(jié)合停車場模型，設(shè)計(jì)信號(hào)燈的識(shí)別方法；（3）、設(shè)計(jì)小車控制硬件電路原理圖、PCB；（4

14、）、設(shè)計(jì)循跡、停車入庫軟件。第二章 總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)智能小車系統(tǒng)的功能模塊主要有：控制核心(MCU)模塊、電源管理模塊、交通燈檢測模塊、路徑檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)控制模塊以及輔助調(diào)試模塊，在這次自動(dòng)入庫的設(shè)計(jì)中還有一個(gè)紅外傳感器模塊，用于準(zhǔn)確尋找空余車位。每個(gè)模塊都包括硬件和軟件兩部分，硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實(shí)體，軟件為系統(tǒng)提供各種算法。智能車系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1 智能車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 微控制器根據(jù)圖像采集傳感器采集的道路信息快速準(zhǔn)確地對(duì)路徑進(jìn)行判斷，對(duì)舵機(jī)和后輪直流電機(jī)PWM控制，從而保證智能車能夠快速穩(wěn)定地行駛。其中微控制器選用Freescale公

15、司的MC9S12XS128開發(fā)模塊；電源管理模塊為開發(fā)模塊、各傳感器、舵機(jī)以及直流電機(jī)提供電源；圖像采集模塊采用面陣CCD攝像頭；舵機(jī)控制模塊用來控制小車轉(zhuǎn)向的，模塊化舵機(jī)只要送入脈寬調(diào)制信號(hào)就可控制其轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角，控制主要是通過單片機(jī)片內(nèi)資源PWM配合編程實(shí)現(xiàn)；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為車后輪直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2.2 設(shè)計(jì)方案分析在設(shè)計(jì)小車自動(dòng)停車入庫系統(tǒng)的過程中，通過對(duì)相關(guān)資料的查詢，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不同部分存在多種實(shí)現(xiàn)方案，各種方案都存在其利弊。系統(tǒng)的方案選擇主要存在道路識(shí)別、交通燈識(shí)別、自動(dòng)倒庫三個(gè)模塊，下面將分析這三個(gè)模塊的方案，選擇出最利于我們實(shí)現(xiàn)的方法。2.2.1 道路識(shí)別方案分析道路識(shí)別模塊要

16、實(shí)現(xiàn)的功能是在白底黑線的車道上自動(dòng)識(shí)別行駛的路線，檢測智能車相對(duì)于車道中央的偏移量、方向等信息使小車自主沿著車道運(yùn)行。為了提高小車對(duì)車場環(huán)境的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)其自主沿著車道快速而穩(wěn)定的行駛，要選擇合適的采集賽道信息傳感器，設(shè)計(jì)合理的路徑識(shí)別方，以確保獲取足夠多、足夠遠(yuǎn)、足夠精確的車道信息來提高小車的運(yùn)行速度。路徑識(shí)別的主要要求是準(zhǔn)確、快速、盡量超前地采集路面信息，把它轉(zhuǎn)變成點(diǎn)信號(hào)，傳送到單片機(jī)中處理?，F(xiàn)在做路徑識(shí)別的技術(shù)很多，方法也是千差萬別，但其目的都是為小車尋到前進(jìn)的方向，現(xiàn)在分析下面三種方案的利弊。 （一）、基于光電傳感器的路徑識(shí)別方案對(duì)于飛思卡爾大賽來說，基于光電傳感器來進(jìn)行路徑識(shí)別是完

17、全可行的，因?yàn)橘惖朗窃诎咨惖郎献R(shí)別中間的黑色，可以在小車前面裝上光敏器件，光敏電阻或是光敏二極管，根據(jù)白色與黑色賽道對(duì)光的反射強(qiáng)度的不同，從而對(duì)光敏器件產(chǎn)生不同的電阻電壓，把這些數(shù)據(jù)送給單片機(jī)處理就可以讓小車識(shí)別具體的路線。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，信號(hào)處理速度快。其弊端是感知前方賽道距離有限，受外界紅外頻段光線干擾，精度比較低3。（二）、采用電磁傳感器的路徑識(shí)別方案這種方案是在道路中央安裝電流約為20KHz、100mA的導(dǎo)線，采用電磁傳感器陣列來感應(yīng)道路上的磁場信號(hào)，經(jīng)過放大電路放大后，可以得到正弦波，傳給單片機(jī)進(jìn)行AD采樣，得到正弦波的峰值，以判斷電磁傳感器距離導(dǎo)線的距離，從而定位智能車

18、在路徑上所處位置。這種方案的特點(diǎn)是：磁場在空間的分布具有方向性，所以電磁傳感器采集的信息同樣具有特定的方向。其缺點(diǎn)是磁場受附近車道上磁場影響較大，而且不同傳感器對(duì)磁場感應(yīng)的變化規(guī)律有很大的差距4。（三）、采用攝像頭采集的路徑識(shí)別方案 使用攝像頭采集路徑信息的原理是通過調(diào)整攝像頭鏡頭的焦距，可以采集到小車前方不同范圍的道路圖像，得到智能車前方的道路信息，對(duì)圖像中的道路參數(shù)進(jìn)行檢測。通過對(duì)檢測的圖像用適當(dāng)?shù)膱D像處理方式進(jìn)行處理后，可以獲得道路的中心位置、道路形狀、彎道曲率等信息。其優(yōu)點(diǎn)是可以獲得小車前方較遠(yuǎn)路徑信息，不足是對(duì)圖像處理的計(jì)算量大，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)間長，電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。攝像頭的選擇也

19、存在兩種方案，一種是采用CCD圖像傳感器，其是以PAL制式信號(hào)輸出到CCD信號(hào)處理模塊并進(jìn)行同步信號(hào)分離，連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)和同步信號(hào)同時(shí)輸入到S12單片機(jī)控制核心，進(jìn)行進(jìn)一步的圖像處理。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)比度高、動(dòng)態(tài)特性好。缺點(diǎn)是工作電壓是12V，需要升壓模塊，耗電量較大，且圖像穩(wěn)定性不高。另一種方案是采用CMOS圖像傳感器，這種傳感器的原理與CCD圖像傳感器的原理大致相同。雖然CMOS傳感器具有電源功耗低、感光度高的特點(diǎn)，但其受環(huán)境影響較大，適應(yīng)性較差5。綜上所述，在這次設(shè)計(jì)中路徑識(shí)別模塊選用CCD圖像傳感器的攝像頭方案。2.2.2 交通燈識(shí)別方案分析現(xiàn)在各學(xué)科對(duì)識(shí)別交通燈的研究很多，依據(jù)的理論也各不

