CN201594185U

CN201594185U - 基于自主寻迹智能车控制电路

Info

Publication number: CN201594185U
Application number: CN201020010245XU
Authority: CN
Inventors: 张明慧; 陆振林
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2020-01-14

Abstract

一种基于自主寻迹智能车控制电路，属于智能控制技术领域，该控制电路包括单片机、视频信号分离芯片、CCD传感器、频压转换芯片、测速装置、电机驱动芯片、电机、电平转化芯片、蓝牙模块、舵机、背景调试模块和PC机，其中测速装置包括光栅码盘和U型对射式红外管。本实用新型的优点：该控制电路集成了外围模块电路，形成了功能完备，体积小的控制系统，同时，充分利用了单片机的各功能模块，提高了单片机的利用率，进而提高智能车的响应速度。同时，通过对各模块芯片电路板的合理布线，使智能车功耗低，同时，抗干扰强，运行稳定。

Description

基于自主寻迹智能车控制电路

技术领域

本实用新型属于智能控制技术领域，特别涉及一种基于自主寻迹智能车控制电路。

背景技术

目前由于智能车电路板的制作过程，很多人都选择了使用市场上的成品，即带有MC9S12DG128的通用的开发，再根据系统需求，将各个模块开发后，通过插槽的链接到已有的通用开发板上，这样就造成了，在智能车运行时，由于震动等物理因素，造成数据线连接不好，导致系统运行性能不稳定。而且由于通用开发板带有其他模块，功耗大，致使智能车电池消耗较快；同时，由于通用开发板没有对信号干扰，电池干扰进行有效的屏蔽措施，在静电较强的环境中，会造成经常复位以及性能上的不稳定，另外人工自制电路板，还有很多问题。1)芯片选择问题，尤其是电源芯片选择由为重要，提供一个低功耗，稳定输出的电源对整个系统的稳定非常重要。以前设计人员只追求功能上实现，造成了电路中电流过大，时常会出现烧坏芯片的情况。即使不少坏，也会出现较强的电磁干扰，影响稳定性。2)对于测速模块的选择，以往的人员为了便捷，不计成本，选择了已有的产品测速电机，然而没有考虑到模型车行驶过程中对速度的精度并不是要求特别精确的实际情况。测速电机的使用带来了两个弊端：A，它本身重量过重，一方面是智能车运行时需要更大的功耗，另一方面，也影响了智能车本身重心等物理性能。B，一般的测速电机比较昂贵。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于自主寻迹智能车控制电路，通过电路各个模块集成在一起，以达到降低了电路复杂性，提高单片机利用率的目的。

该控制电路包括单片机、视频信号分离芯片、CCD传感器、频压转换芯片、测速装置、电机驱动芯片、电机、电平转化芯片、蓝牙模块、舵机、背景调试模块和PC机，其中测速装置包括光栅码盘和U型对射式红外管。

该控制电路连接：CCD传感器输出端连接视频信号分离芯片的输入端，视频信号分离芯片的输出端连接单片机的中断请求端口；电平转化芯片包括两组输入输出接口，其中一组输入端连接单片机的数据发送接口，相应的一组输出端连接单片机的数据接收接口，电平转化芯片的另一组输入端和输出端连接一个串口的接头，通过串口接头，与蓝牙模块连接，用于向电脑传送智能车图像信息和接受电脑的指令；电机的驱动芯片的输入端连接单片机PWM端口，输出端得到与单片机PWM输出端口相应的并可以驱动直流电机的PWM信号；频压转换芯片的IRspeed接口连接单片机的AD转换接口，输入端口连接U型对射式红外管采集到的脉冲信号，U型对射式红外管与光栅码盘连接；背景调试模块的BKDG引脚连接单片机的复用引脚，背景调试模块通过接口连接PC机，舵机连接单片机PWM端口。

本实用新型的控制过程：本方案单片机为控制核心，由安装在模型车前部的CCD摄像头传感器负责采集路径信息，并将采集到的电平信号传入核心控制单元，通过AD转换模块，核心控制单元对信号进行判别处理。根据采集到的具体的路径信息，通过PWM输出2路PWM波，分别对转向舵机、直流电机进行控制，舵机直接接收PWM信号，完成智能车转向控制，电机控制的实现是通过MC33886芯片完成的，PWM信号输入到电机驱动芯片，再经电机驱动芯片产生出控制电机的信号，实现智能车的加减速控制，智能车的后轮转轴上还安装有光电传感器，用于采集车轮转速反馈的脉冲信号，将频率信号输入到频压转换芯片中，转化成相应的电压值，经AD模块，反馈到核心控制单元，并经由核心单元对实际运行速度与理想速度值进行比较后，调节输入到电机驱动模块的PWM波占空比，从而控制小车速度。

