基于MC9S12XS128單片機智能尋跡小車的設計

摘 要：本文給出了智能小車尋跡系統的軟硬件方案設計和開發流程。采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機作為智能小車控制芯片，設計了電源、電機驅動、激光傳感器以及測速等模塊，小車的速度、轉向控制采用PID控制方法，測試結果表明，小車能夠平穩實現尋跡功能。

關鍵詞：智能尋跡 電機驅動 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計和開發流程。硬件電路方面采用飛思卡爾MC9S12XS128作為核心處理器，通過對比不同設計方案的性能，給出了智能小車電源、電機驅動、光電傳感器以及測速等模塊的設計方案并加以實現。通過大量的實驗調試完成了智能車的組裝與機械部分調整，使得智能車結構更為合理。在軟件方面，主要設計了主程序、光電信號采集程序、PID控制程序、電機和舵機驅動程序等相關程序。實驗及實際比賽結果表明，軟硬件配合良好，整個車輛穩定運行[1][2]。

1 系統總體方案

智能車總體上分為單片機系統、傳感器模塊，電機驅動模塊和顯示模塊。首先，單片機通過激光傳感器實現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出方向控制命令，輸出相應的驅動信號至電機驅動模塊，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，提高小車的穩定性。通過LCD顯示器方便進行人機交互。系統總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

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系列基礎上去掉XGate協處理器，采用CPU12X的v2內核，可運行在40MHz總線頻率上，它不僅在汽車電子、工業控制、中高檔機電產品等應用領域具有廣泛的用途，而且在FLASH存儲控制及加密方面也有很強的功能。

2.2 電源模塊設計

電源模塊為小車的其它模塊提供所需要的電源，設計中除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數之外，還要在電源轉換效率、降低噪聲、防止干擾等方面進行優化。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，電源系統分配如圖2所示。

2.2.1 5V穩壓電路設計

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

2.2.2 6V穩壓電路設計

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，電壓無需十分穩定，為降低成本故采用了較為普通的LM7806穩壓芯片，LM7806穩壓電路如圖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，因此必須加以驅動電路，這里設計9015三極管驅動電路，如圖5（a）中所示。為了防止自然光的干擾，必須給激光加以調制。系統中采用了180kHz的調制管，激光調制電路如圖5（b）所示，此時NPN三極管的B極受到180kHz的方波控制，結合圖5（a）電路看，Y0為低電平時，激光管D0就會發射出180KHz頻率的激光。智能車傳感器部分采用了8個激光發射管，為了避免相鄰的激光管間的干擾，系統設計了分時點亮電路。系統中選用3線8線譯碼器74LS138，該譯碼器可以控制8個發射單元，如果要控制更多的發射單元，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，系統中采用一對二的方式，即一個接收管對應兩個激光管。為方便調試，接收電路中設計了一個LED指示燈。激光接收電路如圖5（d）所示。

2.4 電機驅動電路設計

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

3 軟件設計

軟件對于智能車來說至關重要。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，根據檢測到的速度，結合PID速度控制策略，對智能車速度不斷進行恰當的控制調整，使智能車在符合比賽規則情況下沿賽道快速的前進。系統的軟件結構如圖7所示[3]。

5 結語

此方案在實際應用中容易實現，經過多次測試，結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，達到預期目標，小車采用轉向和速度PID控制，其速度控制足夠精確和穩定能夠實現急轉和大弧度的拐彎。

參考文獻

[1]陸曉琳.基于PIC16F648的智能尋跡小車設計與實現[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.