基于飞思卡尔单片机自动循迹小车控制的设计本科学位论文.doc

基于飞思卡尔单片机自动循迹小车控制的设计摘 要随着我国的电子科技的不断发展，我们生活中的自动化设备越来越多，也为嵌入式在智能化上的研究提供了一个广阔的平台本系统以MK60DN512VMD100微控制器为核心控制单元，选用OV7620 CMOS模拟摄像头检测赛道信息， 高速AD转换芯片选用 TCL5510，将提取后的灰度图像进行软件二值化，进而提取赛道信息；用光电编码器实时检测小车的实时速度，采用PID控制算法调节电机的速度以及舵机转向，从而实现速度和方向的闭环控制关键字：MK60DN512VMD100，OV7620 CMOS，软件二值化，PIDAbstract With the continuous development of electronic technology, more and more automation equipment into the production life of the people, the rapid development of embedded intelligent study provides a broader platform.In this paper, the design of intelligent vehicle system MK60DN512VMD100 microcontroller as the core control unit, the selection of OV7620 CMOSanalog cameras to detect the track information, to using TCL5510 high-speed AD converter chip, software binarization image, extract the white guide line for identification of the track information; optical encoder to detect the real-time speed of the model car, using the PID control algorithm to adjust the speed of the drive motor and steering the angle of the steering gear, in order to achieve closed-loop control of velocity and direction of the model car.Keywords: MK60DN512VMD100，OV7620 CMOS，software binarization, PID目 录摘 要 IAbstract II1前言 11.1 设计的背景以及意义 11.2 智能小车国内外概况 11.2.1国内研究的概况 11.2.2 国外研究概况 21.3智能小车的发展前景 22 飞思卡尔单片机自动循迹小车系统设计总方案 32.1 系统硬件部分 32.2 系统软件部分 43 智能车硬件系统 53.1 单片机最小系统 53.1.1 PIT定时器模块 63.1.2 PWM 模块 63.1.3 I/O模块 73.1.4 时钟电路 73.1.5 复位电路 73.1.6 JTAG接口电路 83.2 电机驱动模块 83.3路径识别摄像头检测模块 93.3.1 摄像头的选择 93.3.2 摄像头简介 103.4 速度检测模块 103.5 舵机模块 103.6电源管理模块 103.6.1 3.3V电源 113.6.2 5V电源 114 软件系统的设计与实现 124.1赛道信息的提取 124.2 PID算法介绍 124.2.1 位置式 PID 134.2.2 增量式 PID 144.2.3 PID 参数整定 144.3转向舵机的控制方法 154.3.1 舵机的工作原理 154.3.2 舵机的 PID 控制 155 开发平台介绍 195.1 IAR Embedded Workbench IDE简介 195.2 IAR Embedded Workbench的功能及特点 195.3 硬件开发平台Altium Designer 226结 论 23参 考 文 献 24致 谢 25附录1电路原理图 26附录2 PCB图 27附录3 元件清单 28附录5 部分程序源代码 29- - 1 - -1前言1.1 设计的背景以及意义 在现代社会，汽车逐渐走进每个平民的家庭生活中，汽车行业发展迅速，同时交通事故也大大增多，每一分钟都有人死于车祸。

近几年智能系统的发展迅速，智能车的研究成为了当下的研究热点智能汽车研究涉及了很多领域，最直接的表现是要实现汽车的自动驾驶要实现自动驾驶就离不开智能化系统的设计，同时要求智能车能感知周围的环境一旦智能车投入使用，就会降低当前社会交通事故的发生率，同时能够大大提高现有交通道路的使用效率，并且能在一定程度上缓解能源危机的到来，降低广大人民的劳动强度，给人们一个更好的未来1.2 智能小车国内外概况1.2.1国内研究的概况我国在智能车的研究中投入了大量的资金和精力，为了能够培养出自己的研究骨干，在教育部的牵头下，我国组织了智能小车的高校比赛，以此来培养最基本的研究人才，这也符合我国的人才强国战略这项比赛用的是飞思卡尔公司产的芯片，第一届比赛在清华大学举办，得到了各大高校的积极响应，取得了良好的效果该项比赛，韩国有丰富的经验，他们已举办多届此类比赛因为此项比赛涉及到了很多专业知识，尤其是必须要掌握自动控制、电子、计算机等多个领域的知识，所以能够提高大学生的知识水平另外，比赛还可以提高学生的动手能力，弥补现在教育的弊端 前两届比赛中组委会统一规定了赛车的模型，微型控制器选用当时最流行的16位微型控制器MC9S12DG128，该控制器为飞思卡尔公司生产，性能优良，功能可靠。

