基于光电传感器的智能小车控制系统设计与实现 - 图文(3)

为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

因为直流电机带动小车在行驶过程中，路面信息不可确定，首先要保证小车在行驶过程中的运行平稳性，所以为了提高动态性能和稳态性能，采用PID控制方式，理论上PID控制方式可以很好的满足设计性能要求。在实际的调试中只需要选择合适的参数，可以使控制性能达到最佳。

2.3 本章小结

本章主要讨论的是设计思路论证和方案的选择。首先讨论硬件设计思路，在满足系统性能要求的前提下对备选方案进行论证。接着进行了单片机外围电路与各个功能部分模块的实际分析，对主要硬件及核心芯片进行了选型。随后进行主要控制算法的论证，了解被控对象的控制要求，匹配单片机的内部电路功能及引脚功能，进行控制算法的选择。针对速度控制系统与超声波测距模块的特点，分析单片机的片内资源，选择合适的控制算法进程序的设计。 通过论证和分析，基本保证了软硬件的可行性，并设计了大体框架。

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第3章 系统硬件电路设计

开发单片机的思路是先设计最小系统，给单片机上电，提供必要的时钟让单片机活起来；通过这个最小系统，人要能与单片机沟通，一般是通过BDM接口等来实现。包括发命令给单片机、下载程序、调试程序等。有了这个基本环境后才可以调试硬件，本章讲述基本硬件系统的设计。

3.1 Freescale单片机模块

以MC9S2XS128为核心控制芯片的最小系统[21]主要包括以下几个部分：时钟电路、BDM接口、供电电路、复位电路和调试小灯。其最小系统板如图3.1所示。

图3.1 MC9S2XS128最小系统板

3.1.1 时钟电路

时钟电路给单片机提供一个外接的石英晶振，单片机及系统运行需要两个最基本的条件：电源与时钟。其中时钟电路的设计甚为关键，如果由于设计中的毛病，造成时钟电路不稳定，会导致嵌入式系统瘫痪。通过把一个16MHz的外部晶振接在单片机的外部晶振接入口EXTAL和XTAL上，然后利用MC9S2XS128内部的压控振荡器和锁相环（PLL）把这个频率提高到了

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40MHz。作为单片机工作的内部总线时钟。其电路图如图3.2。

图3.2 外部振荡电路

3.1.2 复位电路和BDM接口

复位电路是通过一个复位芯片在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。复位电路使用了低压复位芯片MC34064，使用专门的上电复位电路使系统上电复位更加可靠。

BDM接口可用于BDM在线调试，其中，BDMIN接口是接BDM调试工具，向MC9S2XS128单片机下载和调试程序用的。电路原理如图3.3。

图3.3 复位电路与BDM接口电路原理图

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3.1.3 单片机最小系统电源电路

MC9S2XS128 系列单片机的外部供电电压为5V，分别为单片机的内部电压调整器，IO 端驱动器，AD 转换器提供电源，下图中除了加入了扼流电感，滤波电容以外还串接了可恢复熔断器F1 和并接了稳压二极管D，这样就可以为单片机提供安全，稳定和纯净的电源了。最后我们别忘了并接一个发光二极管来指示单片机的工作状态。图3.4为单片机供电电路。

图3.4 单片机供电电路

3.2 5V稳压电源模块

由于采用学院自动化技术创新中心提供的7.2V、2Ah的镍镉电池作为电

源来驱动直流电机，而飞思卡尔单片机的额定工作电压皆为5V，故需要进行5V稳压电路设计。

采用低压差稳压集成芯片LM2940。由于LM2940是低压差线性稳压器（low dropout regulator），静态电流非常小，它的特点是在整个温度范围内按典型0.5V和最大1V的失稳电压提供1A的电流输出。此外还有静态电流降低电路，当输入与输出的电压大于3V时还可以自动降低静态电流，该稳压器同样也具有一般稳压器的短路保护和热过载保护等功能。

主要性能：

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? 输出电压 5V ? 最大输出电流 1A ? 典型失稳电压 0.5V ? 最大工作电压 26V ? 工作温度 40℃~+125℃ ? 引线温度（焊接，10S） +260℃ ? 输出电压组装前微调 ? 反接电池保护 ? 内部短路保护

图3.5为LM2940的引脚图。

图3.5 LM2940的引脚图

LM2940引脚名称见表3.1。

表 3.1 LM2940的引脚名称

符号 INPUT OUTPUT GND 名称 输入 输出 接地

LM2940芯片在焊接时候注意引脚方向，切不能焊错，也不能让烙铁接触引脚时间太长，以免损坏内部电路，经典实用稳压电路如图3.6所示。

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