20、相同。例如上海交通大學(xué)研究的基于級(jí)聯(lián)濾波交通燈識(shí)別方法，其是通過對(duì)已有的交通燈圖像進(jìn)行訓(xùn)練及采用色彩分割的方法而提取候選區(qū)域，并將候選區(qū)域作為輸入6；同濟(jì)大學(xué)研究的方向是在HIS顏色空間進(jìn)行交通燈的顏色分割，利用交通燈被黑色矩形框包圍這一典型特征進(jìn)行形狀分割，根據(jù)形狀分割所得位置對(duì)顏色分割候選區(qū)進(jìn)行確認(rèn)，從而精確定位交通燈位置以及亮燈在交通燈中的位置7。但總的來說，各種方案都是使用攝像頭來對(duì)交通燈進(jìn)行信息采集的。因?yàn)樵诼窂讲杉K選用的是CCD攝像頭，為了減少智能車的硬件組成以及減少費(fèi)用預(yù)算，所以在這里使用同樣的攝像頭，但對(duì)信息的處理算法卻迥然不同，在后續(xù)的論文中將會(huì)詳細(xì)介紹。2.2.3 小車

21、自動(dòng)入庫方案分析這一部分要實(shí)現(xiàn)的主要功能是小車行駛的過程中能夠準(zhǔn)確定位到空余車位。能夠?qū)崿F(xiàn)定位的傳感器數(shù)不勝數(shù)，最初試想的方案是利用光敏電阻來測量小車與車位的距離，具體做法是在車庫中央安裝發(fā)光二極管，車庫空著時(shí)二極管被點(diǎn)亮，在小車四周安裝八個(gè)光敏電阻，利用光敏電阻距離光源位置不同產(chǎn)生不同電阻的原理，進(jìn)而產(chǎn)生電壓差，從而測出小車距離光源的位置。實(shí)際證明這種方案并不合理，首先在小車上安裝光敏電阻相對(duì)麻煩，而且電路連接較為混亂。最嚴(yán)重的問題是光敏電阻受環(huán)境影響很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)車庫的精確定位。最終確定的方案是使用紅外線對(duì)射管，這種對(duì)管的原理是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的發(fā)射接收，車庫空著時(shí)對(duì)管發(fā)射信號(hào)，車輛行駛至車庫時(shí)

22、接收紅外信號(hào)。紅外對(duì)射管的接收范圍相對(duì)較小，所以并不受相鄰車庫對(duì)管的影響，精確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)小車對(duì)車庫的精確定位8。2.3 系統(tǒng)硬件安裝2.3.1 智能車系統(tǒng)硬件安裝智能車上的硬件有：車輪、舵機(jī)、路徑采集攝像頭、交通燈采集攝像頭、電機(jī)、主控芯片、電源驅(qū)動(dòng)一體化電路、紅外接收管、視頻分離電路。其中車輪、舵機(jī)和電機(jī)已經(jīng)安裝在車上，不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)。車體本身機(jī)械參數(shù)如下：車長27.5cm；車寬17cm；車輪直徑5cm；軸寬12cm9。智能車硬件安裝如圖2-2所示。圖2-2 智能車硬件安裝示意圖其中最關(guān)鍵的部分是攝像頭的安裝，出于對(duì)車身重心位置以及探測前瞻量的考慮，攝像頭最好裝在車體前部，以平衡

23、重心并獲得較大的前瞻量。攝像頭安裝位置的高低對(duì)智能車行駛過程中路徑識(shí)別的范圍，以及路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性具有直接的影響。安裝位置過低，會(huì)導(dǎo)致視野不夠開闊，使得有效的路徑識(shí)別范圍縮??；安裝位置過高，又會(huì)導(dǎo)致黑色引導(dǎo)線變得過窄而無法被檢測到，而且會(huì)使智能車系統(tǒng)重心抬高，從而降低了其穩(wěn)定性。攝像頭又受到單片機(jī)采樣速率的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用于路徑采集攝像頭的高度為10厘米、向下傾角30度為宜，用于交通燈信息采集攝像頭的高度為12厘米、向上傾角30度為宜。其次便是紅外對(duì)射管的安裝，智能車在兩處需要用紅外對(duì)管定位，一處是車庫門前，另一處是在路口。車庫有左右之分，所以在小車的左右兩側(cè)各需要一個(gè)對(duì)管，用以區(qū)

24、分空余車位在車的左側(cè)還是右側(cè)。車庫中道路是按照雙車道設(shè)計(jì)的，所以檢測路口的紅外對(duì)管需要安裝在車的右側(cè)，又因?yàn)椴捎玫膶?duì)管是同一個(gè)型號(hào)，為了避免出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，檢測路口的傳感器安裝位置要高于其余兩個(gè)對(duì)管。2.3.2 車場硬件安裝智能車場的設(shè)計(jì)是獨(dú)立于自動(dòng)入庫系統(tǒng)的，但本次設(shè)計(jì)需要車場相關(guān)硬件配合，所以這里對(duì)車場的硬件安裝提出簡單要求，其主要部分有：紅外對(duì)管、交通燈以及用于空位查詢的光電管。交通燈需要安裝十字路口，受到CCD攝像頭采集有效距離的影響，攝像頭要安裝在靠近車的路口，同時(shí)位置要高于攝像頭支桿。安裝在車庫門口的紅外對(duì)管，其裝在右側(cè)還是左側(cè)取決于該車庫相對(duì)于主干道的位置。用于定位路口的紅外對(duì)管需

25、要安裝距離路口11cm的地方，這是由裝在車上對(duì)管的位置決定10。空位查詢的傳感器安裝在車庫正中即可，車場系統(tǒng)硬件安裝如圖2-3所示。圖2-3 車場系統(tǒng)安裝示意圖第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3.1.1 單片機(jī)MC9S12XS128簡介我們選用飛思卡爾公司的MC9S12XS128作為系統(tǒng)的主控芯片，其隸屬于MC9S12X系列。MC9S12X系列是HCS12系列的增強(qiáng)產(chǎn)品，其基于S12CPU內(nèi)核，可以達(dá)到之前產(chǎn)品2到5倍的性能。S12X系列單片機(jī)增加了172條指令，可以執(zhí)行32位計(jì)算，總線頻率最高可達(dá)40MHz，并完全具備了CAN功能，改進(jìn)了中斷處理能力。S12X單片機(jī)的CPU以復(fù)雜指

