飞思卡尔讲解Word文档格式.docx
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2、防撞报警系统
本系统采用LED发光二极管作为报警器。
在车体逐渐逼近障碍物的过程中，通过编程使单片机引脚产生一定频率的脉冲，驱动发光二极管。
当倒车时候，如果逼近障碍物，则发光二极管闪烁频率会加快，进而判定有障碍物，达到防撞报警的作用。
1.1.3 LCD液晶显示系统
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的最大辅助功能，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器等。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
1、显示质量高
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
2、数字式接口
液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
3、体积小、重量轻
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
4、功耗低
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
由于以上诸多优点，本系统中采用LCD1602A字符液晶来完成LCD显示模块的设计，做到小车行驶时候对小车速度的实时显示，完善移动小车的功能。
1.2 论文研究的目的和意义
本设计以FreescaleCodeWarrior为开发环境，采用MC9S12DG128B（16位）MCU（MicroControlUnit）作为主控芯片，利用MC9S12DG128B教学实验系统并增加必要的外围辅助电路，设计完成直流电机的速度闭环控制，直流电机驱动器，超声波倒车防撞报警器，LCD显示系统等功能。
整个系统的设计不仅是对小车控制系统的开发，而且充分的利用了清华大学的MC9S12DG128B教学实验系统，达到了理论与实践的结合，加深了对自动控制理论的了解。
1.2.1 直流电机闭环控制的目的和意义
电机在工业生产中的主要控制方式为闭环控制，电机闭环控制技术的不断改进带来生产和生活了众多的好处：
能够提高电机运行过程中的平稳，进而使以电机为动力的机械可靠性增加；
增加各类机械中的自动化技术含量；
增加电力机车在交通运输工具中所占的比例，减少环境污染等。
而为了提高直流电机调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
按反馈的方式不同可分为转速反馈、电流反馈、电压反馈等。
在单闭环控制系统中，转速单闭环使用较多。
在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电机作动力,但直流电机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度。
反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该被控量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。
对调速系统来说，若想提高动静态指标，希望电机转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。
要想维持转速这一物理量不变，最直接和最有效的方式就是采用转速负反馈构成速度闭环控制系统。
PWM简称脉宽调制，即英文PulseWidthModulation的缩写，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
采用单片机产生PWM脉冲进行直流电机的无级调速是目前直流电机调速的最常用方法之一。
1.2.2 倒车防撞报警与LCD显示的目的和意义
车辆在行驶过程中最重要的是安全问题，而倒车时候由于驾驶员的视野有限，可能导致撞车，安全问题变得尤为突出。
超声波倒车防撞方案是目前汽车市场主流的安全倒车方案，其性能可靠，准确度高，满足车辆在低速倒车中的报警防撞要求，从而能提高机车行驶过程中的安全性。
车辆在行驶过程中，单纯靠驾驶员经验是不可能准确判定车辆行驶的速度。
采用液晶来显示当前行驶速度，首先也最总要的是让驾驶员看到精准车速，避免速度过大，保证了车辆行驶的安全性；
其次在一些限速街道，比如慢行街、高架桥等，驾驶员能够保证不超速，避免了不必要的违章行驶导致的行政处罚。
1.3 论文研究的主要内容