本实用新型的优点：该控制电路集成了外围模块电路，形成了功能完备，体积小的控制系统，同时，充分利用了单片机的各功能模块，提高了单片机的利用率，进而提高智能车的响应速度。同时，通过对各模块芯片电路板的合理布线，使智能车功耗低，同时，抗干扰强，运行稳定。

附图说明

图1本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路方框图；

图2本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中单片机电原理图；

图3本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中视频信号分离芯片电原理图；

图4本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中频压转换芯片电原理图；

图5本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中电机驱动芯片电原理图；

图6本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中电平转化芯片电原理图；

图7本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中背景调试模块电原理图；

图8本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中12V供电模块电原理图；

图9本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中5V供电模块电原理图；

图10本实用新型基于自主寻迹智能车控制电路中6V供电模块电原理图；

具体实施方式

本实用新型一种基于自主寻迹智能车控制电路详细结构结合实施例及附图加以详细说明。

如图1所示，在本实施方式中单片机选取MC9S12DG128、视频信号分离芯片选取LM1881、频压转换芯片选取LM2907、电机驱动芯片选取MC33886、电平转化芯片选取MAX232、蓝牙模块选取DC219159BL、背景调试模块选取BDM模块。

单片机MC9S12DG128如图2所示，其中引脚名称和作用如表1所示：

表1

视频信号分离芯片LM1881用于分离CCD摄像头采集的视频信号，提取场中断信号，行中断信号，提取出有效的视频信号输入单片机进行AD转换，其引脚和功能为：1脚为复合同步输出(COMPOSITE SYNC OUTPUT)端口，将该端口的信号作为行同步的标志，当该端口有信号输出时，表示采集到一行数据，将它连接到单片机的IRQ端口，在IRQ中断中对采集到的视频信号进行处理；2脚为视频信号的输入端，该端口接收CCD传感器采集到的视频信号；3脚为垂直同步输出(VERTICAL SYNC OUTPUT)引脚，该引脚的信号作为场同步信号，当该引脚有信号输出时，表示采集到一新场；7脚为奇、偶场输出端口，输出经LM1881处理后的视频信号；4脚接地；8脚接电源，图3为LM1881芯片的视频信号分离电路。将视频信号通过一个电容接至LM1881的2脚，即可得到控制单片机进行A/D采集的控制信号：一行同步信号CSO与奇偶场同步信号ODDEVEN。本系统将CSO作为行同步信号，与IRQ引脚相连接，当LM1881分离出行同步信号时，触发IRQ中断。将7脚奇偶场同步信号O/E与PH0口连接，作为场中断的触发信号。4脚接地；8脚接电源。

对于速度的采集这可以通过车速检测装置实现。在车轮没有打滑的情况下，车速与驱动电机的转速成正比关系，为了满足安装简便，价格低廉，测速准确等要求，该测速装置包括光栅码盘和U型对射式红外管，其中光栅码盘具有13个凹槽，直径与轮子内径相同即4cm；测速装置的工作原理为：光栅码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅码盘与电动机同时旋转，当光栅码盘凹槽时通过U型对射式红外管，红外对射管接收端导通，输出高电压，当光栅码盘叶片经过U型对射式红外管时，红外对射管接收端导断开，输出低电压。随着车轮带动光栅码盘旋转，U型对射式红外管检测输出若干通断的脉冲信号，将信号连接到频压转换芯片LM2907，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数，通过与参考电压比较，得到相应速度的电压值，频压转换芯片LM2907如图4所示，频压转换芯片LM2907将测速模块得到频率转化为电压信号输入单片机进行AD转换，能将频率信号转换为直流电压信号，具体引脚的名称及用途如表2所示：

表2

1脚为输入引脚，输入由U型对射式红外管采集到的脉冲信号；2脚外接一个定时电容，3脚和4脚构成R1/C2网络，由公式V_O＝F_IN×V_CC×R1×C1可知，输出电压受所接的电源电压、输入频率、定时电容以及R1控制。在V_CC、R1、C1确定的情况下，输出电压与输入频率成正比。5脚和10脚并接在一起作为电压输出端，6脚和7脚保留，8脚和9脚接电源电压。值得注意的是11脚参考电压引脚必须接一个分压网络，提高该引脚的电压值，否则得不到相应的电压输出。12脚为接地引脚，13和14脚保留不用。