26、令集CISC為架構(gòu)，集成了中斷控制器，有豐富的尋址方式。其系列單片機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是添加了一個(gè)平行處理的外圍處理器XGATE模塊，該模塊是一個(gè)可編程的16位RISC核心，設(shè)計(jì)的最高運(yùn)行速率可達(dá)100MHz。此模塊是一個(gè)可編程的、智能的直接內(nèi)存存取模塊，可以進(jìn)行通信處理、中斷處理和數(shù)據(jù)預(yù)處理。MC9S12X系列單片機(jī)目前有一下幾個(gè)子系列：MC9S12XA系列、MC9S12XB系列、MC9S12XD系列、MC9S12XE系列、MC9S12XS系列11。MC9S12XS128單片機(jī)存在三種不同的引腳封裝：112引腳LQFP封裝、80引腳QFP封裝、64引腳LQFP封裝，他們的功能基本相同。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)需

27、要的引腳較多，所以選用的是112引腳的封裝。其主要功能如下：中央處理器是高速的16位處理單元，數(shù)據(jù)總線也是16位，由算數(shù)邏輯單元（ALU）、核心寄存器組以及控制單元三部分組成；因?yàn)閱纹瑱C(jī)的地址總線是16位的，所以基本存儲(chǔ)器的尋址范圍是0x00000xFFFF,尋址空間為64KB。這些地址空間分給了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器EPROM、數(shù)據(jù)閃存器EEPROM和I/O口寄存器；共有十一個(gè)并行I/O口，分別是：A、B、E、K、T、S、M、P、H、J和AD，其中除了A、B和H作為通用I/O口，其他端口都存在復(fù)用功能；中斷模塊實(shí)現(xiàn)了7級(jí)嵌套，每個(gè)中斷源靈活分配中斷級(jí)別，中斷源又分為可屏蔽中斷和不可屏蔽

28、中斷；串行通信SCI模塊由13位的波特率選擇，同時(shí)支持LIN總線協(xié)議；16通道的A-D轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位/10位/12位可選，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)左對(duì)齊或右對(duì)齊，存在單次或連續(xù)轉(zhuǎn)換兩種方式；8通道8位的脈沖寬度調(diào)制器PWM可轉(zhuǎn)換成4通道16位；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊分為輸入捕捉/輸出比較模塊和周期中斷定時(shí)模塊；內(nèi)部集成了系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視功能，即看門狗功能，用硬件監(jiān)視軟件是否正常運(yùn)行，從而可以保證出錯(cuò)后系統(tǒng)快速恢復(fù)；工作環(huán)境溫度范圍寬等12。3.1.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于使用的晶振體工作頻率很高，如果電路設(shè)計(jì)不合理會(huì)使其工作時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)其他電路造成干擾，特別對(duì)模擬部分

29、的干擾較大，甚至?xí)率箚纹瑱C(jī)系統(tǒng)無法正常工作。通常時(shí)鐘電路的連接方法有三種：串聯(lián)型、并聯(lián)型和使用外部有源振蕩器13。并聯(lián)型電路連接如圖3-1所示。圖3-1 時(shí)鐘電路圖中晶振的大小選用16MHz，電容C1、C2稱為負(fù)載電容，將它們分別與晶振連接后接地，作用是消減諧波對(duì)電路穩(wěn)定性的影響，其典型值為22pF。R3的作用是保證晶體正常起振，它的大小一般為10M。在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路PCB時(shí)要注意下面三點(diǎn)：（1） 晶振體的周圍盡量不要有線路，特別是對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求高的器件連線；（2） 為了保證單片機(jī)的穩(wěn)定性和避免晶振對(duì)周圍電路造成干擾，它們之間的連線要盡量短，盡量寬；（3） 為了阻擋晶振體的噪聲，可以將地線包圍

30、和覆蓋在其周圍，這樣也可以避免其他信號(hào)的干擾。3.1.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)要正常工作需要在上電的時(shí)候給它一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使CPU和其他部件都置為一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。此外，在調(diào)試程序的時(shí)候經(jīng)常需要手動(dòng)對(duì)單片機(jī)復(fù)位，所以復(fù)位電路的設(shè)計(jì)必不可少。S12單片機(jī)的復(fù)位引腳是低電平有效，即在正常狀態(tài)時(shí)要求該引腳被上拉至高電平，在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位時(shí)其要保持一定時(shí)間的低電平14。復(fù)位電路如圖3-2所示。圖3-2 單片機(jī)復(fù)位電路系統(tǒng)上電時(shí)，復(fù)位按鈕處于松開狀態(tài)，由于電容C1要進(jìn)行充電，所以電壓不會(huì)突然變化而只能緩慢上升，這樣就可以在復(fù)位引腳上保持一段時(shí)間的低電平。當(dāng)按鈕被按下時(shí)，復(fù)位引腳被

31、拉到低電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。但是該電路不具備低壓復(fù)位保護(hù)功能，而且在對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高的場所，需要在R1兩端并聯(lián)反向保護(hù)二極管15。3.1.4 BDM接口電路設(shè)計(jì)BDM模塊可以實(shí)現(xiàn)程序下載、讀寫存儲(chǔ)器/寄存器、硬件斷點(diǎn)、條件斷點(diǎn)、單步運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行等全部在線調(diào)試功能，而只需要簡單的外部接口電路。此部分電路設(shè)計(jì)就是為了連接BDM調(diào)試器的，BDM調(diào)試器的功能是將程序從微機(jī)上下載到單片機(jī)里，并可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，同時(shí)它還可以給單片機(jī)供電16。BDM接頭存在兩種定義方式，一是飛思卡爾的方式，方法是將通訊口BKGD設(shè)置在第一腳，VDD在第六腳，若BDM插反，VDD將直接與BKGD短接，很可能引起芯片

