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作為一名大三的學(xué)子，很有幸參加了第九屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競(jìng)賽。作為一個(gè)機(jī)械學(xué)子，在這個(gè)領(lǐng)域可謂是一張白紙，因?yàn)榇蠖?jīng)自學(xué)過(guò)機(jī)電自動(dòng)化方面的知識(shí)，這對(duì)整個(gè)制作起到了關(guān)鍵的作用。
全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽起源于韓國(guó)，是在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽，按傳感器類別分為攝像頭組、光電組、電磁組、創(chuàng)意組。該競(jìng)賽是在規(guī)定的模型汽車平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過(guò)增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編寫相應(yīng)的控制軟件，制作一個(gè)能夠自主識(shí)別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進(jìn)，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。該競(jìng)賽涵蓋自動(dòng)控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械與汽車等多學(xué)科專業(yè)的創(chuàng)意性比賽。
我們組所參加的光電組，主要是以光電傳感器或者線性CCD（現(xiàn)已禁止使用激光傳感器）作為主要路徑傳感器，我們組選用的是飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位微處理器——RAM內(nèi)核的K60系列，基于組委會(huì)指定的B車模平臺(tái)而去制作智能車，B車模相對(duì)來(lái)說(shuō)，車模采用舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向，后輪使用滾珠差速器從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎差速。車模相對(duì)比較笨重，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率較大，轉(zhuǎn)向半徑較小，車模輪胎摩擦系數(shù)較小，這都嚴(yán)重制約了車速的提高。
B車模
有了車模，只是第一步。硬件設(shè)計(jì)工作的重任落在我肩上，基于上面車模因素，對(duì)我們組的硬件設(shè)計(jì)工作帶來(lái)嚴(yán)重的考驗(yàn)，經(jīng)過(guò)前期資料和歷屆技術(shù)報(bào)告的查閱，我們組最終定下了電路硬件的設(shè)計(jì)圖紙。整個(gè)電路硬件設(shè)計(jì)是使用的Altium Designer軟件，工程的原理圖如下：（ 采用分層設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)原理圖。）一、采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)思路清晰，各電路模塊關(guān)系明確。
二、電源部分設(shè)計(jì) 電源是一個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定的基本保障，所以電源的設(shè)計(jì)工作對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要的。
經(jīng)過(guò)查閱電子電路設(shè)計(jì)手冊(cè)以及相關(guān)網(wǎng)上資料后，最終采用如下設(shè)計(jì)方案： 1.電源7.2V動(dòng)力電池供電，瞬時(shí)電流能達(dá)到5A，滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求，但是對(duì)穩(wěn)壓電路帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。因?yàn)楫?dāng)電機(jī)電流過(guò)大，會(huì)造成電源大的壓降，以至于穩(wěn)壓芯片不能正常工作，得不到想要的穩(wěn)壓電壓，會(huì)導(dǎo)致微處理器自動(dòng)復(fù)位，帶來(lái)不可預(yù)料的危險(xiǎn)。
2.經(jīng)過(guò)查閱大量資料，最終確定采用底線性壓差穩(wěn)壓的TPS7350、TPS7333 芯片分別得到5V、3.3V電壓。5V主用給5V供電要求的芯片供電和測(cè)速編碼器供電。3.3V主要給K60微處理器供電，雖然K60超頻到100M時(shí)，相對(duì)普通微處理器功率高，由于采用TPS7333芯片穩(wěn)壓，輸出功率也較高，所以滿足微處理器正常工作要求。數(shù)字舵機(jī)的電源要求也相對(duì)較高，我們選用LM2941可調(diào)穩(wěn)壓芯片來(lái)作為舵機(jī)的電源，通過(guò)合理選擇LM2941穩(wěn)壓電阻的阻值，就能得到5.5V的電壓，可調(diào)穩(wěn)壓輸出也方便后期的調(diào)試，因?yàn)樵诟?jìng)速的模型上，轉(zhuǎn)向的靈活和快速，決定了車模的車速和穩(wěn)定。所以常常為了加快舵機(jī)的響應(yīng)速度，縮小舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，適當(dāng)?shù)募哟蠖鏅C(jī)的供電電壓。 3.為了滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的快速加減速，因而IR2104芯片驅(qū)動(dòng)大功率的MOSFET管—（相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，電機(jī)電源還是7.2V，它的作用只是負(fù)責(zé)通過(guò)控制信號(hào)控制電機(jī)電源的接通和斷開，已方便PWM電機(jī)調(diào)速）,而IR2104的工作電壓范圍為10-20V，所以需要設(shè)計(jì)升壓電路。升壓電路采用MC34063芯片升壓，因?yàn)镸C34063匹配電容的電容值不容易選擇，經(jīng)過(guò)幾次調(diào)試，從7.2V升14V電路總是不太穩(wěn)定，最終我們采用舵機(jī)電源5.5V升14V，經(jīng)測(cè)試，該升壓電路能穩(wěn)定工作并且滿足IR2104供電要求。 4.再加上開關(guān)和電源指示燈就完成了電源原理圖部分的設(shè)計(jì)工作了。
