第五章 硬件电路设计
5.1 电源管理模块
电源模块是整个智能车系统得以可靠工作的基础，本系统一共需要以下几路电源，如表5.1.1所示。
表 5.1.1 电源分配一览表
电压 1.25-5V可调 5V 6.4V 7.2V 获得方式 LM317 TPS7350 TPS7350 直接获得 作用 发射管供电 单片机、接收管及芯片供电 舵机供电 驱动电机供电 下面对各电源分配进行详细说明： 5.1.1 5V电源
在智能车系统中，单片机、接收管、芯片供电及使能都需要用到5V电源，我们采用TPS7350来获得5V电压。TPS7350是美国TI公司生产的一款低压差稳压芯片，只需要0.1V压差即可稳定工作，而且功耗极低，在智能车系统中使用TPS7350芯片能够大大改善电源模块的稳定性。实际电路如图5.1.1：
图5.1.1：5V电源电路
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5.1.2 6.4V电源
本系统中舵机型号是S3010，功能工作电压为4V—6V，为了提高舵机的灵敏性，采用6V供电，仍使用TPS7350芯片。将TPS7350芯片的1、2脚通过两个二极管接地，可将输出电压提高1.4V，达到6.4V的输出电压。电路如图4.1.2所示
图5.1.1：6V电源电路图
5.1.3 1.25-5V可调电源
1.25－5V电压用于给前排红外传感器的发射管供电，由于采用直流供电方式，每一路发射管约需要30mA电流，有15路发射管，共需要0.5A的电流。LM317能够提供最大1.5A的电流，并且可以通过调节R2调节电压的输出，能够满足系统需要。实际电路如图5.1.3：
图 5.1.3 LM317T电路图
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5.2 电机驱动模块
此模块用于驱动直流电机，是系统的动力部分，我们采用采用飞思卡尔公司的MC33886来实现。电路如图5.2.1：
图5.2.1 MC33886驱动电路
实验中我们发现，用一片MC33886来驱动电机，发热非常之大，故我们选择用四片芯片并联来驱动电机。
5.3 测速反馈模块
测速反馈是电机闭环调速系统的重要环节。通过速度检测，可以很好得使电机的外特性变硬，这样可以消除或降低电池电压、电机传动摩擦力、道路摩擦力等的影响，使得小车在赛道上运行得更精确。
常用的测速装置有光电编码盘，测速发电机，霍尔开关等。我们采取对射式槽型红外传感器RPI221结合齿形光栅进行测速，将脉冲信号经过集成有比较器的F/V转化芯片LM2907输出电压信号，经AD采样传送给单片机。
参赛车模的速度传感器如图5.3.1所示。速度传感器是由安装在车模电机主轴上的一个直径为25mm的齿轮、一对红外线发射、接收管及F/V转化芯片LM2907电路组成的。
考虑到硬件的安装与齿轮的加工难易程度，选择机械鼠标齿形光栅作为码盘。将码盘装配到电机主轴端部的孔（直径约为2.3mm）上。红外线发射、接收
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管采用集成式光电开关。在运动过程中，齿轮随电机主轴一起转动，其齿部断续地遮挡红外线光束，使得接收管接收到断续的光脉冲信号。再将接收管接收到的光脉冲信号转换为电脉冲信号。实验证明红外线集成式光电开关的恢复特性较差，在高频下图5.3.1所示电路输出的高低电平的区分度较差，我们通过研究发现减小接收管所串的电阻可以得到较好的波形，同时考虑输出信号的平均值，可以选出合适的参数。
图5.3.1 速度传感器原理图
通过上述电路得到的电脉冲需进一步处理方能被单片机采用。本系统采用内部集成有比较器的F/V转化芯片LM2907处理该电脉冲信号，将其转化为与其频率呈线性关系的电压信号。
LM2907单片集成频率-电压转换芯片由比较器、充电泵、高增益运算放大器组成，能将频率信号转换成电压信号。其工作电路如图5.3.2所示：
图5.3.2 LM2907工作原理图
合适的电阻R1和电容C1可以调节频率－电压转化的范围、线性度等，具
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体的调节方法见该芯片的说明书和东北大学蜗牛队的第二届参赛报告。
由于我们选择的光栅为36齿，固定在电机轴上，因此，车模的行驶速度V和光栅的电脉冲数具有一定关系。
因此，合理选择参数，电路的测量范围为：0－3300Hz，输出电压范围为0－3.8V，速度的测量范围为0－3.5m/s。其电压－频率曲线如图5.3.3所示
图 5.3.3 LM2907 输出电压－输入信号频率关系曲线
5.4 总结
在智能车硬件方面，我们经过数百次的调试，从筛选器件到用面包板实验在到印刷电路板，同时，也经过无数次的失败，最终确定了一套稳定、可靠、高效的智能车硬件系统。我们的创新点在于：
? 选择了低压差、低功耗线性稳压芯片TPS7350，保证了系统中的单片机
电源稳定，在调试过程中很少有因为电源管理问题而导致的单片机复位的现象发生。
? 利用HCS12DG128B单片机的AD转换资源丰富的特点，使用废弃的机
械鼠标光栅，通过槽型对射式红外传感器，结合简单的F/V转化，使系统能实时读取当前智能车运行速度。这样，不仅避免了M方法、T方法、M/T方法测速的繁杂的软件处理，增强了实时性，而且避免了测速发电机等测速方式的机械安装困难问题。
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