南京工程学院车辆工程系本科毕业设计(论文)
第三章 控制系统硬件电路设计
第二章简绍了智能车系统主要的几个模块:控制核心(MCU)模块、电源管理模块、路径识别模块、后轮电机驱动模块、转向舵机控制模块、速度检测模块。下面就具体介绍智能车各个模块的硬件设计方案，并对各个方案的优缺点进行论证。
3.1 电源模块设计
电源作为小车动力来源，为小车上的控制器，执行器，传感器提供可靠的工作电压。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。智能小车电源设计示意图如图3.1所示。
由于镍镉电池具有价格便宜、技术成熟、电路简单、瞬间大电流供应能力强等优势，在本设计中提供的电源为7.2V、2A/h的可充电镍镉蓄电池。由于电路中的不同模块需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池转换成各个模块所需要的电压。本次设计中所需要的电压为以下三种：
1）5V电压。主要为单片机、红外传感器、霍尔传感器等提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。
2）6V电压。主要为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机的工作电压范围4.8V～6V,电压无需十分稳定,选择6V电压为舵机供电有利于提高智能小车的性能;所需的工作电流一般在几十毫安左右。
3）7.2V电压。这部分直接取自电源两端电压，主要为后轮直流电机提供电源。
由此可见，除了电机驱动模块的电源可以直接取自电池之外，其余各模块的工作电压则需要从电池电压通过稳压芯片变换稳压获取。选择稳压芯片时除了考虑输出电压和电流容量参数外，还需要对稳压芯片的工作最小压差留有一定余量，这是由于电池两端的电压在模型车运行过程中会逐步降低。特别是在模型车的启动过程中，电池提供大的启动电流时，电池两端电压会降低很多，所以需要选择一些工作压差小的稳压芯片。
降压稳压电路可以采用串联稳压和开关稳压两种芯片。开关稳压芯片的工作
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效率高，但有较高的电源噪声，适用于耗电量比较大的电路。另外稳压电路的设计要求简单可靠，在满足电压波动范围下应尽量简化电源电路。
在电源的设计中还要考虑消除电源中的噪声并减少电压波动，需要在各级电源模块中安装滤波电容，包括容量小的高频滤波电容以及大容量的电解电容。由于电机存在驱动，为了避免电机在启动过程和制动过程中产生的冲击电流对于电源的影响，应尽量加大电池两端的电容容量。
7.2V 2000mAh 的Ni-CD蓄电池 5V电压 6V电压 主板 红外 传感器 速度 传感器 舵机 直流电机 图3.1智能小车电源设计示意图
3.1.1 5V电压模块设计
方案一:采用常用的7805三端稳压电路。 方案二:采用LM2576构成的开关电源。 采用7805构成的三端稳压电路存在着以下缺点:
1）内部功率损耗大，全部压降均转换成热量损失了，不仅造成了电源效率低，而且散发的大量热量也容易烧坏电子元器件以及电路版。
2）由于核心的元件7805的工作速度不太高，所以对于输入电压或者负载电流的急剧变化的响应慢。
智能汽车控制系统采用的是蓄电池供电，蓄电池的充放电次数是有限的，电能的利用效率愈显得非常重要，所以为了尽可能的延长蓄电池的使用时间，提高蓄电池的可利用率，在设计中采用了第二种设计方案，LM2576电路应用比较简单且外围元件较少，内置频率补偿电路和固定频率振荡器。LM2576系列产品的开关频率为52KHz，所以应用时可以使用小尺寸的滤波元件。LM2576可以高效的取代一般的三端线性稳压器，它能够充分的减小散热片的面积，在一些应用条件下甚至可以不使用散热片。在规定的输入电压和输出负载的条件下，LM2576
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输出电压的误差范围为±4%；振荡器的振荡频率误差范围为±10%；典型的待机电流为50mA，芯片内置过流保护电路和过热保护电路。
实践证明了该稳压电路的合理性，该电路不仅能够获得理想的5V电压而且芯片散热量也不大。开关电源的电路如图3.2所示。
图3.2 输出5V的开关电源电路图
LM2576系列的稳压器是单片集成电路，通常是单列直插5脚封装，固定输出电压有3.3V、5V、12V、15V，还有可调整输出的型号。其功耗非常低，一般不需要、或只要很小尺寸的散热片。该电路本身带有热关断及电流限制保护，可以很方便地组成具有各种正负电压值、输出3A的开关电源。
LM2576引脚功能如下：