32、BDM模塊故障，甚至燒毀芯片。第二種方法是清華大學(xué)提出的，該方式將BKGD設(shè)置到第三腳，這樣即使BDM頭插反，也不會(huì)引起任何嚴(yán)重的后果。按照第二種方式設(shè)計(jì)的BDM接口電路如圖3-3所示。圖3-3 BDM接口電路為了充分保護(hù)單片機(jī)的引腳，通常串聯(lián)如圖所示的電阻R13，其典型阻值為51歐姆，此外單片機(jī)的工作模式?jīng)Q定了要在MODC引腳與電源之間串聯(lián)一個(gè)3.3K的電阻。當(dāng)使用BDM下載程序時(shí)，單片機(jī)需要處于調(diào)試模式，即要求MODC引腳處于低電平，實(shí)現(xiàn)過程是BDM調(diào)試器的對(duì)應(yīng)引腳自動(dòng)將其拉低。當(dāng)單片機(jī)與調(diào)試器分離時(shí)，由于MODC上存在3.3K的上拉電阻，單片機(jī)就會(huì)自動(dòng)回到普通模式。3.2 電源電路設(shè)計(jì)電

33、源模塊的設(shè)計(jì)是為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的電源，所以首先需要設(shè)計(jì)出滿足要求的電壓電流，其次需要考慮電源轉(zhuǎn)換率和噪聲等方面，穩(wěn)定可靠的電源是整個(gè)硬件電路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。電源管理模塊主要包括：主電源、舵機(jī)電源、攝像頭電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源以及各芯片供電電源17。其中主電源需要一塊充電電池，現(xiàn)在市場上常見的充電電池有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、堿性電池和封閉式鉛酸電池等幾類，其中鎳氫電池電路簡單、技術(shù)成熟而且價(jià)格便宜，所以這里選用一塊由6節(jié)型號(hào)相同1.2V電池串聯(lián)的7.2V電池，其額定容量為1300mAh。3.2.1 5V電源電路設(shè)計(jì)5V電源模塊是對(duì)7.2V電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，主要為單片機(jī)、視頻分離電路以及輔

34、助電路提供穩(wěn)定電壓，所以要求電壓穩(wěn)定、噪聲小、電流容量大?，F(xiàn)在常用的5V穩(wěn)壓芯片有LM7805、LM2940等，其中LM7805內(nèi)部功率損耗大，全部壓降均轉(zhuǎn)換成熱量損失了，電源效率比較低，因此選用LM2940作為5V穩(wěn)壓芯片。LM2940穩(wěn)壓芯片的典型壓降只有0.5V，其最大輸出輸出電流可達(dá)1A，并且具有短路保護(hù)的特點(diǎn)。5V穩(wěn)壓電路原理圖如圖3-4所示。圖3-4 5V穩(wěn)壓電路圖3.2.2 6V電源電路設(shè)計(jì) 6V電源只給前輪舵機(jī)提供工作電壓。舵機(jī)工作時(shí)需要的工作電流一般在幾十毫安左右，且電壓無需十分穩(wěn)定，所以這里選用LM2941作為穩(wěn)壓芯片。LM2941是一種可調(diào)式低壓穩(wěn)壓器，其優(yōu)勢(shì)主要在于：典

35、型壓降為0.5V；最大輸出電流為1.0A；輸出電壓范圍為020V，最大輸出電壓可達(dá)26V；具有短路保護(hù)、熱過載保護(hù)和自我保護(hù)功能。此外當(dāng)輸入輸出壓差超過3V 時(shí), 芯片內(nèi)部有專門的電路將引腳地的靜態(tài)電流減小。當(dāng)輸出電流為1A 并且輸入輸出壓差為5V 時(shí),靜態(tài)電流僅為30mA。6V穩(wěn)壓電路原理圖如圖3-5所示。圖3-5 6V穩(wěn)壓電路圖當(dāng)引腳ON/OFF為高電平時(shí)，芯片被關(guān)閉，引腳OUTPUT輸出電壓為0V，反之當(dāng)其接低電平時(shí)， 芯片被開啟，有電壓輸出。輸出電壓的計(jì)算方法如式3-1所示。 （3-1）從上式可以看出LM2941輸出電壓的大小取決于R2與R1比值的大小，其中它的基準(zhǔn)電壓VREF的大小為

36、1.275V，實(shí)際電路中R1通常取1K，根據(jù)輸出電壓為6V計(jì)算出R2的大小為3.7K18。此外輸出電壓的穩(wěn)定性；也取決于R1和R2的穩(wěn)定性；即電阻穩(wěn)定性好，則電路就不會(huì)因溫度等因素而引起輸出電壓的不穩(wěn)定，所以這兩個(gè)電阻不能太小或者不接。需要注意的是電路中的電源濾波電容在布線時(shí)要原理調(diào)節(jié)端。3.2.3 12V電源電路設(shè)計(jì)CCD攝像頭的額定工作電壓是12V，所以需要使用升壓電路將7.2V電源升壓至12V，在這里我們使用MC34063構(gòu)成直流升壓電路，這款芯片使用不同的外圍電路可產(chǎn)生不同的電壓值。MC34063是一塊高效的開關(guān)型DC/DC變換控制電路，內(nèi)部含有直流到直流變換器所要求的主要功能，即具有

37、溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源和比較器、具有激勵(lì)電流限制的占空比可控的振蕩器和驅(qū)動(dòng)器以及大電流輸出開關(guān)等。其輸入的工作電壓為340V，工作頻率為100KHz，基準(zhǔn)度為2%，控制的開關(guān)電流達(dá)到1.5A。MC34063片內(nèi)的恒流源不斷對(duì)接在CT引腳上的定時(shí)電容進(jìn)行充電和放電，從而使振蕩器產(chǎn)生震蕩波。因?yàn)槌潆姾头烹姷碾娏鞫际呛愣ǖ模哉袷幤鞯恼袷庮l率完全取決于定時(shí)電容的容量。當(dāng)振蕩器對(duì)外充電時(shí)，片內(nèi)與門的C輸入端呈現(xiàn)為高電平，反之，則呈現(xiàn)出低電平。當(dāng)比較器的輸入電平低于閥值電平時(shí)，與門的D輸入端表現(xiàn)為高電平，反之，則表現(xiàn)為低電平。當(dāng)C端和D端都為高電平時(shí)，片內(nèi)觸發(fā)器被置為高電平，從而使輸出開關(guān)管導(dǎo)通。當(dāng)C端