本文以FreescaleCodeWarrior为开发环境，采用飞思卡尔MC9S12DG128B（16位）MCU作为主控芯片，进行课题的设计与研究。
具体研究内容如下：
1、选用恒压恒流H桥式驱动芯片L298N，完成基于PWM（脉宽调制）电路的直流电机驱动器设计，实现对RS380-ST型7.2V直流电机的无级调速。
2、采用增量式PID控制算法进行直流电机闭环控制程序设计，编写相应C语言程序，完成对直流电机的速度单闭环控制，从而实现小车速度的实时控制。
3、基于超声波测距原理设计倒车防撞报警器，并用C语言编写功能程序，使小车在倒车过程具有防撞报警功能。
4、设计制作LCD显示系统，用于显示小车的实时速度值，使速度量可视化，完善小车功能。
5、利用Freescale单片机开发板和FreescaleCodeWarrior4.7开发软件包，完成对速度闭环控制程序、超声波倒车防撞报警程序、LCD显示功能程序的调试。
第2章 总体设计思路及方案论证
基于FreescaleS12单片机对移动小车控制系统进行设计，实现对小车的速度闭环控制。
因为需要设计直流电机驱动器、倒车防撞报警器、LCD液晶显示系统等硬件实物，并通过FreescaleCodeWarrior4.7软件包开发设计相应的驱动和功能程序，所以对设计总体思路进行把握主要工作分为两部分：
硬件和软件。
首先对硬件和软件的设计方案分别进行可行性论证，在此基础上才能进行具体的方案设计与软硬件调试。
2.1 硬件设计方案论证
采用FreescaleMCU作为控制芯片，对个功能模块进行控制。
由于涉及到的功能相对较多，首先需要在原理上对每一部分功能模块进行分析，再把软硬件集成到一起进行可行性论证。
2.1.1 单片机模块方案
MC9S12DG128B属于FreescaleMC9S12系列微控制器[19]，是飞思卡尔半导体公司的汽车电子类产品，早在飞思卡尔还没有从摩托罗拉分离出来前就已经诞生了。
其内核为CPU12高速处理器。
MC9S12DG128B拥有丰富的片内资源，flash达128kb，加入裁减过的µ
C/OS都没有问题，所以对于中等复杂程度的控制系统它不用扩充片外存储器。
1、FreescaleMC9S12系列微控制器
FreescaleMC9S12系列MCU是以高速CPU12内核为基础的微控列，简称S12系列[2]。
典型的HC12总线频率为8MHz，而典型的S12总线频率为25MHz。
HC12与S12指令完全兼容，故统称为HCS12系列微控制器。
智能产品的设计人员可利用S12系列微控制器低成本的FLASH存储器，轻松实现以微控制器为基础的远程升级、换代和现场进行快速再编程系统设计，可缩短嵌入式产品的设计周期，改善性能，同时亦降低售后服务系统的整体成本。
S12微控制器已广泛应用于通信、工业以及无数消费类电子产品中，例如空调、冰箱、PC外围设备和通信机电产品等。
S12系列微控制器主要有A、B、C、D、E、F、G、H、L等系列，分为以下几大类：
（1）MC9S12A系列和B系列16位微控制器；
（2）带CAN总线的MC9S12D系列16位微控制器；
（3）带液晶驱动的MC9S12H系列和MC9S12L系列16位微控制器；
（4）低供电电压的MC9S12E128和MC9S12E64系列16位微控制器；
（5）带USB接口的MC9S12UF32系列16位微控制器；
（6）带以太网接口的MC9S12NE系列16位微控制器。
S12系列微控制器有以下优点：
（1）S12系列具有FLASH存储器；
（2）S12系列采用的C语言已进行了最优化设计，编码方式效率高；
（3）S12系列具有低成本调试功能。
2、MC9S12DG128B微控制器的组成
MC9S12DG128B有16路AD转换，精度最高可设置为10位；
有8路8位PWM并可两两级联为16位精度PWM，特别适合用于控制多电机系统。
它的串行通信端口也非常丰富，有2路SCI，2路SPI此外还有IIC，CAN总线，增强型捕捉定时器等端口，并且采用了引角复用功能，使得这些功能引角也可设置为普通的I/O端口使用。
此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化我们的程序设计。
MC9S12DG128的封装有两种，一种为80引角的QFP-8封装形式，它没有引出扩展总线，且AD转换只引出了8路；
一种为112引角的LQFP-112封装形式，两种都采用了表面贴片式封装。
从下面的引角图我们可以看到MC9S12DG128的引角复用情况，一个引角往往有双重或多重功能，而这些功能的设置大部分是通过编程来实现的，非常方便。
对于MC9S12DG128的学习，先从各引角的功能学起，然后试着下载程序，再逐渐编程实现各引角的功能。
在单片模式下，A口、B口和部分E口都可以用作通用I/O接口，如果所有接口工作在通用I/O方式下，那么I/O口将达到63个。