现在比赛最常用的是32位的Kinetis系列，主要包括Kinetis E,EA,M，L等系列、32位的MPC56xx系列、32位的Kinetis(ARM® CortexTM-M4），主要包括Kinetis W，K等系列、16位的9S12系列、32位的DSC系列、ColdFire系列和8位的单片机系列（可使用两片）飞思卡尔赛车比赛规定各队在符合条件规定的情况下，赛车跑完全程时间最短者获胜，我国在2007年的比赛中首次打败了韩国队，终止了其七连冠的记录我国已经成功的举办了10次该项比赛，参加比赛的学校大概已经有300所，它们来自全国各地，分布在30个省市、自治区飞思卡尔比赛在我国已经办了多年，参赛队伍逐年增加，技术也相当成熟，学生们发挥自己的想象力，在原有技术上进行了大胆创新，取得了不错的效果现在一些早期的学生已经投入到实际的智能汽车的研究之中1.2.2 国外研究概况在飞思卡尔半导体公司的资助下，韩国在全球第一次举办了全国性质的高校智能小车比赛，并且取得了非常好的效果第一届比赛要求参赛队选用大赛方指定的HCS12单片机、车模以及电动机大赛规定，跑完全程用时最短的队伍获胜参赛队伍需要自己学习并且应用嵌入式软件开发工具Codewarrior和开发发技术，自主开发识别最佳的行进路线，自行设计电机的驱动电路、检测电路、舵机电路，以及相应的程序编写。

此项比赛举办以来，已经得到了广大企业的认可，他们认为这项比赛提高了学生们的创新能力这也是参赛队员在设计小车时不断积累经验，不断推陈出新，敢于创新的得结果 韩国于2000年举办了第一届该类比赛的，由汉阳大学承办在韩国每年的参赛队达到100多支，很多学校都会派出自己的队伍韩国的企业也非常重视这项比赛，每年企业都会拿出非常丰厚的奖品，比如特等奖就奖给队员一辆现代汽车甚至获奖选手可以有机会到德国宝马的总部研究学习这些奖励不仅体现了企业对人才的重视，而且促进了学生的积极性 如今的比赛不仅仅限于一国之内，高校的参赛队伍已经走出了国门，形成国际比赛机制2013年举办的国际赛当中，中国队以绝对的优势击败了美国队、日本队、巴西队、印度队、中国台湾队、墨西哥队、马来西亚队以及捷克与斯洛伐克队国际赛的举办增进了各国的技术交流，对智能车的比赛以及技术的创新起到了积极的作用1.3智能小车的发展前景 在智能车的研发方面，我国与欧洲、美国、日本等国家还有一些差距智能车的开发需要很多领域的结合，如信息技术、计算机技术、电子技术等多个领域[1]，在这些领域我国也有了很高的发展面对这个集汽车制造行业、信息与通信产业和交通系统复合的全新领域，我国有能力抢占这个高新技术的制高点，在未来的国际竞争中取得有利位置。

我国必须把握这次机遇，制定好相应的计划、战略方针以及落实到实处的措施，统筹管理，逐渐缩小与发达国家在智能车领域的差距并且超过他们2 飞思卡尔单片机自动循迹小车系统设计总方案本设计的核心是基于K60的主控模块，车速由电机驱动模块控制、转向问题由舵机模块来控制、小车速度的检测交由测速传感器模块的检测，预判行进的路线由路径识别模块来决定本设计实现的功能是在特定的跑道上小车自动行驶，完成在转弯处减速、在直道上加速行驶本系统由两部分组成即硬件部分和软件部分2.1 系统硬件部分本毕业设计选用飞思卡尔公司推出的32位K60微控器作为小车的核心控制单元路径识别模块采用摄像头检测技术，将采集到的图像信息转化成电平信号送给微控单元K60同时速度检测模块收集到的信息同样转换成电平信号送给微控单元K60微控单元经过内部的处理，输出PWM信号，控制电机转速以及舵机转向，达到控制速度和自动行驶的目的要使智能小车又快又稳的行驶，不仅要控制好舵机的转向还要控制好车速这样才能使小车在转弯的时候不会因为速度太快而偏离跑道，因此我们需要检测小车的速度，并且采取闭环的反馈机制同时要求我们要将路径检测、车速控制以及控制转向的各个单元精密结合起来。

如果传感器采集到了错误的信息，或者伺服电动机的控制出现偏差，就可能使小车出现严重的抖动，常出现的问题是小车偏离跑道；如果直流电动机的控制效果不理想，还会造成小车速度过慢等问题本部小车的系统总体结构如图2.1所示：图2.1 系统总体结构图由图可知，小车的系统是由以下几个模块组成的: (1)中央处理器单元中央处理器采用飞思卡尔MK60DN512VMD100芯片，以32位的ARM Crotex-M为内核，运算速度快，内核提供了1.25DMIPS/MHz的DSP指令具有8位PWM输出8路和16位增强型定时器8路CPU的主频频率为100MHz内部Flash高至512KB，模数转换（A/D）共8路各2组，单片机功能强大，可以有效地控制小车的运行以及检测2)电源管理模块电源模块的作用是给各个模块提供稳定的电压，保证系统的正常运行，也是系统运行最基本的要成电源模块要有稳压电路，因为各个模块所需要的电压不同，我们还需要将电源的电压转换成所各模块所需要的电压3)舵机模块对模型车上的舵机进行驱动，快速并准确控制赛车的行驶方向 (4)电机驱动模块电机模块的作用是控制小车的速度，它是通过控制电机的电压来达到控制车速的目的，当然也可以通过电机实行制动。