基于單片機(jī)控制的飛思卡爾智能車開(kāi)發(fā)板硬件電路設(shè)計(jì)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u4939基于單片機(jī)控制的飛思卡爾智能車開(kāi)發(fā)板硬件電路設(shè)計(jì)案例分析 1229101.1電源穩(wěn)壓模塊 2218831.1.1調(diào)壓電路的設(shè)計(jì) 2111911.1.21.3V器件供電電路 4267801.2STC89C52的硬件最小系統(tǒng) 4226691.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 593531.1.11A120-1812直流電機(jī)硬件需求 5322801.1.2L298N驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介 6179421.1.3L298N構(gòu)建的H橋驅(qū)動(dòng)電路 721861.4串口通信接口 7智能車硬件系統(tǒng)有電源穩(wěn)壓塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外傳感器。為了方便智能車程序調(diào)試，本次智能車使用串口轉(zhuǎn)USB，方便把調(diào)試過(guò)后的程序燒錄于智能車中。智能車系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。圖1.1智能車系統(tǒng)框圖1.1電源穩(wěn)壓模塊本次智能車考慮到更換電池的方便，使用額定電壓為7.4V，共兩節(jié)18650電池，以此完成對(duì)整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的供電使用。雖然外部供電電壓為7.4V，但是根據(jù)智能車開(kāi)發(fā)板元器件及運(yùn)行系統(tǒng)的額定電壓要求，供電電壓必須為1.3V或者4.8V的穩(wěn)定電壓。所以為了達(dá)到智能汽車的額定電壓要求，還需要選用電源轉(zhuǎn)換器或者LDO芯片來(lái)完成電壓轉(zhuǎn)換，達(dá)到降壓、穩(wěn)壓的技術(shù)要求。本文考慮到設(shè)計(jì)成本，供電損耗以及電壓供電的穩(wěn)定性都多方面因素，選擇LDO芯片作為電壓轉(zhuǎn)換與降壓、穩(wěn)壓的技術(shù)方案，并分別選擇LM393和AMS117-5V兩種穩(wěn)壓芯片。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)供電方案圖如圖1.2所示。圖1.2系統(tǒng)供電方案1.1.1調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)本文采用LM393和AMS117-5V兩種穩(wěn)壓芯片所設(shè)計(jì)的智能車控制系統(tǒng)供電方案具體步驟如下[8]。（1）首先為了達(dá)到降壓、穩(wěn)壓的技術(shù)要求，要在電路系統(tǒng)中加入R2、R3兩個(gè)電阻，以確保輸出電壓達(dá)到5.5V。輸出電壓計(jì)算公式為：Vout=VREF1+R3功率電感L2的選取。a.計(jì)算電感電壓與微妙的乘積：E?T=VIN?VOUT公式（1.1）中VSAT為內(nèi)部開(kāi)關(guān)飽和電壓，為固定值1.16V；VE?T=7.2?5.5?1.16?5.5+0.57.2?1.16+0.5?1000b.根據(jù)圖1.3，應(yīng)該在L25區(qū)。圖1.3屏蔽電感選擇L25區(qū)根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)查表選用15μH的屏蔽電感。前饋電容C8和輸出電容C9的選擇。C8=131×103×R根據(jù)公式（1.3）計(jì)算結(jié)果選取1.3nF的貼片內(nèi)容，查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)還可以確定輸出電容C9為220μF/10V，為了濾除高頻噪聲，輸出電容還并并聯(lián)了0.1μF的電容C10。輸入電容C10、C13的選擇。輸入電容需要考慮兩方面技術(shù)因素，一要考慮輸入電容的耐壓值；二要考慮輸入電容電流的技術(shù)參數(shù)，查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)可持，輸入電容電流的均方根要達(dá)到負(fù)載電流的一半，也就是400mA。由于智能車供電的外部電壓為7.2V，對(duì)應(yīng)的電容耐壓為25V，基于這兩個(gè)技術(shù)參數(shù)參照?qǐng)D1.4來(lái)選擇輸入電容，可以選擇470μF/25V。圖1.4輸入電容選擇1.1.21.3V器件供電電路開(kāi)發(fā)板由于會(huì)配備一些功能模塊，比如OLED亮屏模塊、無(wú)線模塊以及藍(lán)牙收發(fā)模塊等（這三個(gè)模塊本文設(shè)計(jì)中不體現(xiàn)），這三個(gè)功能模塊的使用供給電壓為1.3V。因此為滿足開(kāi)發(fā)板各功能模塊的供電使用，需為其提供處于0～50mA的穩(wěn)定輸出電流，起到低功耗、高效率的供電要求?；谶@一考慮，本文選擇AMS1117對(duì)接5V電壓的輸入方案。AMS1117芯片不僅功耗低，而且供電電壓相對(duì)穩(wěn)定，輸出電壓精度能夠控制在±1%以內(nèi)，輸出電流滿足開(kāi)發(fā)板各功能模塊的供電使用要求，同時(shí)具有限流、過(guò)熱切斷的功能[9]。1.2STC89C52的硬件最小系統(tǒng)微控制器的硬件最小系統(tǒng)是指能使燒入單片機(jī)內(nèi)部的程序能夠順利執(zhí)行所需的外圍電路，一般還包括寫(xiě)入器的接口電路。本文STC89C52的硬件最小系統(tǒng)如圖1.3所示。