湖北师范学院机电与控制工程学院2014届学士学位论文（设计）
电源模块负责给其他模块提供不同的电压；摄像头传感器主要作用是拍摄车体前方的路径；主控制器是系统的核心，负责对采集图像的处理、路径的识别并最终输出控制量控制舵机和电机；舵机和电机的功能分别是控制智能小车的转向和速度；速度反馈功能是返回智能小车的实时速度，对智能小车形成闭环控制。只有各个模块都能稳定工作，进行合理的配合，整个智能车系统才能准确、有效的运行，适应各种复杂环境。 4.2 电源模块设计
电源电路是整个智能车系统正常工作的基础，因此设计稳定可靠的供电电路显得尤为重要。整车的硬件电路电源由充电镍镉电池提供（7.2V、2000mAh）。但是系统中的各个电路模块所需要的工作电压和工作电流各不相同，所以设计了多种稳压电路，将电池电压转换成各个模块所需要的电压。其中5V向单片机、摄像头、编码器等供电，6V向舵机供电，3.3V向辅助电路供电。电源管理模块框图如图4.2所示。
7.2V电池3.3V电源5V电源6V电源辅助电路摄像头主控制器编码器舵机 图4.2 电源管理模块框图
在电路设计中，考虑到由于电机驱动容易引起电源不稳定，在电源输入端，每个芯片电源输入输出引脚都加入滤波电路。3.3V稳压电路如图4.3所示，5V稳压电路如图4.4所示。
图4.3 3.3V稳压电路 图4.4 5V稳压电路
LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA
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时为1.2V，它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号，本系统采用固定电压输出为3.3V和5V的两个型号。LM1117输出电流可达800mA，具有电流限制和过热保护功能，非常适合为本系统其他部分供电。
6V稳压电路如图4.5所示。
图4.5 6V稳压电路
LM7806是三端稳压器，输出电压为正6V，组成稳压电源所需的外围器件少，电路内部有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。输出电流可达1.5A，功率大。
4.3 OV6620摄像头电路设计
摄像头图像采集模块负责把智能车车体前面的具体路径信息采集回来，是整个智能车的重要基础，摄像头采集的图像是否能完整反应路径的具体信息，关系到主控制器能否采取正确的控制策略控制电机和舵机[10]。OV6620摄像头工作时有固定的时序，按照时序采集图像信息是可靠获取完整路径信息的保证。用示波器测OV6620的关键引脚获得的时序图如图4.6所示。
图4.6 OV6620的行场时序图
场中断信号是一幅图像的开始，周期是20ms，其中高电平持续时间短，可忽略，场中断信号要通过下降沿捕捉；行中断信号是一行图像的开始，周期是63us左右，通过上升沿捕捉。
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为了采集到稳定的图像，只需捕捉两个中断，即行中断和场中断信号。为了保证图像采集不被打断，采用优先级较高的T0、T1口分别来捕捉行中断和场中断。另外灰度信号数据采集只需要8个数据口，本系统采用主控制器的PB口。主控制器与OV6620具体的连接示意图如图4.7所示。
PB0 . . .PB7MC9S12XS128PT0PT1HERFVSYNCY0 . . .Y7OV6620
图4.7 OV6620的硬件连接示意图
图4.7中摄像头OV6620的Y0至Y7引脚与主控制器的PB0至PB7引脚连接，Y0至Y7为摄像头OV6620的灰度信号数据输出引脚，MC9S12XS128单片机通过PB口读取摄像头传递的灰度信号。HREF引脚为摄像头OV6620行中断信号输出引脚，VSYNC引脚为摄像头场中断信号输出引脚，分别与主控制器的中断引脚T0，T1相连接。 4.4 舵机电路设计
舵机负责智能小车的转向，舵机模块能否稳定的工作直接影响到智能小车在路径上高速行驶时的稳定性和转向时的灵敏度和精确度。本系统的舵机采用S3010型号舵机。S3010型号舵机实物图如图4.8所示。
图4.8 S3010型号舵机实物图
S3010型号舵机有三根接线端，分别为：电源线、地线及控制线。其中黑线为电源地线，红线为电源正线，白线为控制信号线，控制周期为20ms左右的脉冲信号。舵机
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所需的工作电压为6V，由电源模块的6V稳压电路提供。控制舵机的脉冲可以使用MC9S12XS128的2路PWM级联产生，通过改变PWM占空比常数可以改变输出脉冲的宽度，而脉冲信号的宽度决定舵机输出舵盘的角度[11]。舵机的转角与控制信号的脉宽对应关系如下图4.9所示。
转角/（度）+45100015002000脉宽-45
图4.9 舵机转角与脉宽函数关系
在本系统舵机接口电路中，只需把舵机的转角控制端口（白线）与单片机的PWM1通道相连。单片机通过这一端口，将位置脉冲发送给舵机，实现对舵机转角的控制。舵机与单片机的接口电路如图4.10所示。
图4.10 舵机接口电路
4.5 编码器接口电路设计
要更好的对智能车的速度进行控制、调节，实现很好的加速和减速性能，使智能车能够快速稳定的运行，对速度进行反馈控制非常重要，所以需要精确的测得智能车的实时速度。
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等份的开通若干个长方形孔。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
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机的转速。这种测量方法方便、简单、可靠，是高速车辆的很好选择。本智能车系统速度传感器采用的是OMRON公司生产的E6A2-CW3C型光电编码器。E6A2-CW3C型光电编码器实物图如图4.11所示。
图4.11 光电编码器实物图
智能车的车轮每前进一段距离时，速度传感器便产生一定数目的脉冲，MC9S12XS128单片机利用自己ECT模块对脉冲进行计数，可以得到智能车实时速度值。通过测量给定时间里光电编码器返回脉冲信号的个数即可计算智能车速度，速度计算方法如公式4.1所示。
V?2?RNZt （4.1）
N为光电编码器输出的脉冲信号个数，Z为齿轮比，上式中R为智能车的车轮半径，
t为给定的测量时间，V是具体速度。
E6A2-CW3C型光电编码器由5～12V的直流供电，有三根引线，颜色分别为棕色、蓝色、黑色，其中棕色线接VCC，蓝色线接地，黑色线为输出信号，需要连接上拉电阻后接入单片机。编码器具体的接口电路如图4.12所示。
图4.12 编码器接口电路
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