38、和D端有一端為低電平時(shí)，觸發(fā)器被置為低電平，輸出開關(guān)管就被關(guān)閉。通過判斷連接在5V電源與SI檢測口的電阻上的壓降來完成電流限制的功能。當(dāng)該電阻上的壓降接近于300mV時(shí)，電流限制功能便被啟用，主要是通過對(duì)CT引腳上定時(shí)電容進(jìn)行快速充電，從而減少充電時(shí)間和輸出開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，其結(jié)果是輸出開關(guān)的關(guān)閉時(shí)間減少，電路中的電流大小下降，達(dá)到電流限制功能19。12V穩(wěn)壓電路如圖3-6所示。圖3-6 12V穩(wěn)壓電路圖所設(shè)計(jì)的電路是將7.2V升壓至12V，根據(jù)MC34063的工作原理可知，電路輸出電壓的大小只與電阻R1和R2有關(guān)，但R1R2的阻值不能過小，否則支路的分流電流將會(huì)變大，導(dǎo)致輸出端的負(fù)載能力下降

39、。這里選用電阻R1R2的大小分別為2K和18K，具體計(jì)算方法按式3-2所示。 （3-2）根據(jù)MC34063工作頻率等特性，可以計(jì)算出定時(shí)電容CT的大小為470pF,濾波電容C和C0的大小都為100uF。電路中選用0.3歐姆的電阻作為檢測電阻RSC，將電感L的大小設(shè)置為100uH。3.3 直流電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.3.1 電機(jī)RS-380簡介 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，組成部分有機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞

40、紐，所以通常又稱為電樞，組成部分有轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。電機(jī)是小車動(dòng)作的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在這我們選用RS-380直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)速度控制性能優(yōu)良，其輸出轉(zhuǎn)矩較大，可直接拖動(dòng)后輪負(fù)載，重要的是可通過調(diào)節(jié)控制脈沖直接控制轉(zhuǎn)速和方向。電機(jī)RS-380的額定電壓為7.2V,工作電壓范圍38V，空載轉(zhuǎn)速在7.2V時(shí)可達(dá)30000轉(zhuǎn)。工作電流的范圍為0.751.30，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)24A。其在很多方面有優(yōu)越性，具體如下：（1）較大的轉(zhuǎn)矩能夠克服傳動(dòng)裝置的摩擦和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；（2）電機(jī)速度調(diào)整范圍寬且精度高，機(jī)械特性及調(diào)節(jié)特性線性好，且速度平穩(wěn)； （3）電機(jī)有很硬的負(fù)載特性且過載能力

41、較大，可保證速度不受負(fù)載沖擊的影響；（4）響應(yīng)速度快，可滿足復(fù)雜變化速度的情況；（5）可以長時(shí)間的處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)而不會(huì)燒毀電機(jī)。3.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要求不僅能夠使電機(jī)在所需轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要求能夠?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)的功能，所以需要使用H橋?qū)﹄姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。H橋驅(qū)動(dòng)電路因其形狀酷似英文字母H而得名，其電路包含4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，三極管位于H的4個(gè)垂直腿，電機(jī)則位于H的橫杠上。如要使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，就要使位于對(duì)角上的三極管導(dǎo)通，根據(jù)導(dǎo)通情況不同，電流會(huì)從左至右或從右至左的流過電機(jī)，從而達(dá)到對(duì)單片機(jī)的正反控制。通過調(diào)節(jié)電機(jī)導(dǎo)通的時(shí)間，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，當(dāng)無需電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，讓四個(gè)三極管都不導(dǎo)通即可。但需要

42、注意的是同側(cè)三極管不能一起導(dǎo)通，否則會(huì)導(dǎo)致短路。4個(gè)三極管的安排應(yīng)該是上面兩個(gè)位同種，下面兩個(gè)位另一種20。H橋示意圖如圖3-7所示。圖3-7 H橋驅(qū)動(dòng)電路示意圖現(xiàn)在市場集成H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片有33886、BTS7960等，因?yàn)樾≤囯姍C(jī)內(nèi)阻大約為430毫歐，而飛思卡爾公司的33886內(nèi)部的每個(gè)MOSET導(dǎo)通電阻都在120毫歐以上，會(huì)大大增加電樞回路總電阻，導(dǎo)致直流電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，驅(qū)動(dòng)電路的效率也隨著降低，所以在本次設(shè)計(jì)中不采用33886芯片。選用BTS7960作為主控芯片。BTS7960是Novalithic系列的三個(gè)獨(dú)立芯片的一部分，它是一般用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋集成芯片。其內(nèi)部含有一個(gè)N溝道

43、的低邊MOSFET、一個(gè)P溝道的高邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC，驅(qū)動(dòng)IC具有電流診斷、邏輯電平輸入、斜率調(diào)節(jié)和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)等功能。BTS7960電源輸入為525V，通態(tài)電阻典型值為16m，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43A。使用兩片BTS7960構(gòu)成電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)，一片就相當(dāng)于一側(cè)的半橋。當(dāng)INH引腳為高電平時(shí)，便可使能BTS7960，反之，芯片邊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)中將兩芯片的這一引腳連接在一起。將IN腳與單片機(jī)的PWM輸出口連接，當(dāng)IN為高電平且INH為高電平時(shí)，高邊MOSET三極管導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；當(dāng)IN為低電平且INH為高電平時(shí)，低邊MOSET三極管導(dǎo)通，OUT引腳輸出為

44、低電平。SR引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能，該電阻越大則三極管延遲時(shí)間就越大，但開關(guān)變化率就會(huì)越小，綜合考慮開關(guān)變化率和死區(qū)時(shí)間，選取該電阻阻值為10K。由于電機(jī)在進(jìn)行PWM調(diào)制時(shí)三極管開關(guān)速率較快，導(dǎo)致電路產(chǎn)生較大的紋波電壓，所以在電源與地之間連接一個(gè)470uF的電容。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3-8所示。圖3-8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖中R1、R2、R5和R6為電路的限流電阻，起保護(hù)電路的作用，防止過大的感應(yīng)電壓對(duì)芯片內(nèi)部邏輯電路造成傷害，根據(jù)實(shí)驗(yàn)選用阻值10K比較理想。IS引腳是電流檢測輸出引腳，正常情況下片內(nèi)電流源與該引腳直接相連，根據(jù)計(jì)算可得該電阻阻值為2.