电机驱动芯片MC33886通过接受DG128芯片输出的PWM信号，输出对电机控制的信号，其中电源地和模拟地需要接在一起，并连在一个低电平上，V+为该芯片提供电源，该引脚存在一个欠压门限。如果所供电电压下降至低于欠压门限时，输出电压切换成三态，并且状态报告置位，该故障状态终端电压切换为逻辑低。D1、D2是MC33886的使能端，IN1、IN2为输入端，当D1引脚为逻辑高或者D2引脚为逻辑低时，OUT1、OUT2为三态禁用，当D1为低且D2为高时，将MC33886的输入端接到单片机MC9S12DG128的PWM端口，在其输出端可以得到与单片机PWM输出端口相应的并可以驱动直流电机的PWM信号，通过MC33886的两个输出端口，就能实现电机的转速控制、方向控制及制动等。用MC33886电机驱动H桥芯片作为电机的驱动芯片，通过S12输出的PWM信号来控制电机，如图5所示。VPWR为电源电压7.2V，当D1接低电平，D2接高电平时，电机驱动芯片MC33886开始作用。IN1和IN2是该芯片的两个输入引脚，OUT1和OUT2是芯片的输出引脚(各有两个，可同时控制2个电机的运转，因模型车只有一个电机，所以可以将它的两个OUT1和两个OUT2并在一起，增大芯片的带负载能力)，它们随着输入PWM信号的占空比的不同，输出的电压不同，从某种意义上说，MC33886就是一款将占空比转换为电压的芯片。在本系统中，引入了可接跳线的插孔，可以方便地对MC33886的各个引脚进行控制。因为当MC33886正常工作时，需要将使能端D1和D2分别接地和高电平。所以，除了用单片机的输出引脚对D1和D2进行控制外，可以使用跳线将D1和D2直接与地和电源相连。而且，从图中还可以看到，当用跳线将J4相连后，输出端OUT2的经过发光二极管后可以触发二极管的亮灭，方便对当前芯片输出情况的监控。

智能车实时动态监测系统最核心的功能是将运动状态下的智能车运动状态下的信息传输到上位机平台上，而如何实现传输成为关键部分，在不增加控制系统复杂程度而且可以满足本系统需求的情况下，采用MC9S12DG128芯片的SCI端口作为单片机与RS-232进行通讯，电平转化芯片MAX232将SCI端口的TTL电平转换为RS-232电平，进行串口通讯，其设有两个串口SCI0和SCI1，从外部引脚来看，负责串行通讯的是PS0/RxD0，PS1/TxD0，PS2/RxD1，PS3/TxD1四个引脚，当允许SCI时，这些引脚作为串行通信引脚；每个串口模块包含2个引脚，分别称为串行发送引脚TxD和串行接收引脚RxD，本系统使用SCI0端口进行开发。在MCU中，若使用RS-232总线进行串行通信，则需要外接电路实现电平转换，在发送端需要用驱动电路将TTL电平转换为RS-232电平，在接收端需要用接收电路将RS-232电平转化为TTL电平，本系统使用了MAX232芯片，该芯片使用了单+5V电源供电实现电平转换，MAX232有16个引脚，表3、表4分别对为MAX232的通用使能引脚和两组用于串口通讯的引脚做了说明，本实施例使用13(发送)和14(接收)引脚，连接一个串口的接头，通过串口接头，与蓝牙模块连接。用于向电脑传送智能车图像信息和接受电脑的指令，使用11(发送)和12(接收)引脚，与单片机连接，向对单片机传送数据以及从单片几种接收数据。

表3

输入输出引脚分两组，基本含义如表4所列。在实际使用时，只需要一路SCI，可以使用其中的任何一组。

表4

图6为本系统使用的MC9S12DG128芯片的SCI端口与RS-232芯片实现串口通迅的硬件原理图。

背景调试模块BDM模块如图7所适，用于向MC9SDG128中下载程序和对程序进行调试，单片机MC9S12DG128的23号引脚为可复用引脚，分别有几种工作模式进行设置，即为MODC/nTAGHI/BKGD，在本应用中，我们选择的是BKDG模式与BDM模块的BKDG引脚相连。

本实施例选取的电源管理模块

智能车系统采用配发的标准的车模用的7.2V、2000mAh的Ni-cd蓄电池进行电，但各个模块所需要的工作电压不同，因此需要进行电压调节。为了使智能车动态监测系统的各硬件模块能正常有效的工作，必须为各硬件的模块提供持续稳定的工作电压。由于电机和舵机的突然启停会使电池电压骤变，一般会把电源电压拉低1V多，会对系统电源造成干扰，甚至可能造成采集和处理数据过程中出现异常的情况。所以系统的电源必须有一定的抗干扰能力。基于以上要求，本系统采用了开关稳压芯片为个模块提供稳定的工作电压。

