基于MC9S12XS128的電磁智能小車的硬件設(shè)計

高海沙，丁曉慧

(商丘學(xué)院，河南 商丘 476000)

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基于MC9S12XS128的電磁智能小車的硬件設(shè)計

高海沙，丁曉慧

(商丘學(xué)院，河南 商丘 476000)

若要實現(xiàn)小車的直立行走，應(yīng)該構(gòu)建良好的硬件平臺。本文按照電磁車體系結(jié)構(gòu)，簡單介紹了智能小車的硬件設(shè)計模塊，主要包括電源、核心控制、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和人機接口等部分。各部分相互協(xié)調(diào)，最終使小車能夠在最短的時間內(nèi)沿著規(guī)定的軌跡快速穩(wěn)定地運行。

MC9S12XS128單片機；傳感器；電機

0 引言

圖1 整體框架圖

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展[1]，能夠自動進(jìn)行識別軌跡的智能小車得到了廣泛的應(yīng)用[2]。本文設(shè)計了這樣一種智能循跡小車，該智能車通過對道路傳感器和加速度傳感器、陀螺儀所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)車模驅(qū)動輪上兩個編碼器所采集的數(shù)據(jù)，來判斷小車底盤的傾角、角加速度和小車的方位、速度、轉(zhuǎn)向角度等，進(jìn)而控制小車底盤的擺角和兩個驅(qū)動電機的速度，使小車在最短的時間內(nèi)穩(wěn)定、快速運行。本文采用控制器 MC9S12XS128 作為系統(tǒng)的唯一核心控制單元，并進(jìn)行信號采樣、處理、傳輸數(shù)據(jù)等動作，以及產(chǎn)生 PWM 波控制電機的運轉(zhuǎn)。

1 系統(tǒng)硬件整體框架

電磁車體系整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，大致包括五個部分。

1.1 電源部分

向各部分提供電能，包括7.2 V電池和簡單實用的穩(wěn)壓電路。

1.2 核心控制部分

核心控制部分主體是飛思卡爾公司的16位單片機MC9S12XS128，包含核心控制電路板。通過分析傳感器數(shù)據(jù)，提取賽道和小車自身信息，運行控制算法，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出動作信號，控制賽車沿賽道行駛[3]。

1.3 傳感器部分

通過感知外部世界的環(huán)境信息和車模自身的狀態(tài)信息，使小車完成賽道的檢測并獲得控制數(shù)據(jù)，從而使得各部分能夠協(xié)調(diào)工作。傳感器模塊包括兩個陀螺儀和一個加速度。

1.4 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行動作信號，實現(xiàn)車的直立、前進(jìn)、變速和轉(zhuǎn)向。執(zhí)行機構(gòu)包括電機驅(qū)動、電機。

1.5 人機接口

實現(xiàn)模式和參數(shù)選擇、狀態(tài)指示、實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)傳輸與存儲等人機交互功能，包括撥碼開關(guān)、ZigBee無線模塊、LED狀態(tài)燈等。

2 各部分外圍電路的設(shè)計

2.1 電源部分

圖2 電源分配圖

電磁車的電機需要7.2 V或者較高的電壓，其他部分需要5 V的電壓，由于該車模的電池提供7.2 V～8 V的電壓，因此只需要一片性能穩(wěn)定的穩(wěn)壓芯片即可。電源分配圖如圖2所示。2.2 核心控制部分

核心控制部分由單片機MC9S12XS128最小系統(tǒng)板和核心控制電路板組成。核心控制部分是關(guān)鍵。其中的單片機最小系統(tǒng)板MC9S12XS128主要包括時鐘、旁路電容、電源接口、燒錄和調(diào)試接口、I/O接口。

2.3 傳感器部分

通過感知外部世界的環(huán)境信息和車模自身的狀態(tài)信息，為小車完成賽道的檢測與跟蹤以及實現(xiàn)小車的直立運動控制提供所需的信息。傳感器部分包括電磁傳感器、角度傳感器、速度傳感器三個模塊。其中，角速傳感器用于測量小車底盤的傾角和加速度，而速度傳感器用于感知車模車身本身的行駛速度，是速度閉環(huán)控制的一個必須環(huán)節(jié)。電磁車使用500線的歐姆龍光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車尾與傳動齒輪嚙合。

2.4 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)主要包括電機驅(qū)動、電機。車模原裝配件中包括兩個電機，電機驅(qū)動電路制作在核心控制板上，單片機輸出的PWM信號通過電機驅(qū)動控制電機的轉(zhuǎn)速；電機驅(qū)動使用H全橋電路，兩路H全橋電路驅(qū)動兩路電機。如下圖3所示為H全橋電路原理圖。

圖3 H全橋電路原理圖

2.5 人機接口

人機接口主要用于單片機與調(diào)試者之間的交互，4位撥碼開關(guān)可以用于調(diào)整速度和相關(guān)參數(shù)，8位LED用于顯示當(dāng)前車速狀態(tài)，無線模塊用于實時傳輸數(shù)據(jù)[4]。

3 結(jié)束語

本文介紹了智能循跡小車硬件系統(tǒng)各個模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了電磁車的基本功能，但是要想進(jìn)一步提高電磁車的速度，在機械設(shè)計部分還需要注意很多細(xì)節(jié)，比如必須降低小車的重心，在小車直立行走穩(wěn)定性很高的情況下才能通過優(yōu)化軟件算法來最大限度地提升小車的速度。

[1] 卓晴，黃開勝，邵貝貝．學(xué)做智能車——挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京：北京航空航天出版社，2007.

[2] 譚浩強.C語言程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3] 王威.HCS12微控制器原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4] 韓彩霞.單片機并行I/O口的擴展方法[J].微型機與應(yīng)用,2013,32(24):28-30.

The hardware design of the intelligent electromagnetic car based on the MC9S12XS128

Gao Haisha ,Ding Xiaohui

(Shangqiu University,Shangqiu,476000,China)

As everybody knows that it should create a good hardware platform before the car can go standly. This article introduces the hardware design modules of the intelligent car which includes the power, the core controller, the sensors, the executing agency , the HMI and so on. All of the modules should be coherent with another so that the intelligent car can go fast and stablely along the set track using the shortest time.

MC9S12XS128; sensors; electrical machine

圖10 指令解析響應(yīng)模塊仿真時序圖

TN9

A

1674-7720(2016)07- 0028- 02

高海沙，丁曉慧. 基于MC9S12XS128的電磁智能小車的硬件設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(7)：28-29.

2015-12-08)

高海沙(1989-)，通信作者，女，碩士，主要研究方向：計算機測量與控制。E-mail:675984530@qq.com。

丁曉慧(1986-),女，碩士，主要研究方向：認(rèn)知無線電。