这些双重功能的I/O口本身及控制逻辑完全集成在MCU内部，其体积、功耗、可靠性、应用简单方便程度都与用户自行扩充的I/O口有着重要区别。
LQFP-112封装的MC9S12DG128B[1]引脚图如图2.1。
图2.1MC9S12DG128B引脚图
3、单片机基本硬件系统
目前多数单片机产品都是表面贴片封装的器件，因为直接设计目标板有相当难度，不妨先设计一个最小系统，将单片机所有I/O引脚都引出到排针或者插座上。
I/O接口板另外设计，最小系统板可以像一个直插的器件，插在目标板上。
虽然S12单片机将CPU、ROM、RAM、以及I/O都集成在一个集成电路芯片上，但仍需要一些外部电路的支持。
如为单片机系统提供电源、时钟、复位信号和I/O驱动等。
2.1.2 5V稳压电源模块方案
由于采用7.2V镍镉电池作为驱动直流电机的电源，而飞思卡尔单片机的工作电压为5V，故需要进行5V稳压电路设计。
有以下两种设计方案。
方案一：
基于LM7850稳压芯片的电路设计。
采用以TO-220标准封装的LM7850作为稳压芯片，它只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
样子象是普通的三极管，是最常见的三端稳压集成电路。
这是起始时候我的设计方案。
LM7850电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
但是LM7850稳压电路的稳压性能在电池电压低于7V时候没有稳压效果，直接输出7V电压，这样会高于单片机的工作电压5V，导致烧毁单片机。
电池采用的是实验室的镍镉电池，但是由于其投入使用时间较长导致损耗比较大，持续供电会导致电压不稳，小于7V。
方案二：
基于LM2940稳压芯片的电路设计[26]。
采用LM2940作为稳压芯片，当时实验室没有此种芯片，方案二便成了开始时候的备选方案。
这种方案可以保证稳压输出端电压稳定在5V左右，满足单片机的电压要求。
由于LM2940是低压差线性稳压器（lowdropoutregulator），LM2940比LM7805的转换效率高。
LM7805直接输入不接输出的情况下，其内部还会有3mA的电流消耗（静态电流）。
而LDO元件（即LM2940）的静态电流就比它远远小得多了。
用此稳压电源给飞思卡尔单片机和LCD字符液晶以及超声波测距模块供电。
由于电池损耗原因，第一种方案达不到要求的5V稳定电压，弃用，改用为第二种方案，通过电压表的实际测试，不管电池状态怎样，电压始终稳定在4.95—5.05V，满足设计要求。
LM2940稳压电路原理图如图2.2。
图2.2LM2940稳压电路
2.1.3 LCD液晶显示模块
液晶显示模块已作为很多电子产品的功能器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，字符型液晶显示器得到非常广泛的应用。
●显示质量高
●数字式接口
●体积小、重量轻
●功耗低
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用的有16*1、16*2、20*2和40*2行等模块。
以16*2行字符液晶为例，16表示一行能显示16个有效字符（非汉字），2表示LCD可以同时显示两行字符。
由于本设计需要显示的是小车的速度值，故16*2行的液晶足可以满足设计要求。
这里我采16*2行字符液晶，具体型号为长沙太阳人电子有限公司生产的的1602A字符型液晶显示器。
1602A字符型液晶显示器模型规格[27]如图2.3，尺寸单位为cm。
图2.3 1602A字符型液晶显示器
2.1.4 超声波倒车防撞模块方案
随着科学技术的快速发展，超声波在科学技术中的应用越来越广。
超声波检测项目优势在于其方便迅速、计算简单、易于做到实时控制，是一种非接触检测技术，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，尤其在避障方面应用广泛。
1、超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
2、超声波接收器
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
图2.4为工作原理框图。
图2.4 超声波模块硬件电路工作流程图
本设计中先后采用了两种超声波方案
方案一：
手动焊接超声波模块。
采用集成芯片CX20106A[34]，自己设计电路原理图，在万用板上焊装超声波模块。
这种方案为初期方案，考验了自己的动手能力，在焊装完成后进行硬件过程中发现性能不理想，容易产生干扰。
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。
