第三章 硬件电路的设计
硬件电路设计是自动控制的基础，本次比赛指定飞思卡尔公司S12系列的16位单片机MC9S12DG128作为核心控制处理器。下面对硬件设计中除了单片机最小系统以外的其它几个主要模块进行讨论。
3.1电源管理电路
电源模块为智能车系统其它各个模块提供所需要的电源。可靠的电源管理方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。根据智能车系统各个部分的需要，电源管理电路将系统的电压值分为5V、6.5V、7.2V和9V四个档。供电电源是由组委会提供的7.2V 1800mAh 镉镍电池。其主要用于以下几个方面：
（1） 采用稳压芯片将电源电压稳至5V后供给单片机以及部分接口电路。由于电机会造成电压的瞬间降低，普通的电源芯片如7805只能工作在7V以上，当电压低于7V时就会造成单片机的重启，这里我们采用了LM2576,它是开关稳压电源，当电压低至6.5V时仍可正常工作，避免了单片机的频繁启动。电路如图3.1所示：
图3.1 稳压电源电路图
（2）伺服转向电机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定，故将电源经过两个二极管降至6V左右后供给伺服转向电机。
（3）7.2V电源电压直接供给MC33886来驱动电机。
（4）电源经过一个9V升压模块（BO 0509）升至9V后供给CMOS摄像头进行道路检测。其升压模块如图3.2所示：
图3.2 9V升压模块电路图
3.2电机驱动模块
智能车后轮的驱动电机型号为RS－380，工作在7.2V电压下，空载电流为0.5A，转速为16200r/min。通过电机驱动模块，控制电机两端电压可以使小车加速运行，本系统的电机驱动模块采用组委会提供的专用电机驱动芯片MC33886，为了提高赛车的速度，我们增强了电机的驱动能力，将两片MC33886 pin to pin并联构成了驱动电路，并使用了双路PWM信号进行驱动，借助驱动芯片内部输出特性实现两片输出电流均衡。电机驱动电路图如图3.3所示：
图3.3 电机驱动电路图
3.3速度检测模块
为了使得智能车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向伺服电机以外，还需要控制车速，使小车在急转弯时速度不要过快而冲出赛道。可以通过控制驱动电机上的平均电压控制车速，但是如果开环控制电机转速，会有很多因素影响电机转速，例如电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力和前轮转向角度等。这些因素会造成小车运行不稳定。通过速度检测，对车模速度进行闭环反馈控制，即可以消除上面各种因素的影响，使得小车运行得更精确。
我们采用韩国Autonics公司制造的E30S－360－3－2型号的光电旋转编码器来检测智能车的速度，因为E30S-360-2-3型旋转编码器的输出方式为集电极输出，所以本系统将旋转编码器的输出信号端与5V电源端接一个2K的上拉电阻，然后将信号端与MC9S12DG128的I/O口PT0相连。PT0采用8位输入脉冲累加模式对旋转编码器的输出脉冲进行累加计数。
车速检测模块安装如图3.4所示，我们在旋转编码器的中轴上安装一个直径为4cm，齿数76，传动比1：1的齿轮，并将该齿轮与后轮的传动齿轮咬合。这样后轮旋转的同时将通过传动齿轮带动旋转编码器一同旋转。此时只需要测量一定时间内旋转编码器输出的脉冲数就能准确计算出车速。
图3.4车速检测模块安装图
3.4舵机控制模块
舵机控制模块采用组委会提供的Futaba公司S3010型舵机来对智能车进行方向控制。舵机本身是一个位置随动系统，它由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成。通过内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号，因此对它的控制可以使用开环控制方式。为了提高舵机的响应精度，我们将单片机中相邻的2路PWM输出级联成一个16位PWM输出。考虑到智能车在行驶的过程中响应速度较慢，为减小舵机响应时间长对小车速度的影响，在比赛规则中不准改造舵机的规则允许下，我们采用杠杆原理——在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输出臂，将转向传动杆连接在输出臂末端。加长力臂后减小了舵机的转向范围，所以要使前轮转动相同的角度，舵机力臂加长后所需时间更短，响应更快。但如果舵机的力臂太长又会造成舵机的转向力矩太小，PWM信号与角度不能很好的一一对应，对于舵机的开环控制会带来很大的稳态误差。综合以上考虑，我们将舵机的力臂加长至3cm。舵机安装图3.5所示：
图3.5 舵机安装图
3.5路径识别模块
路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，其方案的好坏直接影响到小车性能的优劣。经过多次实验分析，我们采用了CMOS摄像头进行道路的寻迹。
采用CMOS传感器的路径检测方法具有探测距离远的优势，能够尽可能早的探测到前方的路径信息来进行预判。由于CMOS摄像头采集到的图像水平分辨率低、垂直分辨率高，但是要很好的检测道路信息就必须将图像变成水平分辨率高、垂直分辨率低，因此我们在安装摄像头的时候将其旋转90度（如图3.6所示），这样就符合了道路检测的要求。
图3.6 赛道图像以及旋转90度后的赛道图像
为了采集图像信息，CPU需要根据行、场同步信号启动AD转换器，采集稳定的图像。由于视频信号的变化很快，所以需要另外设计同步分离电路。在本方案中，使用了LM1881视频同步分离集成块，获取视频同步信号，将此同步信号连到单片机的中断输入端口。同步分离信号电路如图3.7所示：
图3.7同步分离信号电路图
