基于飛思卡爾KL26單片機的電磁循跡智能車設計

奚曉娜　趙康　唐慧娟　張雄雄

摘要：本文介紹了飛思卡爾電磁循跡智能車的設計成果。智能車控制器使用飛思卡爾MKL262256VLL4微控制器為主控制單元，程序編寫使用IAR編程軟件實現單片機的程序編寫，硬件設計使用Altium Designer軟件實現智能車硬件原理圖設計與PCB設計。文章中主要闡述了智能車硬件設計中單片機型號的選型，電磁傳感器、測速、起跑線檢測、路障檢測、人機交互和系統供電等競賽方案的選擇。

關鍵詞：智能循跡；MKL262256VLL4單片機；硬件設計；競賽方案

1 前言

近些年，隨著人們生活水平的不斷提高、人們對于自動化技術要求也不斷提高。汽車普及開來，交通擁堵和交通事故問題日益嚴重。另外，21世紀初，人工智能、控制科學、車輛工程、傳感器技術等領域快速發展。

2 智能車總體設計

電磁循跡智能車硬件設計中包括控制整個系統的微控制器、智能車循跡用的電磁傳感器、智能車速度反饋用的測速傳感器、起跑線檢測傳感器、路障檢測傳感器、人機交互和系統供電等競賽方案的選擇。總體流程圖如圖1所示。

3 智能車具體方案選擇

智能車所有的模塊中，微控制器為核心，是智能車的靈魂，負責接收各個傳感器返回的信號并對其進行處理，利用智能車處理算法控制直流電機和舵機配合起來工作。智能車競賽中以往應用較多的如32位K60系列、16位單片機XS128系列。由于K60系列性價比較高，因而成為很多智能車愛好者首選芯片。XS128系列價格則與KL26相差不大，但KL26單片機性能相比XS128強大很多，往往標準頻率48 MHz，超頻能力可達110MHz。在此選擇KL26系列微控制器中的MKL262256VLL4。

直流電機是通過PWM脈寬調壓實現調速。因為直流電機需要加速和制動，故直流電機兩端需要能加載正、負電壓，常用的電路是H橋電路。H橋電路由四支N溝道功率MOSFET通過合理的關斷控制，形成不同的組合狀態來驅動直流電機，其額定工作電流可以達到100A以上。相比一個半橋、大電流、高集成的BTS7960電機驅動芯片，直接使用MOS驅動電流大大增加。

目前較為成熟的智能小車的測速方案有測速碼盤與光電旋轉編碼器。測速碼盤質量小、價格低、精度低，目前常用的都為100線。對于智能車競賽來說精度不足就會導致測速不準。光電旋轉編碼器價格高、質量略大、精度高，一般都在200線以上。因此，測速方案選擇使用光電旋轉編碼器。光電旋轉編碼器是利用光電轉換原理制作而成，并輸出A，B和Z相3組方波信號。A，B相信號先通過上拉，以獲得輸出波形較穩定的信號，然后連接到KL26單片機的FTM接口，并通過正交解碼方式即可獲得當前速度信息。

由于賽道中心線產生的是20 kHz導航信號，為檢測出賽道上的磁信號，在選頻電路的選擇上，采取LC并聯諧振電路。諧振電路返回的信號電壓很小，需要使用運算放大器對信號進行放大，芯片選型上選擇NE5532。NE5532在20世紀90年代初的音響界被發燒友們譽為“運放之皇”，至今仍是很多音響發燒友手中必備的運放之一。它是高性能低噪聲雙運算放大器（雙運放）集成電路。它具有更好的噪聲性能，優良的輸出驅動能力及相當高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。用它實現信號放大有很好的效果。

人機交互部分，增加按鍵、撥碼開關用于設置預定參數值，方便對策略進行調整；使用體積小、重量輕、可顯示字符多的諾基亞5110液晶，顯示狀態便于調試；使用藍牙模塊用來返回傳感器的數值再通過電腦端上位機完成對智能車進行調試。

起跑線部分由于賽道下放有磁鐵，所以采用干簧管檢測起跑線，當智能車通過起跑線時，干簧管由于賽道下磁鐵的作用吸合，單片機通過電平變化檢測起跑線。

電源部分由于智能車電池采用額定電壓為7.2 V的鎘鎳電池，充滿電狀態可達到8.5 V，單片機、編碼器等模塊額定電壓電壓為5 V，舵機額定電壓為6 V，有時為了提高舵機擺動速度與力量，往往將舵機電壓提高。在查詢一些資料后，選擇三端固定式穩壓器LM2940芯片提供5 V電源，為了確保單片機能有一個穩定的電源環境單片機獨立芯片進行供電。舵機供電采用AMS1117-ADJ芯片，通過電位器調節舵機電壓。智能車詳細方案圖如圖2所示。