三、控制器電路設(shè)計(jì)，車模的大腦，穩(wěn)定性異常重要。
1.注意K60特殊功能的輸出引腳，F(xiàn)TM實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速，LPTMR0_ALT2（輸入捕捉）實(shí)現(xiàn)編碼器測(cè)速，ADC實(shí)現(xiàn)CCD模擬電壓的采集。
2.預(yù)留SPI、串口通信接口，方便調(diào)試。
3.PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，注意信號(hào)線的線寬和相鄰信號(hào)線的間距，采用數(shù)字地和模擬地分開的原則，PCB兩面都需要覆銅以減少信號(hào)干擾。
控制器
四、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路作為整個(gè)系統(tǒng)的心臟，是提升速度的關(guān)鍵模塊，因?yàn)槟Ｐ蛙囋谶\(yùn)行過(guò)程中，需要頻繁的急加、減速。（對(duì)于直流電機(jī)，通過(guò)PWM調(diào)速大幅度增加電機(jī)電源的電壓實(shí)現(xiàn)急加速，通過(guò)PWM調(diào)速在電機(jī)上加一個(gè)適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1565125.html">反向電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)，完成急減速過(guò)程，整個(gè)過(guò)程的PWM調(diào)速電壓，都是通過(guò)軟件算法——PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不能胡亂的加大電機(jī)電壓，否則會(huì)出現(xiàn)電路板或者電機(jī)的損害，再進(jìn)行減速制動(dòng)的時(shí)候需要特別注意，減速制動(dòng)產(chǎn)生大電流和大壓降，對(duì)電路板和整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)大的考驗(yàn)。）所以驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)工作不能馬虎，借鑒北京科技大學(xué)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖紙，我們?cè)O(shè)計(jì)出如下電路：
1.IR2104控制大功率的MOSFET管的通斷，能滿足上述的電機(jī)的大電流要求，1片IR2104控制2片大功率的MOSFET管，形成一個(gè)電流回路，即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，但是為了實(shí)現(xiàn)車模的加、減控制策略，需要給直流電機(jī)加上正向、反向電壓，所以需要使用2片IR2104控制分別獨(dú)立4片大功率的MOSFET管，搭建一個(gè)H橋電路，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)加上正向、反向電壓。
2.PCB（印刷電路板，先繪制電路原理圖（元器件電氣連接，方便后面的PCB物理層連線，我們使用的電路板都是元器件的物理連接），然后繪制元器件封裝，最后連接各元器件的物理層關(guān)系）設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在MOSFET管和IR2104芯片下面放置散熱孔。
3. 電源和電機(jī)電源走線盡量寬。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)
五、速度檢測(cè)電路
因?yàn)椴捎贸善穯蜗?00線旋轉(zhuǎn)編碼器（轉(zhuǎn)一圈輸出200個(gè)矩形波，處理器根據(jù)這個(gè)原理可以實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能），測(cè)速電路相對(duì)簡(jiǎn)單。按照旋轉(zhuǎn)編碼器手冊(cè)，對(duì)照接口定義設(shè)計(jì)電路就行。
1.輸出端需要上拉3.3V，不上拉時(shí)輸出波形不是需要采集的矩形波。
2.編碼器采用5V電源供電時(shí)，輸入波形叫穩(wěn)定，適合微處理器進(jìn)行捕捉計(jì)數(shù)。
六、設(shè)計(jì)按鍵和顯示屏是為了方便調(diào)試和設(shè)置參數(shù)用，不做過(guò)多說(shuō)明。
1.按鍵一般需要上拉，但是考慮到K60處理器可以通過(guò)程序設(shè)置上拉，所以這里沒(méi)有上拉。
2. 顯示屏一般采用Nokia5110液晶，小巧輕便。
按鍵
LCD顯示屏
七、2路CCD傳感器電路
1.因?yàn)榻衲瓯荣愐?guī)則增加了“強(qiáng)制掉頭區(qū)”，車模要想順利通過(guò)“ 強(qiáng)制掉頭區(qū)”，有兩種方案：1).減速，慢速大轉(zhuǎn)向通過(guò)該區(qū)域；2).減速，并反向行駛出該區(qū)域，需要兩個(gè)CCD，正向行駛一個(gè)CCD，反向行駛一個(gè)CCD。
2.盡量采用FPC排線，減少信號(hào)干擾。 
CCD傳感器
八、具體的PCB線路設(shè)計(jì)過(guò)程不做太多的說(shuō)明，因?yàn)閷?shí)在不能用幾句簡(jiǎn)單的話來(lái)概括，需要學(xué)習(xí)的，可以去網(wǎng)上查閱相關(guān)資料。
制作的PCB效果
工廠生產(chǎn)出來(lái)的PCB效果
總結(jié)：
做電路硬件設(shè)計(jì)，先要查閱資料，設(shè)計(jì)出滿足功能的電路原理圖，其次需要親自動(dòng)手搭建電路，驗(yàn)證可行性，在繪制PCB板過(guò)程中，要細(xì)心，全身心投入，不然就會(huì)出現(xiàn)大的錯(cuò)誤，要真是等到板子到手了，才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，那就是幾百元不翼而飛了！不可能沒(méi)有錯(cuò)誤，但是我們應(yīng)該盡量避免犯錯(cuò)。多實(shí)踐，多動(dòng)手，多練習(xí)，多分享，多交流。這就是一個(gè)積累的過(guò)程，積累到一定程度，經(jīng)驗(yàn)就是你的一大資源。
小弟也是菜鳥，大神們請(qǐng)勿噴！