45、2K。3.4 視頻采集電路 視頻采集模塊主要有攝像頭、視頻分離電路以及單片機(jī)AD模塊組成，攝像頭輸出的視頻信號(hào)，一路傳給分離電路，分離出相應(yīng)的場行同步信號(hào)；一路傳給單片機(jī)AD口，便于有用信號(hào)的采集，即視頻信號(hào)是AD采集的基礎(chǔ)。3.4.1 CCD攝像頭的工作原理攝像頭有彩色和黑白之分，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)利用攝像頭的目的是采集道路中心線和信號(hào)燈方向，所以只需提取畫面的灰度信息即可，而不需要知道其色彩信息，也就是說黑白攝像頭就可以滿足設(shè)計(jì)要求。攝像頭的主要組成部分有鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路。其最重要的部分是圖像傳感芯片，該芯片需要與外圍電路配合才能正常工作，單板就是圖像傳感芯片與外圍電路的總稱，單板上

46、通常的三個(gè)端子是電源端、地端和視頻信號(hào)端，部分板子上還有一個(gè)音頻信號(hào)端。通常我們所見的攝像頭就是單板與鏡頭、外殼、引線和接頭組裝在一起而成的。攝像頭的主要工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。具體過程是攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，就輸出一段連續(xù)的電壓視頻信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏正反映了該行圖像的灰度變化情況。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一低于最低視頻信號(hào)電壓的電平，并保持一段時(shí)間，即緊接著每行圖像對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)之后都會(huì)有一個(gè)電壓凹槽，此凹槽叫做行

47、同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的方式，所以攝像頭跳過一行后，就開始掃描新的一行，如此下去直到掃描完該場的視頻信號(hào)。之后就會(huì)出現(xiàn)一段場消隱區(qū)，此區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，在這些消隱脈沖中，有個(gè)脈沖遠(yuǎn)寬于其他的消隱脈沖，該消隱脈沖又稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，但是場消隱區(qū)恰好跨在下一場的開始部分和上一場的結(jié)尾部分，只有等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號(hào)才真正到來21。攝像頭輸出信號(hào)如圖3-9所示。圖3-9 攝像頭視頻信號(hào)我國的電視標(biāo)準(zhǔn)為PAL制式，黑白視頻信號(hào)規(guī)定每幀圖像共625行，每場為312.5行，在每場的312.5行中，有一些行要用作

48、場消隱，是不包含視頻信號(hào)的，按照CCIR656標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行編號(hào)方法，奇場的行號(hào)為第1至312.5行，偶場的行號(hào)為第312.5至625行22。 攝像頭每秒掃描25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，奇場時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時(shí)則只掃描偶數(shù)行，故每秒掃描50 場圖像，即每場需要0.02秒，每行需要64微妙，但在實(shí)際測量中每行的時(shí)間為40微妙。經(jīng)示波器測試有效視頻信號(hào)的電壓范圍為23V。3.4.2 視頻分離電路 為了提取出視頻電壓中的有用信號(hào)，首先要分離出信號(hào)中的行同步脈沖，消隱脈沖和場同步脈沖。現(xiàn)在進(jìn)行分離的方法可以分為硬件和軟件兩種：軟件方法是直接通過單片機(jī)AD提取，因?yàn)樾型矫}沖

49、、消隱脈沖或場同步脈沖信號(hào)的電平低于視頻信號(hào)電壓，可以在軟件上設(shè)置一個(gè)電壓閥值，通過對(duì)采集信號(hào)判斷出各種同步信號(hào)；硬件方法是利用外部芯片提取出攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的速度有限，而一些脈沖的間隔時(shí)間又較短，為了減輕其處理負(fù)擔(dān)，這里采用了硬件的方法進(jìn)行信號(hào)的處理，選用芯片LM1881作為電路核心，其和外圍電路構(gòu)成的攝像頭圖像采集電路如圖3-10所示。圖3-10 攝像頭圖像采集電路如上圖所示CVBS引腳（即2腳）為視頻信號(hào)輸入端，在其之前接一個(gè)電容濾除雜波，與此同時(shí)視頻信號(hào)也接入單片機(jī)的AD0口；VSYNC引腳（即3腳）為場同步信號(hào)輸出端，與單片

50、機(jī)輸入捕捉端口PT1連接，當(dāng)攝像頭信號(hào)的場同步脈沖到來時(shí)，該端將變?yōu)榈碗娖?，一般維持230us，然后重新變回高電平；CSYN引腳（即2腳）為行同步信號(hào)輸出端，與單片機(jī)輸入捕捉端口PT0連接，當(dāng)信號(hào)中的行同步脈沖到來時(shí)，該端將變?yōu)榈碗娖?；ODD引腳為奇偶同步信號(hào)輸出端，當(dāng)攝像頭信號(hào)處于奇場時(shí)，該端為高電平，當(dāng)處于偶場時(shí)，為低電平。由此可知，不僅場同步信號(hào)可以作為換場的標(biāo)志，ODD引腳也可作為信號(hào)與單片機(jī)PT1腳相連23。3.5 舵機(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)中使用舵機(jī)對(duì)小車前進(jìn)方向控制，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，可以用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)，舵機(jī)是一種學(xué)名，它其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。

51、通常舵機(jī)有紅色、黑色和白色三個(gè)引出線，其中紅色引線是舵機(jī)的電源線，為電機(jī)提供工作電壓；黑線是地線；白色引線是舵機(jī)控制信號(hào)的輸入端。舵機(jī)的控制是智能車尋跡行走的關(guān)鍵，要求舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有準(zhǔn)確的角度控制和快速響應(yīng)的能力。所用舵機(jī)接線如圖3-11所示。圖3-11 舵機(jī)接線圖單片機(jī)的PWM控制信號(hào)傳給舵機(jī)的紅色端口，通過占空比的不同來控制舵機(jī)的位置?？刂菩盘?hào)由舵機(jī)內(nèi)部接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，經(jīng)比較獲得直流偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部含有一個(gè)基準(zhǔn)電路，它可以產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將電位器電壓與直流偏置電壓進(jìn)行比較獲得電壓差輸出，最后電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反