由于智能车系统由各个模块组成，每个模块的工作电压各不相同，各模块的工作电压如表5所示。

表5

12V电压供电模块

本系统采用的CCD摄像头作为路径信息采集传感器，此CCD摄像头的工作电压为12V，需要将智能车电池电压升压至12V。本系统采用的MAX公司的MAX734电源管理芯片。

MAX734是一款固定12V，120mA闪存存储器电源芯片。在8脚的SO或DIP封装中，只需要使用一个二极管，一个18uH的电感和两个33uF的电容。该芯片的转换效率较高，达85％以上。

如图8所示，通过电感L2和电容C7、C8网络的7.2V的电源电压，在经过电源管理芯片MAX734后，输出+12V的稳定电压。1引脚SHDH为闭锁引脚，低电平有效。SS为软启动引脚，在SS和地之间的电容提供了软启动和短路保护的功能。CC为电容补偿输入，构成补偿反馈环。VOUT为输出引脚，固定的+12V电压输出，V+为电压输入引脚，将通过滤波后的电源电压引入该引脚。

5V电压供电模块

由于本系统是针对智能车大赛的需求进行开发的，所以微处理芯片使用的智能车大赛指制定的freescale公司的MC9S12DG128芯片，该芯片的工作电压为5V。测速模块中的U型红外对射管，视频信号分离芯片LM1881工作电压也均为5V，因此，需要将电池电压降压至5V，以便为芯片提供持续稳定的工作电压。

经过选择，本系统采用TPS7350电源管理芯片。TPS7350，是一款低压稳压芯片，能提供，6-10V电压输入，5V的固定电压输出。它具有较低的待机电压输出，在输出电流为100mA时，其输出电压仅为35mV，而且它具有极低的待机电流，最大不超过0.5uA。TPS7350具有更低的工作压降和更小的静态工作电流，可以使电池获得相对更长的使用时间。

本系统使用的TPS7350有8个引脚，各个引脚及引脚的功能为：1引脚为接地端；2引脚为使能端，此引脚低电平有效；3，4引脚为电压输入端，其输入电压范围为6-10V；5，6引脚为电源输出端，输出5V固定电压；7引脚一般情况下与输出引脚短接；8引脚为复位引脚。

如图9为系统实现的降压电路。L101和电解电容C101构成了滤波网络，先将7.2V的电压滤波后，再将其输入到电源管理芯片TPS7350中。但是，电解电容有电感效应，电解电容的容量越大，其电感效应就越明显，对电源滤波的影响也越大。所以还要在电解电容的旁边并一只非极性电容C102。输出经肖特基二极管稳压，输出稳定的5V电压，为了调试方便，引入了发光二极管D101。当TPS7350正常输出5V稳压时，发光二极管能正常发光。

6V电压供电模块

本系统采用金瓯科技开发的蓝牙模块，该蓝牙模块的工作电压为6-9V。本系统采用TPS7350芯片，将电池电压稳定的降压至5V，在通过连接两个二极管，将接地端的电压抬高约1.2V，得到6.4V的稳定电压，提供给蓝牙模块，具体实现的电路图如图10所示。

Claims

1.一种基于自主寻迹智能车控制电路，其特征在于：该控制电路包括单片机、视频信号分离芯片、CCD传感器、频压转换芯片、测速装置、电机驱动芯片、电机、电平转化芯片、蓝牙模块、舵机、背景调试模块和PC机，其中测速装置包括光栅码盘和U型对射式红外管；该控制电路连接：CCD传感器输出端连接视频信号分离芯片的输入端，视频信号分离芯片的输出端连接单片机的中断请求端口；电平转化芯片包括两组输入输出接口，其中一组输入端连接单片机的数据发送接口，相应的一组输出端连接单片机的数据接收接口，电平转化芯片的另一组输入端和输出端连接一个串口的接头，通过串口接头，与蓝牙模块连接；电机的驱动芯片的输入端连接单片机PWM端口，输出端得到与单片机PWM输出端口相应的并可以驱动直流电机的PWM信号；频压转换芯片的IRspeed接口连接单片机的AD转换接口，输入端口连接U型对射式红外管采集到的脉冲信号，U型对射式红外管与光栅码盘连接；背景调试模块的BKDG引脚连接单片机的复用引脚，背景调试模块通过接口连接PC机，舵机连接单片机PWM端口。