“1”脚为降压开关稳压器的正向电源输入，接输入旁路电容C1(100μf)。 “2”脚为输出端，这是内部开关的发射极，其饱和电压Vsat是1.5V，与此脚相连的PCB区域要尽可能地小，以使其对感应电路的耦合最小。
“3” 脚为接地端，“4”脚为反馈，信号被内部电阻R1、R2分压，并送至内部误差放大器同相输入端。可调节型号的LM2576开关稳压器中这一管脚是误差放大器的直接输入，且电阻网络R2、R1从外部连接，以允许对输出进行调节。
“5” 脚为通／断控制端，允许用逻辑信号来控制开关稳压器。图中该引脚接地，表示接通。
如图所示，整个系统只需4个外接器件,且缺一不可，而且对元件参数有严格要求。
C1：100μF，50V铝电解电容；CJ4：220μF，16V铝电解电容；DP：3.0A，40V肖特基二极管；L：100μH电感。 3.1.2 6V电压模块的设计
智能汽车控制系统中，除了5V的供电电压外，还要向舵机提供6V的工作电
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压，电源模块还需要一个产生6V直流电压的电路。在市场上很难买到直接能输出6V电压的稳压芯片，只能用可调集成稳压器，在设计中选用了LM317可调稳压器。
LM317是美国国家半导体公司的三端可调整稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选择，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。LM317的使用特性非常简单，仅需要两个外接电阻来设置输出电压。其特性如下：
1）可调整输出电压1.2V-37V； 2）最大输出电流1.5A； 3）典型线形调整率0.010k； 4）典型负载调整率0.1%； 5）80dB纹波抑制比； 6）输出短路保护； 7）过流、过热保护； 8）调整管安全工作区保护；
LM317构成的调压电路如图3.3所示，其中1，2脚之间为1.25V电压基准。为保证电压的输出性能，R1应小于240欧姆。在时间电路中选用120欧姆，改变R2阻值即可调整稳压电压值。Dl，D2用于保护LM317。
图3.3 舵机供电电压调节电路
3.2 路径探测模块设计
路径识别模块是智能车控制系统的关键模块之一，它将路况的信息传输给主
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控制模块，路径识别方案的好坏，直接影响着小车的控制效果。在智能车控制系统中，小车有多种寻迹方案。包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结合在一起的寻迹方案。下面依次具体介绍几种寻迹方案。
摄像头寻迹，就是通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系统，来进行路径识别的一种寻迹方法。摄像头有面阵和线阵两种。它的优点是可以更远更早地感知赛道的变化，但是硬件电路比较复杂，信息处理量大，如何对摄像头记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之一。
光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极管组成，一个发光二极管和一个接收二极管构成一对，这也相等于摄像头的一个像素。由于跑道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快。
基于两种方案的优缺点，以及智能汽车控制核心MC9S12DG128的处理速度和内部资源，本文采用了光电传感器的设计方案。
本设计通过在地面铺设标志线，依靠标志线与地面的颜色对比来检测标志线。不同的颜色对光线有不同的反射率，用光电三极管接收反射回来的光线，根据反射强度的不同来判断是地面还是标志线。检测原理如图3.4.1所示。以白色地面黑色标志线为例，在相同的光照条件下，标志线反射光的强度小于地面反射光的强度，通过光电三极管将反射的光信号转换为电信号，经放大、模数转换送到微处理器，最后通过分析处理得到结果。
反射光强度的输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离X 的函数，设反射面物质为同种物质时，X 与 Vout 的响应曲线是非线性的，如图3.4.2所示。设定输出电压达到某一阙值时作为目标，不同的目标距离阙值电压是不同的。
图3.4.1 红外传感器检测原理图
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