基于MC9S12XS128單片機智能尋跡小車的設(shè)計

摘 要：本文給出了智能小車尋跡系統(tǒng)的軟硬件方案設(shè)計和開發(fā)流程。采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機作為智能小車控制芯片，設(shè)計了電源、電機驅(qū)動、激光傳感器以及測速等模塊，小車的速度、轉(zhuǎn)向控制采用PID控制方法，測試結(jié)果表明，小車能夠平穩(wěn)實現(xiàn)尋跡功能。

關(guān)鍵詞：智能尋跡 電機驅(qū)動 激光傳感器 PID控制

中圖分類號：U26文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0080-02

該文以飛思卡爾杯智能車大賽為研究背景，研究了智能尋跡小車的軟硬件方案設(shè)計和開發(fā)流程。硬件電路方面采用飛思卡爾MC9S12XS128作為核心處理器，通過對比不同設(shè)計方案的性能，給出了智能小車電源、電機驅(qū)動、光電傳感器以及測速等模塊的設(shè)計方案并加以實現(xiàn)。通過大量的實驗調(diào)試完成了智能車的組裝與機械部分調(diào)整，使得智能車結(jié)構(gòu)更為合理。在軟件方面，主要設(shè)計了主程序、光電信號采集程序、PID控制程序、電機和舵機驅(qū)動程序等相關(guān)程序。實驗及實際比賽結(jié)果表明，軟硬件配合良好，整個車輛穩(wěn)定運行[1][2]。

1 系統(tǒng)總體方案

智能車總體上分為單片機系統(tǒng)、傳感器模塊，電機驅(qū)動模塊和顯示模塊。首先，單片機通過激光傳感器實現(xiàn)對路面黑色中心位置信息的實時檢測，同時對反饋回來的偏移中心軌道的大小的信息進行算法處理后發(fā)出方向控制命令，輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號至電機驅(qū)動模塊，同時編碼器測速裝置也在實時獲取小車速度，利用PID控制方法控制舵機和直流電機，提高小車的穩(wěn)定性。通過LCD顯示器方便進行人機交互。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控制器

小車控制芯片采用Freescale的MC9S12XS128單片機。MC9S12XS128是一款增強型16位單片機，在MC9S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器，采用CPU12X的v2內(nèi)核，可運行在40MHz總線頻率上，它不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途，而且在FLASH存儲控制及加密方面也有很強的功能。

2.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊為小車的其它模塊提供所需要的電源，設(shè)計中除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾等方面進行優(yōu)化。全部硬件電路的電源由7.2V、2000mA/h的可充電鎳鎘蓄電池提供，電源系統(tǒng)分配如圖2所示。

2.2.1 5V穩(wěn)壓電路設(shè)計

5V電壓主要為單片機、信號調(diào)理電路以及部分接口電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小。當電路產(chǎn)生干擾波動時可能會不滿足此類芯片的使用，也可能會導(dǎo)致單片機的頻繁復(fù)位，本系統(tǒng)必須選用LM2940低壓差線性穩(wěn)壓芯片。LM2940穩(wěn)壓電路如圖3所示。

2.2.2 6V穩(wěn)壓電路設(shè)計

6V電壓為舵機提供工作電壓。實際工作時，舵機所需要的工作電流一般在幾十毫安左右，電壓無需十分穩(wěn)定，為降低成本故采用了較為普通的LM7806穩(wěn)壓芯片，LM7806穩(wěn)壓電路如圖4所示。

2.3 激光傳感器電路

激光管的特性如同發(fā)光二極管，不同點在于激光管點亮時的電流較大，在30～50mA之間，因此必須加以驅(qū)動電路，這里設(shè)計9015三極管驅(qū)動電路，如圖5（a）中所示。為了防止自然光的干擾，必須給激光加以調(diào)制。系統(tǒng)中采用了180kHz的調(diào)制管，激光調(diào)制電路如圖5（b）所示，此時NPN三極管的B極受到180kHz的方波控制，結(jié)合圖5（a）電路看，Y0為低電平時，激光管D0就會發(fā)射出180KHz頻率的激光。智能車傳感器部分采用了8個激光發(fā)射管，為了避免相鄰的激光管間的干擾，系統(tǒng)設(shè)計了分時點亮電路。系統(tǒng)中選用3線8線譯碼器74LS138，該譯碼器可以控制8個發(fā)射單元，如果要控制更多的發(fā)射單元，可以考慮用4線16線譯碼器74LS156。使用譯碼器，可以減少單片機IO口的使用。分時點亮電路如圖5（c）所示。激光接收電路中選取能夠接收180KHz固定頻率的接收管，系統(tǒng)中采用一對二的方式，即一個接收管對應(yīng)兩個激光管。為方便調(diào)試，接收電路中設(shè)計了一個LED指示燈。激光接收電路如圖5（d）所示。

2.4 電機驅(qū)動電路設(shè)計

系統(tǒng)中設(shè)計的直流電機驅(qū)動為全橋模式，選用單片集成H橋的BTN7970大功率驅(qū)動芯片。考慮到智能車在彎道部分需要急停，因此需要實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，采用兩片BTN7970驅(qū)動芯片，兩片芯片分別用單片機的兩路PWM信號來控制即可。直流電機驅(qū)動電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

軟件對于智能車來說至關(guān)重要。首先，通過路徑識別模塊獲取前方賽道的信息，同時通過速度檢測模塊實時獲取智能車的速度然后采用PID控制方法對舵機進行控制，根據(jù)檢測到的速度，結(jié)合PID速度控制策略，對智能車速度不斷進行恰當?shù)目刂普{(diào)整，使智能車在符合比賽規(guī)則情況下沿賽道快速的前進。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示[3]。

5 結(jié)語

此方案在實際應(yīng)用中容易實現(xiàn)，經(jīng)過多次測試，結(jié)果表明在一定的弧度范圍的賽道上，小車能夠沿著黑線軌跡進行，達到預(yù)期目標，小車采用轉(zhuǎn)向和速度PID控制，其速度控制足夠精確和穩(wěn)定能夠?qū)崿F(xiàn)急轉(zhuǎn)和大弧度的拐彎。

參考文獻

[1]陸曉琳.基于PIC16F648的智能尋跡小車設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表，2011，48（7）：65-68.DOI：10.3969/j.issn.1001-1390.2011.07.015.

[2]劉交鳳.智能尋跡小車[J].電子制作，2012（1）：45-47.

[3]吳振宇，趙亮，馮林，等.基于分數(shù)階PID控制器的智能車控制[J].控制工程， 2011，18（3）：401-404.DOI：10.3969/j.issn.1671-7848.2011.03.020.