飛思卡爾單片機(jī)在自動排爆車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

苑廣軍，孫繼元

(北華大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

針對吉林省大學(xué)生電子競賽G題——自動排爆車的要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由履帶式車體、電機(jī)控制模塊、視覺導(dǎo)航模塊、LCD液晶顯示模塊、語音播報(bào)模塊和紅外線檢測等模塊組成。攝像頭對可疑鐵磁物質(zhì)進(jìn)行檢測，并將信息發(fā)送給飛思卡爾單片機(jī)，單片機(jī)對此信息進(jìn)行分析處理，驅(qū)動直流電機(jī)運(yùn)動；采用CCD圖形識別技術(shù)，引導(dǎo)小車順利進(jìn)入現(xiàn)場，檢測到任意放置的可疑鐵磁材料薄片，并將其搬移到起點(diǎn)；同時將時間、小車運(yùn)行狀態(tài)等信息發(fā)送給LCD液晶顯示模塊及PC機(jī)顯示模塊，實(shí)時顯示自動排爆車的運(yùn)行狀況；語音播報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)語音提示。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

1 主要模塊硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制器模塊采用MC9SDG128飛思卡爾單片機(jī)和STC12C5410AD單片機(jī)；語音功能模塊采用凌陽單片機(jī)自帶的語音功能；液晶顯示模塊采用凌陽單片機(jī)和液晶顯示模組；紅外檢測模塊采用RPR220紅外檢測傳感器；無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊采用STC12C5410AD單片機(jī)和PTR8000+裝置。

1.1 主控單元

MC9S12DG128單片機(jī)是飛思卡爾公司推出的S12系列微控制器中的一款增強(qiáng)型16 bit的單片機(jī)。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括 SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等。本設(shè)計(jì)中選用MC9S12DG128的PWM單元產(chǎn)生2路8 bit的PWM波來驅(qū)動車體，用其片載 A/D對CCD攝像頭所攝取的影像進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。STC12C5410AD單片機(jī)將時間、小車運(yùn)行狀態(tài)等信息發(fā)送給LCD液晶顯示模塊，實(shí)時顯示自動排爆車的運(yùn)行狀況[1-2]。

1.2 鐵磁材料檢測模塊

由于鐵磁材料本身的顏色與賽道背景色差別較大，而且其特征與黑線特征區(qū)別較大，故采用CCD傳感器將材料與賽道背景和黑線區(qū)別開，即排爆車通過CCD對黑色線及鐵磁物質(zhì)進(jìn)行檢測來控制電機(jī)，使小車運(yùn)行滿足競賽要求。

該模塊采用CCD攝像頭對路面信息進(jìn)行采集，輸出標(biāo)準(zhǔn)的視頻復(fù)合信號，利用同步信號分離芯片LM1881和單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器可以對視頻信號進(jìn)行采樣，得到CCD圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過二值化處理可以得到黑色線軌跡在圖像上的點(diǎn)陣[3]。由相鄰兩個像素點(diǎn)的差值可以判定黑線及鐵磁物質(zhì)的位置。LM1881的端口接線方式如圖2所示。

1.3 鐵磁材料拾取模塊

鐵磁材料的拾取利用電磁鐵中線圈的鐵磁性來實(shí)現(xiàn)。拾取鐵磁材料電路如圖3所示，當(dāng)攝像頭檢測到鐵磁材料并進(jìn)入拾取的有效距離時，允許繼電器拾取該鐵磁材料。

1.4 無線通信模塊

本系統(tǒng)利用多片PTR8000+組成了無線通信網(wǎng)絡(luò)[4]，完成信息的無線采集和傳輸。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，鐵磁材料檢測單元將采集的信息通過無線方式實(shí)時地傳給排爆車。它將從鐵磁材料檢測單元獲得的信息、時間以及其他控制信號通過無線方式傳遞給顯示器和語音播報(bào)裝置。

1.5 直流電機(jī)驅(qū)動模塊

電動機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動電路采用集成電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886[5]。MCU產(chǎn)生的PWM通過IN腳輸入，以調(diào)節(jié)MC33886的OUT口輸出電壓，通過PWM的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.6 語音模塊

采用凌陽單片機(jī)的語音模塊對排爆車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行語音播報(bào)：“開始出發(fā)”，“進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)”，“發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)物”，“移除危險(xiǎn)物返回”，“返回成功”。由于篇幅有限，語音模塊及其他模塊(如電源模塊、顯示模塊等)，這里不再贅述。

2 軟件設(shè)計(jì)及流程

在本設(shè)計(jì)中，攝像頭需要根據(jù)采集的圖像信息來判斷測試區(qū)域的邊界線和需要排除的危險(xiǎn)物，主控單元根據(jù)攝像頭所采集的信息指揮排爆車在測試區(qū)域內(nèi)完成危險(xiǎn)物的尋找、提取等動作。主程序流程圖如圖4所示。

排爆小車?yán)肅CD攝像頭巡黑色引導(dǎo)線進(jìn)入現(xiàn)場，采用凌陽單片機(jī)進(jìn)行語音播報(bào)，同時顯示小車當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)小車進(jìn)入現(xiàn)場后，CCD攝像頭尋找任意放置的鐵磁材料并利用小車前排的繼電器的鐵磁性將其吸合，吸合后再尋找可行路徑將其搬移到起點(diǎn)。每種運(yùn)行狀態(tài)都有語音播報(bào)，并利用PTR8000+無線數(shù)據(jù)傳送功能，將小車運(yùn)行狀態(tài)及計(jì)時數(shù)據(jù)傳送到LCD進(jìn)行顯示，這樣便實(shí)現(xiàn)了小車的整個行駛過程，以達(dá)到排爆目的。

本控制系統(tǒng)采用履帶式車體為主要運(yùn)動單元，以飛思卡爾單片機(jī)和STC12C5410AD為主要控制核心，圓滿地完成了設(shè)計(jì)要求。在人機(jī)交互方面采用了LCD液晶顯示、語音播報(bào)和上位機(jī)顯示策略，進(jìn)一步增加了人機(jī)交流，提出了無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊。實(shí)踐證明了此模塊的正確性和可行性。

[1]唐永龍.基于單片機(jī)的AGV智能車的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（8）：143-147.

[2]卓晴.學(xué)做智能車-挑戰(zhàn)飛思卡爾杯[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007.

[3]楊桂林.基于 AT89S52的智能小車的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，7-2（26）：124-125.

[4]李磊.基于PTR8000的無線數(shù)傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2010（9）：28-30.

[5]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程(修訂版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.