1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 机械加工车间变电所电气设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 基于激光传感器巡线智能车设计 摘要 本课题是 以 飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机为核心 的智能车系统 ， 包括传感器信息的信息采集及处理、电机的驱动、控制算法、控制策略等方面。采用激光传感器采集道路信息并将信息反馈给控制系统，通过软件进行相关分析及处理，通过速度反馈、 PID 算法来控制智能车速度和舵机的转向， 使改装后的智能小车 具有 自动识别赛道 的功能 ，按照规定 的 路线行进 。 本课题 是 以
2、 控制算法与硬件驱动的研究， 是 实现智能车按照一定的规则 来 自动检测路面信息， 使得智能车的 速度 和 稳定性 得到 最佳结合， 其中 包括硬件 、 软件的设计 等 。软件包括赛道黑线位置 的 精确提取，舵机 的控制模块 、电机 的 控制模块 及 路面 的 抗干扰模块 等 ；硬件电路包括电源 的 管理、激光传感器、转向舵机及电机的驱动、车速 的 检测等。 关键词： MC9S12XS128；智能车；激光传感器 ； PID 算法 毕业论文 - Abstract This topic is to fly think of Carle MC9S12XS128microcontroller as t
3、he core of the intelligent car system, comprising a sensor information acquisition and processing, motor drive, control algorithm, control strategy and so on. Using the laser sensor acquisition road information and information feedback to the control system, through the software related analysis and
4、 processing, through the speed feedback, the PID algorithm to control intelligent vehicle speed and steering, the modified smart car with automatic recognition circuit functions, in accordance with the provisions of the line of the road. This topic is based on the hard drive and control algorithm, i
5、s the realization of intelligent vehicle according to certain rules to automatically detect the road information, the intelligent car speed and stability of the best combination, including hardware, software design. The software includes the track line position accurately, steering control module, m
6、otor control module and pavement anti-interference module; hardware circuit including power management, laser sensor, steering servo motor drive, speed detection. Keywords: MC9S12XS128; intelligent vehicle; laser sensor, PID algorithm 毕业论文 - 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 4 1.1 系统框架设计总方案 . 4 1.1.1 系统硬件框架 . 4
7、1.2 系统组成模块方案 . 4 1.2.1 电源模块 . 4 1.2.2 主控器模块 . 5 1.2.3 路径识别 模块 . 5 1.2.4 车速检测模块 . 5 1.2.5 舵机控制模块 . 6 1.2.6 直流驱动电机控制模块 . 7 1.3 系统软件框架 . 7 第 2 章 系统主要硬件电路设计 . 9 2.1 电源模块硬件设计 . 9 2.2 主控器模块硬件设计 . 10 2.2.1 电源模块设计 . 11 2.2.2 总线与 LIN 总线设计 . 11 2.2.3 通信接口设计 . 12 2.2.4 直流电机驱动电路 . 13 2.2.5 矩阵键盘按键识别 . 14 2.2.6 系
8、统软件设计 . 14 2.3 路径识别模块硬件设计 . 14 2.3.1 电路设计 . 14 2.3.2 排布方式 . 15 2.3.3 架设方式 . 15 2.3.4 抗干扰技术 . 16 2.3.5 多发射管技术 . 16 毕业论文 - 2.4 车速检测模块 . 17 2.5 舵机控制模块 . 18 2.5.1 控制方式 . 18 2.5.2 舵机架设方式 . 19 2.6 直流驱动电机控制模块设计 . 20 2.6.1 “H”桥的基本原理 . 20 2.6.2 电机驱动方案 . 20 第 3 章 系统控制软件设计 . 24 3.1 信号采集 . 24 3.2 激光传感器路径识别算法 .