通过调试证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度但是由于元件和排板问题，本次设计的抗干扰能力不强，发送波形正常，但是接收波形比较凌乱，达不到测距地要求。
图2.5、2.6为发射电路与接收电路原理图：
图2.5 超声波发射电路原理图
图2.6 超声波接收电路原理图
采用超声波测距集成模块。
采用凌阳超声波测距模块，在第一种方案效果不理想的情况下，指导老师的建议下我采用方案二，这也是我的最终方案，由于超声波测距模块是工业制板，电路聚成度高，元件也性能也相对好，经过硬件测试，发现干扰小，并且引脚方便，即插即用，适合调试，能很好的完成本设计。
2.1.5 直流电机驱动模块
由于本设计中直流电机的功率限制，不可能由单片机直接驱动直流电机。
所以要设计直流电机驱动器，进而驱动直流电机的正反转。
这里我采用以恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N为驱动芯片的直流电机驱动器设计。
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；
可以直接用单片机的IO口提供信号；
而且电路简单，使用比较方便，能完成本设计的要求。
图2.7为L298N的引脚图。
图2.7L298N引脚图
2.1.6 测速方案
速度传感器感知小车的行驶速度，有如下两种方案：
1、采用霍尔元件
霍尔原件[34]的工作原理是利用电磁感应定理：
磁场的变化引起电压的变化，用磁块作为磁场源，磁块和霍尔器件的相对位置和方向决定霍尔原件的输出电压。
利用这一原理，将磁块粘在轮胎或轮轴上，每转过一定角度霍尔元件就会有一个脉冲产生，通过测量脉冲周期就可以间接得到速度。
这种方法的优点是实现方便，稳定性强，抗干扰能力强，缺点是分辨率较小，只能达到厘米数量级。
2、采用光学编码器
这是目前应用最多的测速传感器，光学编码器[15]由光源、码盘、接收器组成，码盘周围有小孔，光源透过小孔投射在接收管上，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
市场上有现成的光学编码盘出售，但体积和重量普遍较大，不符合轻量化设计的原则。
自制品稳定性较差。
在此由自动化技术创新中心提供的A、B、Z光学编码器作为测速传感器，电压输出型ZVH-4A-50BM-ES~26E，500P/r，零位宽Tm=1T，DC5~26V。
2.2 控制方案论证
本设计中涉及到速度闭环控制和倒车防撞报警器中的距离控制，首先要提出控制方案，对控制算法原理进行详细的说明，在保证方案可行性的基础上再进行具体的软件设计。
2.2.1 速度控制算法
常用的控制规律有：
比例控制；
积分控制；
微分控制；
比例积分控制；
比例微分控制；
比例、积分、微分控制。
对直流电机的速度控制优先采用PID控制算法，在工程实际中，应用最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。
2.2.2 超声波测距算法
超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。
只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：
（2.1）
其中
为被测物到测距仪之间的距离，
为超声波往返通过的路程，
为超声波在介质中的传播速度，
为超声波从发射到接收所用的时间。
为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：
（2.2）
上式中，
为实际温度（℃），
的单位为m/s，
的单位为s。
以上是测距的具体算法，在本设计中由于倒车防撞的主要功能是防撞，只要在程序中设定最小倒车可行距离，并不需要计算实际的距离值。
但测距原理仍然是以上算法，只是在编程形式上有所差别。
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。
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MC9S12DG128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 MC9S12DG128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MC9S12DG128内部的压控振荡器和锁相环（PLL）把这个频率提高到了40MHz。
作为单片机工作的内部总线时钟。
其电路图如图3.2。
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