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基于MC9S12XS128单片机智能寻迹小车的设计
作者：叶晓剑 张晓力 廉小亲 来源：《科技创新导报》2013年第14期
摘 要：本文给出了智能小车寻迹系统的软硬件方案设计和开发流程。采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为智能小车控制芯片，设计了电源、电机驱动、激光传感器以及测速等模块，小车的速度、转向控制采用PID控制方法，测试结果表明，小车能够平稳实现寻迹功能。
关键词：智能寻迹 电机驱动 激光传感器 PID控制
中图分类号：U26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0080-02 该文以飞思卡尔杯智能车大赛为研究背景，研究了智能寻迹小车的软硬件方案设计和开发流程。硬件电路方面采用飞思卡尔MC9S12XS128作为核心处理器，通过对比不同设计方案的性能，给出了智能小车电源、电机驱动、光电传感器以及测速等模块的设计方案并加以实现。通过大量的实验调试完成了智能车的组装与机械部分调整，使得智能车结构更为合理。在软件方面，主要设计了主程序、光电信号采集程序、PID控制程序、电机和舵机驱动程序等相关程序。实验及实际比赛结果表明，软硬件配合良好，整个车辆稳定运行[1][2]。 1 系统总体方案
智能车总体上分为单片机系统、传感器模块，电机驱动模块和显示模块。首先，单片机通过激光传感器实现对路面黑色中心位置信息的实时检测，同时对反馈回来的偏移中心轨道的大小的信息进行算法处理后发出方向控制命令，输出相应的驱动信号至电机驱动模块，同时编码器测速装置也在实时获取小车速度，利用PID控制方法控制舵机和直流电机，提高小车的稳定性。通过LCD显示器方便进行人机交互。系统总体框图如图1所示。 2 硬件电路设计 2.1 主控制器
小车控制芯片采用Freescale的MC9S12XS128单片机。MC9S12XS128是一款增强型16位单片机，在MC9S12XE系列基础上去掉XGate协处理器，采用CPU12X的v2内核，可运行在40MHz总线频率上，它不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域具有广泛的用途，而且在FLASH存储控制及加密方面也有很强的功能。 2.2 电源模块设计
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电源模块为小车的其它模块提供所需要的电源，设计中除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰等方面进行优化。全部硬件电路的电源由7.2V、2000mA/h的可充电镍镉蓄电池提供，电源系统分配如图2所示。 2.2.1 5V稳压电路设计
5V电压主要为单片机、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小。当电路产生干扰波动时可能会不满足此类芯片的使用，也可能会导致单片机的频繁复位，本系统必须选用LM2940低压差线性稳压芯片。LM2940稳压电路如图3所示。 2.2.2 6V稳压电路设计
6V电压为舵机提供工作电压。实际工作时，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定，为降低成本故采用了较为普通的LM7806稳压芯片，LM7806稳压电路如图4所示。 2.3 激光传感器电路
激光管的特性如同发光二极管，不同点在于激光管点亮时的电流较大，在30～50mA之间，因此必须加以驱动电路，这里设计9015三极管驱动电路，如图5（a）中所示。为了防止自然光的干扰，必须给激光加以调制。系统中采用了180kHz的调制管，激光调制电路如图5（b）所示，此时NPN三极管的B极受到180kHz的方波控制，结合图5（a）电路看，Y0为低电平时，激光管D0就会发射出180KHz频率的激光。智能车传感器部分采用了8个激光发射管，为了避免相邻的激光管间的干扰，系统设计了分时点亮电路。系统中选用3线8线译码器74LS138，该译码器可以控制8个发射单元，如果要控制更多的发射单元，可以考虑用4线16线译码器74LS156。使用译码器，可以减少单片机IO口的使用。分时点亮电路如图5（c）所示。激光接收电路中选取能够接收180KHz固定频率的接收管，系统中采用一对二的方式，即一个接收管对应两个激光管。为方便调试，接收电路中设计了一个LED指示灯。激光接收电路如图5（d）所示。 2.4 电机驱动电路设计
系统中设计的直流电机驱动为全桥模式，选用单片集成H桥的BTN7970大功率驱动芯片。考虑到智能车在弯道部分需要急停，因此需要实现电机的正反转，采用两片BTN7970驱动芯片，两片芯片分别用单片机的两路PWM信号来控制即可。直流电机驱动电路如图6所示。
3 软件设计
软件对于智能车来说至关重要。首先，通过路径识别模块获取前方赛道的信息，同时通过速度检测模块实时获取智能车的速度然后采用PID控制方法对舵机进行控制，根据检测到的速
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度，结合PID速度控制策略，对智能车速度不断进行恰当的控制调整，使智能车在符合比赛规则情况下沿赛道快速的前进。系统的软件结构如图7所示[3]。 5 结语
此方案在实际应用中容易实现，经过多次测试，结果表明在一定的弧度范围的赛道上，小车能够沿着黑线轨迹进行，达到预期目标，小车采用转向和速度PID控制，其速度控制足够精确和稳定能够实现急转和大弧度的拐弯。 参考文献
[1] 陆晓琳.基于PIC16F648的智能寻迹小车设计与实现[J].电测与仪表，2011，48（7）：65-68.DOI：10.3969/j.issn.1001-1390.2011.07.015.
[2] 刘交凤.智能寻迹小车[J].电子制作，2012（1）：45-47.
[3] 吴振宇，赵亮，冯林，等.基于分数阶PID控制器的智能车控制[J].控制工程， 2011，18（3）：401-404.DOI：10.3969/j.issn.1671-7848.2011.03.020.