9、24 3.3 PID 控制算法介绍 . 25 第 4 章 开发工具、制作调试过程 . 29 4.1 Codewarrior IDE 的使用 . 29 4.1.1 创建一个工程文件 . 29 4.1.2 BDM 调试 . 31 4.2 系统制作与调试 . 32 4.2.1 PCB 线路板制作与元器件焊接 . 32 4.2.2 硬件调试 . 32 4.2.3 软件调试 . 34 4.3 元器件焊接 . 34 4.4 电路的调试 . 35 4.5 PCB 板制作 . 35 4.6 软件系统编写调试 . 35 结 论 . 37 致 谢 . 38 参考文献 . 39 附录 A 智能小车实物图 . 40
10、附录 B 系统软件程序 . 42 毕业论文 - 前言 全国大学生 “ 飞思卡尔 ” 杯智能汽车竞赛起源于韩国，是 在 韩国汉阳大学 的 汽车控制实验室 实现的，是在 飞思卡尔半导体公司 支持 下举办的以 HCSl2 单片机为核心的大学生课外科技竞赛。组委会 为比赛 提供一个标准的汽车模型、直流电机 及 可充电式 的 电池， 其 参赛队伍 的任务是 要制作一个 具有 能够 自主 识别路径 功能 的智能 车， 小车能 在专门设计的跑道上自动识别道路 的 行驶， 可以 最快 的 跑完全程而没有冲出跑道 ， 并且 经 技术报告评分较高 者作为 获胜者 。 比赛的 设计内容 包括小车的 控制、模式 的
11、识别、传感 器 技术、电气、机械、计算机等多个 领域的 学科知识，对学生的 理论 知识融合 与 动手 操作 能力的培养， 提供了 良好的 平台 。 该 比 赛是以智能车为研究对象的创意性科技竞赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践 的 活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。该竞赛 的指导思想 以 “ 立足培养，重在参与，鼓励探索，追求卓越 ” ，旨在促进高等学校素质教育， 提高 大学生综合知识运用能 力、基本工程实践能力 及 创新意识 能力 ， 开发 大学生从事科学 的 研究 跟探索的潜能，倡导理论 ， 联系实际 ，以 求真 求 实的学风 与 团队 和 作的人文精神， 为 优秀人才的
12、创造平台提供 条件。 比赛精彩图片 全国大学生 “ 飞思卡尔 ” 杯智能车竞赛 是 由竞赛秘书处设计、规范标准 的 硬软件技术平台，竞赛过程包括理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，要求学生组成团队，协同工作，初步体会一个工程性的研究开发项目从设计到实现的全过程。该竞赛融科学性、趣味性和观赏性为一体，是以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，涵盖自动控制、模式识别、传 感技术、电子、电气、计算机、机械与汽车等多学科专业的创意性比赛。该竞赛规则透明，评价标准客观，坚持公开、公平、公正的原则，力求向健康、普及、持续的方向发展。 该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡
13、尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国 30个省市自治区近 300 所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。 2008 年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一。 毕业论文 - 全国大学生智能汽车竞赛原则上由全国有自动化专业的高等学校（包括港、澳地区的高 校）参赛。竞赛首先在各个分赛区进行报名、预赛，各分赛区的优胜队将参加全国总决赛。每届比赛根据参赛队伍和队员情况，分别设立光电组、摄像头组、电磁组、创意组等多个赛题组别。每个学校可以根据竞赛规则选报不同组别的参赛队伍。全国大学生智能汽车竞赛组织运行模式贯彻 “ 政府倡导、专家主办、学生主体、社会参与 ”
14、的16 字方针，充分调动各方面参与的积极性。 全国大学生智能汽车竞赛一般在每年的 10月份公布次年竞赛的题目和组织方式，并开始接受报名，次年的 3 月份进行相关技术培训， 7 月份进行分赛区竞赛， 8 月份进行全国总决赛。 全国大学生 “飞思卡尔 ”杯智能汽车竞赛是在 规定模型车的基础 上，使用飞思卡尔半导体公司的 以 8 位、 16 位微控制器为核心 的 控制模块，通过道路传感器 的增加 、电路 的 电机驱动 和相应软件 的编写 ， 创造 一个 具有 能够自主识别道路 功能 的 智能车 车，按照 设 定路线 去 行进，完成时间最短者 作 为优胜 者 。 比赛规则 :全国大学生 “飞思卡尔 ”