52、轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)24。在這選用的舵機(jī)型號(hào)是S3010，其在6V電壓時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度可達(dá)0.16s每60度。由舵機(jī)的特性可知，在實(shí)際中PWM的周期也為20ms，當(dāng)脈沖高電平的時(shí)間為1.5ms時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為0；當(dāng)脈沖高電平時(shí)間為0.5ms時(shí)，舵機(jī)向右打輪90度；當(dāng)脈沖高電平時(shí)間為2.5ms時(shí)，舵機(jī)向左打輪90度。由此可推導(dǎo)出舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與脈沖寬度的計(jì)算公式，如果要求舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)X度，則脈沖高電平時(shí)間T的計(jì)算如式3-3所示。 （3-3）由上式可知舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1度時(shí)，所需脈沖高電平時(shí)間為0.011ms。一般舵機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè)，由此可計(jì)算

53、出舵機(jī)角度精度等級(jí)為0.18度，脈沖控制精度為2us（2ms/1024），即脈沖每改變2us舵機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)0.18度。但在實(shí)際小車安裝硬件中，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍只有左右30度。3.6 紅外對(duì)管電路 紅外線是光譜中波長從760至400微米的電磁波，其是不可見光線，人眼無法識(shí)別，紅外線可用于檢測的優(yōu)點(diǎn)是受其他光線影響較小。紅外對(duì)管是紅外線發(fā)射管和紅外線接受管或紅外線接收頭的總稱，其中紅外線接收管又可分為光電二極管和光電三極管，光電二極管是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而光電三極管不僅將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，又將其電流進(jìn)行放大了。紅外接收管的工作原理是：紅外線接收管核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，在結(jié)構(gòu)上與普通二極管

54、相比有很大的改變，為了能夠更多更大面積的接受入射光線，紅外線接收管PN結(jié)面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。紅外線接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。在沒有光照時(shí)，反向電流很小（一般小于0.1微安），稱為暗電流。在有紅外線光照時(shí)，攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大，這種特性稱為光電導(dǎo)。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流25。如果外電路上存在負(fù)載，負(fù)載上的電壓信號(hào)就會(huì)隨之光強(qiáng)度

55、的變化而變化。在本次實(shí)驗(yàn)中選用的3個(gè)是NPN常開型紅外接收三極管，發(fā)射管是紅外發(fā)射二極管，其有效距離是50厘米。右側(cè)車庫接受管的信號(hào)引腳與單片機(jī)PT2口連接，左側(cè)車庫接受管的信號(hào)引腳與單片機(jī)PT3口連接，十字路口接收管的信號(hào)引線與單片機(jī)PT4口連接。紅外接受與單片機(jī)的連接如圖3-12所示。圖3-12 紅外接受管電路由紅外接受管的特性可知，在輸出和正極之間串連一個(gè)1K左右的上拉電阻可直接接單片機(jī)的IO口，當(dāng)紅外接收管沒有檢測到信號(hào)時(shí)，其信號(hào)輸出端在上拉電阻的作用下呈現(xiàn)高電平；當(dāng)有紅外信號(hào)射向接收管時(shí)，其輸出端呈現(xiàn)為低電平。第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 主函數(shù)主函數(shù)是整個(gè)程序的入口，實(shí)現(xiàn)軟件功能的主體，

56、這里主要完成的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化及在不同條件下調(diào)用各種函數(shù)26。初始化程序包括參數(shù)初始化、鎖相環(huán)初始化、輸入捕捉初始化、定時(shí)初始化、PWM初始化以及AD初始化。通過輸入捕捉功能檢測單片機(jī)PT2口、PT3口和PT4口電平的高低變化，從而改變程序調(diào)用參數(shù)cx的數(shù)值，根據(jù)cx的大小決定主函數(shù)調(diào)用各子函數(shù)。當(dāng)cx的值為0時(shí)，執(zhí)行自動(dòng)循跡子程序，通過單片機(jī)內(nèi)部AD對(duì)CCD攝像頭的數(shù)據(jù)采集，判斷出小車與中心黑線的偏差，將偏差送給舵機(jī)1子程序，調(diào)整小車的狀態(tài)；當(dāng)cx的值為1時(shí)，說明小車已經(jīng)行駛到十字路口，同樣用AD將信號(hào)燈的數(shù)據(jù)采集出來，通過辨別信號(hào)燈的指向，確定小車的轉(zhuǎn)向。當(dāng)cx的值為2時(shí)，說明智能車

57、已經(jīng)行至車庫，則執(zhí)行入庫程序，這里主要利用單片機(jī)的定時(shí)器功能，通過定時(shí)來控制電機(jī)方向和舵機(jī)轉(zhuǎn)角，至此整個(gè)程序運(yùn)行結(jié)束。主程序流程如圖4-1所示。圖4-1 主程序流程圖4.2 初始化程序設(shè)計(jì)4.2.1 鎖相環(huán)初始化設(shè)計(jì)單片機(jī)一般采用內(nèi)部振蕩的方式為其提供時(shí)鐘源，振蕩器時(shí)鐘二分頻后作為MCU內(nèi)部總線時(shí)鐘。如果想要系統(tǒng)有更加快速的運(yùn)行速率，那么可以通過提高內(nèi)部總線時(shí)鐘頻率的方法實(shí)現(xiàn)，但過高的外部時(shí)鐘容易受到干擾，同時(shí)其也會(huì)影響其他器件的正常工作。MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部集成了時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，可利用外部穩(wěn)定的振蕩器頻率，鎖定內(nèi)部更高的壓控振蕩器頻率作為系統(tǒng)時(shí)鐘，其鎖相環(huán)時(shí)鐘可達(dá)80MHz，即使內(nèi)

58、部總線時(shí)鐘達(dá)到40MHz27。與鎖相環(huán)相關(guān)的寄存器有時(shí)鐘分頻寄存器（REFDV）、時(shí)鐘合成寄存器（SYNR）、鎖相環(huán)控制寄存器、時(shí)鐘產(chǎn)生標(biāo)志寄存器、時(shí)鐘后分頻寄存器以及時(shí)鐘選擇寄存器。其中后分頻寄存器用于設(shè)定VCOCLK與PLLCLK之間的頻率比例，一般比例為1，VCOCLK為內(nèi)部壓控振蕩器頻率，PLLCLK為鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率；時(shí)鐘選擇寄存器用于控制總線時(shí)鐘的選擇，這里選擇鎖相環(huán)時(shí)鐘頻率的二分頻作為內(nèi)部總線的時(shí)鐘；鎖相環(huán)控制寄存器用于確定鎖相環(huán)的功能；時(shí)鐘分頻寄存器和時(shí)鐘合成寄存器用于確定鎖相環(huán)與內(nèi)部總線的時(shí)鐘頻率，內(nèi)部總線時(shí)鐘頻率BUSCLK的計(jì)算方法入式4-1所示。BUSCLK=PLLCLK