圖1.5STC89C52最小系統(tǒng)本系統(tǒng)選用了51系列單片機(jī)中的STC89C52RC單片機(jī)，STC89C52RC低功耗、高性能是本單片機(jī)的特性，具有8K系統(tǒng)并有可編程Flash存儲(chǔ)器。PCB布局和走線關(guān)系到MCU是否能夠良好地運(yùn)行，對(duì)于硬件最小系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PCB布局和走線有幾個(gè)要點(diǎn)需要注意[10]：（1）系統(tǒng)中涉及到的濾波電容、去耦電容在技術(shù)安裝方面要盡量靠近其相應(yīng)管腳。（2）晶振電路盡可能靠近XTAL1和XTAL2引腳，旁路電容對(duì)稱擺放，切忌在晶振底部或附近走高頻信號(hào)線；（3）電源供給點(diǎn)應(yīng)該設(shè)定在VDDA或VSSA引腳處；（4）復(fù)位走線盡可能短。1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1.1.11A120-1812直流電機(jī)硬件需求本文設(shè)計(jì)的智能車主要采用1A120-1812直流電機(jī)為四輪驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)方案需要對(duì)直流電機(jī)的硬件需求進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的分析，其對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)列表如1.2所示：表1.21A120-1812電機(jī)參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)據(jù)額定電壓3V6V電流180mA250mA扭矩0.45kg/cm0.85kg/cm轉(zhuǎn)速45r/min90r/min如上表所示，為了保證1A120-1812直流電機(jī)的四輪驅(qū)動(dòng)功能，達(dá)到技術(shù)方面的硬件需求，最大化的發(fā)揮驅(qū)動(dòng)效率，需要為直流電機(jī)搭建一個(gè)大功率的H橋驅(qū)動(dòng)電路。因此方案中可以采用德州儀器公司推出的四路高電流半H驅(qū)動(dòng)器L298N來(lái)搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路，但這種控制方式采用的元器件體積較大，存在一定的技術(shù)安裝難度，需要特別注意；同時(shí)，方案中還要注意，由于分立器件技術(shù)特定存在一定差異，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)可能呈現(xiàn)一定的離散性。1.1.2L298N驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介L(zhǎng)298N驅(qū)動(dòng)模塊，采用SMT工藝，高質(zhì)量鋁電解，其特點(diǎn)是電容穩(wěn)定性高，電路工作穩(wěn)定。它可以直接驅(qū)動(dòng)兩路3~35V直流電機(jī)，并提供了5V輸出接口（輸入最低只要6V），可以給5V單片機(jī)電路系統(tǒng)供電，支持1.3VMCUARM控制，控制直流電機(jī)的速度和方向極為方便，也可以控制二相步進(jìn)電機(jī)。其電路圖如圖1.6所示[11]。圖1.6L298N電路圖1.1.3L298N構(gòu)建的H橋驅(qū)動(dòng)電路由L298N構(gòu)建的H橋示意圖如圖1.5所示。圖1.7L298N搭建的H橋電路L298N搭建的H橋控制方法如表1.3所示。表1.3L293D搭建的H橋控制方法ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同IN1(IN3)剎車LXX停止當(dāng)IN1(IN3)為高電平IN2(IN4)為低電平時(shí)電機(jī)將正轉(zhuǎn)，當(dāng)IN2(IN4)為高電平IN1(IN3)為低電平時(shí)電機(jī)將反轉(zhuǎn)，當(dāng)四個(gè)口都為高電平或都為低電平時(shí)，為剎車狀態(tài)，若四個(gè)口都無(wú)電壓時(shí)，電機(jī)停止。1.4串口通信接口智能車在程序開(kāi)發(fā)調(diào)試階段，需要單片機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互來(lái)進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，本文開(kāi)發(fā)板使用了串口轉(zhuǎn)USB，主板TXD、RXD、GND分別接下載模塊RXD、TXD、GND；VCC接口不需要接。有線通信方式可以分別實(shí)現(xiàn)智能車的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試。具體接線如圖1.7所示。圖1.8串口通信接線實(shí)物圖1.4.1串口轉(zhuǎn)USB電路由于本文設(shè)計(jì)方案是嵌入式系統(tǒng)，因此需要采用USB接口，以次來(lái)保證嵌入式系統(tǒng)與上位機(jī)之間的信息能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的傳遞，同時(shí)保證信息傳遞的安全性。目前市場(chǎng)上各種型號(hào)的單片機(jī)其內(nèi)部集成有USB模塊，但并沒(méi)有配備對(duì)應(yīng)的USB接口，因此本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要通過(guò)外圍電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB的通信形式。關(guān)于串口的選擇主要有PL230和CH340G兩種，雖然這兩個(gè)串口在技術(shù)功能上不存在顯著差異，都能夠