15、杯智能车竞赛参赛选手 ，应 使用竞赛秘书处统一指定并负责采购 智能车模型 ，采用 以 16 位微控制器 MC9S12XS128 为核心 控制单元 ，自主 的去 构思控制方案 和 系统 的相关 设计， 内容 包括传感器信号 的 采集处理、控制算法 和 PID 算法执行 、动力 直流 电机 的 驱动、转向舵机 的 控制等，完成智能车工程制作及 相关的 调试， 在 指定日期与地点参加各分赛区的场地比赛，在获得决赛资格后，参加全国决赛区场地 的 比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。竞赛秘书处制定如下比赛规则适用于各分赛区预赛以及最终决赛
16、。在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。秘书处将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。 毕业论文 - 在分赛区、决赛区进行现场比赛规则相同，都分为初赛与决赛两个阶段。 在计算比赛成 绩时，分赛区只是通过比赛单圈最短时间进行评比。决赛区比赛时，还需结合技术报告分数综合评定。 比赛禁止事项 ： 不允许在赛道周围安装辅助照明设备及其它辅助传感器等； 选手进入赛场后，除了可以更换电池之外，不允许进行任何硬件和软件的修改； 比赛场地内，除了裁判与 1 名队员之外，不允许任何其他人员进入场地； 不允许其它影响赛车运动的行毕业论文 - 第 1章 绪论 1.1 系统框架设计总方案 1.1.1 系统硬件框架
17、智能车以车模为载体，分几大模块，包括核心控制器模块、电源模块、道路信息检测模块、后轮直流电机驱动模块、舵机驱动模块、速度检测模块和串口无线通 信等功能模块，设计采用大赛指定的以飞思卡尔 16 位的 MC9S12XS128 单片机为核心控制，利用激光口发射接收作为路径的识别传感器，经 MC9S12XS128MCU 的 I/O 端口的处理，按照规定的运行轨迹，对智能车的驱动直流电机、舵机进行速度控制和转向控制，去精确控制智能车的速度，将光电编码器安装在智能车后轴，将采集到的车轮转速脉冲的信号，经 MCU 接收到的信号进行PID 自动控制，进而去实现智能车的闭环控制功能。系统硬件设计结构框图 1.1
18、： 图 1.1系统硬件设计结构 1.2 系统组成模块方案 1.2.1 电源 模块 本系统 以 7.2V/2000mAh 的 Ni-cd 蓄电池组 为电源 。 以 MC9S12DG128 系统的核心作用，采用单独的稳压 电路 进行供电 。 为提高舵机响应速度，将电源正极串接一个二极管后直接加在舵机 。 通过外围电路整定，电源被分配给各个模块。 毕业论文 - 可选择的方案有： 方案一：采用集成多路输出电源模块。集成多路输出电源模块具有制作简单，使用方便等特点，但临时短时间内要购买比较困难，而且价格较贵，电源组合方式固定不易选择。 方案二：采用单独三端稳压集成块具有组 合方便、价格便宜等特点，因此这
19、次电源采用几块低压差三端稳压块和开关稳压块构成电源系统。 1.2.2 主控器模块 方案一： MC9S12DG128 单片机有 QFP-80 和 LQFP-112 两种封装，考虑到系统可能会比较复杂，因此决定选用资源相对较复杂的 LQFP-112 封装的单片机作为主控制器。 方案二： MC9S12DG128 单片机系统包括时钟电路、锁相环滤波电路、 A/D 转换器滤波电路、调试用的 LED/电源以及各 I/O 接口和 BDM 调试器接口等。 方案三： MC9S12DG128单片机有 A、 B、 E、 H、 K、 J、 M、 P、 S、 T等数字 I/O口。用 PTS口跟 A/D口采集赛道检测传感
20、器送出的数字信号和模拟电压信号， PPT端口完成对速度检测传感器信号的计数功能， PTH口作为开关量的输入端口， PTP端口完成对主电机转速、方向的控制和舵机的驱动， PTM口作为数据口。 1.2.3 路径识别模块 是智能车系统中最关键模块。因为在智能车系统中路径识别就好像是一个人的眼睛，看不到或者看不清就意味着走不好路，甚至摔跤。 方案一：采用激光传感器作为路径识别的检测模块。 方案二：通过 激光发射接收模块 作为路径的基本检测元件 。 方案三： 本系统选用 14 个发射管， 7 个接收管作为识别 路径元器件 。因为路径轨迹由黑线指示，落在黑线区域内接收到反射光线强度与白色的不同 2，所以根据检测到黑线的光电管的位置可以判断行车方向。 方案四： 光电 传感器 寻迹的优点是电路简单、信号处理速度快。在不受外部因素影响的前提下，光电管能够感知的前方距离越远，行驶效率越高，即智能车的预瞄性能越强 1.2.4 车速检测模块 方案一：速度检测传感器有红外传感器、霍尔元件或者光电编码器。因为考虑到红外传感器与霍尔原件的方法不稳定，因此选择了光电编码器来检测。 方案二：当主电机转动时，光电编码器会产生脉冲信号，通过脉冲信号的频率或周 期，就可以得到一个与小车速度成正比的数值，通过量纲换算，就可以得到小车的速度。