59、/2=VCOCLK/2=OSCCLK(SYNR+1)/(REFDV+1) （4-1）上式中OSCCLK為外部振蕩器的頻率，即OSCCLK等于16MHz；REFDV的值由時(shí)鐘分頻寄存器的后5位確定，為了使鎖相環(huán)穩(wěn)定，應(yīng)該選擇盡可能大的REFDV，綜合考慮到其他因素，程序中設(shè)置其值為1；SYNR的值由時(shí)鐘合成寄存器的后5位決定，設(shè)計(jì)中要求內(nèi)部總線的時(shí)鐘頻率達(dá)到40MHz，所以這里設(shè)置時(shí)鐘合成寄存器的值為0x44，即SYNR的值為4。4.2.2 TIM模塊初始化設(shè)計(jì)MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置有定時(shí)器TIM模塊，其全稱是Timer Module，這部分可以完成輸入捕捉、輸出比較和脈沖累加等功

60、能，可用于測量輸入波形、產(chǎn)生輸出波形、統(tǒng)計(jì)脈沖或邊沿個(gè)數(shù)，還可用于作為時(shí)間基準(zhǔn)使用。TIM模塊的主要組成部分有1個(gè)16位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器、1個(gè)16位脈沖累加器和8個(gè)16位輸入捕捉/輸出比較通道，通過可編程預(yù)分頻器為其提供時(shí)鐘源28。這里使用的是TIM模塊的輸入捕捉功能，輸入捕捉功能是通過捕捉16位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器的計(jì)算值來檢測外部事件和輸入變化的。捕捉端口PTO用于檢測視頻的行同步信號(hào)，捕捉端口PT1用于檢測視頻的場同步信號(hào)，捕捉端口PT2用于檢測交叉口的對(duì)管信息，捕捉端口PT3用于檢測右車庫信息，捕捉端口PT4用于檢測左車庫信息。與輸入捕捉功能相關(guān)的寄存器有定時(shí)器系統(tǒng)控制寄存器1（TSCR1）、

61、定時(shí)器輸入捕捉/輸出比較選擇寄存器（TIOS）、定時(shí)器控制寄存器3（TCTL3）、定時(shí)器控制寄存器4（TCTL4）及定時(shí)器中斷使能寄存器（TIE）等。其中TSCR1寄存器控制定時(shí)器的使能位；TIOS寄存器用于選擇定時(shí)器的具體功能，清零時(shí)相應(yīng)通道起輸入捕捉的作用，置一時(shí)相應(yīng)通道起輸出比較的作用，硬件上需要5個(gè)輸入捕捉端口，因此TIOS的值為0xe0，即通道0、1、2、3和4作為輸入捕捉端口；TCTL3和TCTL4是輸入捕捉邊沿控制位，程序上將其分別設(shè)置為0x01和0x55，也就是說5個(gè)端口都是上升沿捕捉；TIM寄存器控制定時(shí)器的中斷使能位。4.2.3 PIT模塊初始化設(shè)計(jì)周期中斷定時(shí)器PIT模塊

62、的全稱是Periodic Interrupt Timer，其主要作用是周期性產(chǎn)生中斷和外設(shè)模塊觸發(fā)，其包含4路24位定時(shí)器，程序中利用PIT模塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。PIT模塊的工作原理是：通過片內(nèi)總線時(shí)鐘的8位微計(jì)數(shù)器減一操作完成，當(dāng)此微計(jì)數(shù)器的數(shù)值減到0時(shí)，就會(huì)觸發(fā)高16位計(jì)數(shù)器做一次減一操作，如此循環(huán)計(jì)數(shù)直到這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)值都減到0，則就會(huì)產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷，從而完成計(jì)時(shí)功能。XS128單片機(jī)的這部分有運(yùn)行、等待、停止和凍結(jié)四種工作模式29。設(shè)計(jì)中決定PIT模塊定時(shí)時(shí)間的寄存器是微定時(shí)器加載寄存器和加載寄存器，其中微定時(shí)器加載寄存器是給微定時(shí)器0和1裝載數(shù)據(jù)的，加載寄存器為16為計(jì)數(shù)器裝載計(jì)數(shù)

63、初值。如果16位計(jì)數(shù)器和8位微計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的加載寄存器的值分別是A和B，則定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的計(jì)算如式4-2所示。T =(A+1)(B+1)/BUSCLK （4-2）在上面已經(jīng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)內(nèi)部總線的時(shí)鐘頻率為40MHz，這部分設(shè)計(jì)要求定時(shí)最小時(shí)間為100ms，再通過這個(gè)時(shí)間進(jìn)行更大時(shí)間的計(jì)時(shí)，則A的值為19999，B的值為199。此外，其他的寄存器決定了PIT的主要工作功能，定時(shí)器的定時(shí)通道選擇0，多路選擇寄存器的值設(shè)置為0x00，即設(shè)定通道0連接的微定時(shí)基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器也是0，同時(shí)要開啟定時(shí)器中斷使能。4.2.4 PWM模塊初始化設(shè)計(jì)脈沖寬度調(diào)制PWM是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的常用功能之一，即產(chǎn)生一個(gè)在低電平和高

64、電平之間交替重復(fù)的方波輸出信號(hào)，通過軟件編程可以調(diào)節(jié)方波信號(hào)波形的占空比、周期以及相位。S12XS系列單片機(jī)可以通過兩種方式產(chǎn)生PWM信號(hào)，一種是利用TIM模塊的比較功能，另一種是采用MCU內(nèi)置的PWM模塊實(shí)現(xiàn)，前者可通過軟件編程設(shè)定輸出任意脈沖信號(hào)，但其不易產(chǎn)生精確的脈沖序列，后者專門用于輸出PWM信號(hào)，而且占用的CPU資源極少。MCS12XS128內(nèi)置的PWM模塊包括8路具有可編程周期和占空比的PWM通道，亦可通過設(shè)置變?yōu)?個(gè)16位的PWM通道，每個(gè)通道由獨(dú)立運(yùn)行的8位通道計(jì)數(shù)器、通道周期寄存器和占空比寄存器等組成30。設(shè)計(jì)中用到3路PWM控制，即舵機(jī)控制和電機(jī)控制，其中電機(jī)要實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，所以電機(jī)需