基于STC8A微控制器的节能车模系统*

作者：杨丰硕,钱靖宇,王浩(哈尔滨工业大学,哈尔滨 150006)时间：2022-04-11来源：电子产品世界收藏

编者按：本设计以“第十五届全国大学生智能汽车竞赛”为背景，结合3D打印与激光切割技术，制作一辆以STC8A微控制器作为核心控制单元的节能直立车模。以Keil为开发环境，利用电感获取赛道信息，解决弯道、坡道、环岛等特殊赛道元素，并沿着赛道以适合的速度运行。该智能车系统显示了高度的智能化、人性化，并且具备良好的安全性、稳定性，可以为无人驾驶汽车及环保个人交通工具的后续研究提供经验。

*节选自《第十五届全国大学生智能汽车邀请赛技术报告》的“紫丁香四队”《无线节能组技术报告》。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202204/432929.htm

指导教师：齐超，王盼宝；带队教师：张依。

1 车模主要技术参数

智能车主要技术参数包括物理尺寸、电路指标等，具体参数见表 1，智能车实物图见图1。

2 无线充电接收电路设计

为了实现对充电的控制，利用半桥电路通过调节PWM 信号，来实现对充电部分的控制。电路图如图2所示，采用BTN7971 集成半桥，实现对输出电压的控制。

图1 智能车实物

系统电源的来源由线圈接收的电压经过全桥整流滤波后，得到约24 V 的直流电压，利用LM2596 得到5 V，给微控制器提供工作电压^[1-3]，从而产生控制信号。

2.1 无线充电控制设计

通过反馈控制，达到充电功率恒定。方法是首先能够对于充电功率进行测量，然后根据实际的充电功率与功率设定值进行比较，利用误差信号，通过PID 控制算法，改变PWM 占空比，进而改变充电功率，使其达到与功率设定值相同并保持稳定。其中功率测量部分，利用AD8217 对通过采样电阻的电压进行放大，从而将电流信号转为电压信号，利用分压电阻将电压降到微控制器的采样范围内，再利用微控制器的A/D 转换完成对电压的采样，在程序里经过还原，即可得到相应的电流值与电压值。

图2 无线充电控制部分原理图

3 硬件电路的设计

智能车电路部分主要的模块包括：充电模块、电源模块、传感器模块、驱动模块以及其他周边调试模块。各模块的总体设计原则是：节能，紧凑，易于拆换，稳定可靠。但根据各模块的不同，又有不同的设计要求。

3.1 电源模块设计

由于是由超级电容供电，所以电源模块的设计显得至关重要，电源的首要指标是可靠性，整个硬件系统的工作完全由电源供电的可靠性决定，电源供电的不稳定性会引起损耗、微控制器复位、舵机及传感器损毁等严重问题；另外，与传统的电池供电不同，超级电容在供电过程中存在电压降低的问题，所以，在接入电路时，还要有稳压的模块。

电源设计中主要考虑到需要的电压和电流，另外还用LED 灯显示电池电压，便于直观发现电池电量是否正常。我们需要的电源包括3.3 V，5 V，-5 V，10 V 等。根据规划，5 V 供电我们选择了TPS63070 开关电源芯片，对于这款芯片，其输入范围为2~16 V，而输出可调，并且输出电流可以达到2 A，足以满足微控制器、传感器、外围电路，以及我们选的银燕舵机正常工作所需要的电流。设计原理图如图3 所示。

图3 电源电路

3.2 驱动电路设计

驱动电路为智能车驱动电机提供控制和驱动^[4-6]，这部分电路的设计要求以能够通过大电流为主要指标。驱动电路的基本原理是 H 桥驱动原理，目前流行的H桥驱动电路有：H 桥集成电路，如MC33886；集成半桥电路，如BTN7971 等；MOS 管搭建的H 桥电路。

对于节能组，为了选出一个低功耗的驱动方案，我们对比三种电路都进行了搭建并测试，MC33886 的优点是电路简单，外围元件少，但缺点是内阻较大，通过电流有限，可以通过两片MC33886 并联方式进行改善；IR2104 ＋ MOS 管搭建的H 桥电路可以通过较大电流，但由于每个MOS 管体积较大，因此电路板面积较大；BTN7971 是集成半桥电路，电路简单，只需要简单的几个外围电阻，缺点是输入电压要高于7 V 才能正常工作，但是对于超级电容的宽输入范围的电压，我们可以采用TPS63070 进行升压，给予其足够工作的电压。对比三种方案，我们选择了BTN7971 作为驱动电路，图4 是电路原理图。

图4 驱动电路

4 方向控制的理论分析

PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。将偏差的比例(P)、积分(I) 和微分(D) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器，原理框图如图5 所示。

运用PID 控制的关键是调整KP、KI、KD 三个参数，即参数整定。PID 参数的整定方法有两大类：①理论计算整定法。主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数；②工程整定方法。主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。由于智能车系统是机电高耦合的分布式系统，并且要考虑赛道的具体环境，要建立精确的智能车运动控制数学模型有一定难度，而且我们对车身机械结构经常进行修正，模型参数变化较为频繁，理论计算整定法可操作性不强，最终我们采用了工程整定的方法。

参考文献：

[1] 华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.

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[4] 卓晴,黄开胜,邵贝贝,等.学做智能车[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[5] 潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京:高等教育出版社,2001.

[6] 何立民.微控制器应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1997.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年1月期）