基于MC9S12XS128单片机的循双线智能小车系统设计

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摘要 ：文章主要介绍一种新型的循双线智能小车系统的设计方案，阐述了智能小车总体设计方案的选定以及设计思路，重点针对硬件电路，包括主板、传感器的设计和软件设计进行了分析，通过实验调试，小车最终可以达到循双线智能的效果。

关键词：mc9s12xs128单片机；智能小车；传感器；循双线

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）18-0010-02

1 概述

智能车的制作是大学生锻炼动手能力、掌握课程知识和培养专业兴趣的一种很好的方式。竞赛方为了增加竞赛的趣味性与挑战性，比赛有了更新颖的方式。即：把小车由传统的循单线改为循双线，这加大了设计与调试的难度。本文针对2012年全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车大赛中光电组智能小车的制作，分析新规则下，如何设计系统的硬件、软件来完成循双线的效果。

2 系统总体设计方案

遵照组委会制定的竞赛规定，智能小车系统采用飞思卡尔的MC9S12XS128单片机作为核心控制单元。赛车的位置用光电传感器来采集，经单片机的I/O 口接收，由单片机处理后对赛车的运动过程进行控制。同时内部ECT模块发出PWM波，驱动直流电机对智能小车进行加速和减速控制，用舵机对赛车进行转向控制。在智能车电机输出轴上装上编码器，测量速度，达到对速度的采集和闭环控制。此外，还增加了功能选择按键作为智能车的工作方式的快速切换和显示屏用于显示信息。系统总体结构方框图如图1所示：

3 硬件电路设计方案

可靠的硬件设计是小车可以跑起来的必要条件。本次硬件电路主要是完成车身的机械组装、主板的设计以及传感器和旋转编码器的设计安装等。

3.1 主板设计

主板的设计任务主要是完成电路的电源模块、单片机电路、电机驱动电路、液晶模块电路等的设计。主板是小车的主体，需要合理且优化的设计才能让小车具有良好的性能。（1）电源模块。电源模块主要对电源进行管理，由于配套的电池是7.8V的，而采用的编码器、液晶、传感器等都是低于这一电压的，因此对电源进行处理是保证系统正常运行的重要因素。用LM7805将蓄电池的7.8V稳压到5V，供给单片机、激光传感器以及旋转编码器，再利用LM1117给液晶显示屏供3.3V的工作电压，这样就可以对电源进行分配与管理。（2）电机驱动。电机是带动后轮转动的装置，是智能小车的动力源。电机的驱动电路通常使用H桥式电路。典型的有MC33886、桥式驱动器TD340搭建H桥电路。本次设计选用成本相对低的MOS管IRF9540和IRF540与CMOS和非门芯片CD4011BE组成的H桥驱动电路。（3）其他。单片机电路的设计主要有电源、复位电路、振荡电路以及相关的保护电路的设计，与其他单片机电路没有太大差别，这里不累赘叙述。再次是液晶显示器的连接与安装，液晶显示器主要是用于显示所需信息，因此只要将液晶的对应引脚接上电源、地以及单片机的端口VDDF、PT3、PT4、PT5等即可。

3.2 传感器设计及安装

传感器是智能车的“眼睛”，是小车实现路径识别的关键器件。由于激光传感器性能稳定且灵敏，是光电智能车设计的首选。激光传感器由发射管和接收管组成，工作的时候，发射管发射激光，经过赛道物理面的反射由接收管接收，接收管将信号转换成电信号送给单片机。由于赛道分为黑白两色，激光传感器对颜色敏感，当检测到不同颜色时， 接收管会处于两个不同状态，表现为高低电平脉冲，单片机根据传感器搜集的路径情况，调节PWM的占空比来控制舵机的转向和电机的速度，达到控制目的。本设计中，使用两排“一字型”的传感器，各带有四个一对二（一个接收管对应两个发射管）的传感器。将激光架在车身上方，可以“看得更远”，赛道信息更丰富。传感器的距离设定在白色跑道内，当左边的传感器扫到黑线时，小车向右转，右边的传感器扫到黑线时，就左转。并且从外向内，越是靠近中间的接收管接收到变化，舵机的转向改变应该越大。

3.3 其他

硬件电路还有许多需要设计的，机身的机械组装主要是利用组委会规定车模，进行组装，并且对主销、前束、后轮距以及底盘高度进行调整，这里不多介绍。旋转编码器的安装主要是将编码器的齿轮与后轮杆上的齿轮相啮合，当电动机转动时，带动连杆与齿轮同速转动。编码器在不同的转速下，内部将产生不同频率的脉冲，送至单片机后就可以对速度进行测试并控制。

4 系统软件设计

智能小车系统的控制中心就是单片机MC9S12XS128，主要对速度传感器（旋转编码器）和位置传感器（激光传感器）采集到的信息进行处理分析，进而发出对电机和舵机的控制命令，实现对小车整体速度和转向的控制。软件设计的思路就是围绕这两点来进行的。系统通过在主程序中循环调用信号检测、信号处理、路径判断等等子功能模块，进行路径的识别，当检测到终点线的时候，小车停下来，若没有，就一直循环上面的步骤。这样小车就可以达到智能识别双线路径的控制效果。具体的软件设计流程图3所示：

5 结语

智能车的设计与制作是一项非常有趣味的实践，本文主要分析了一种新型的循双线智能车的制作方案，只重点对其硬件设计和软件设计做了详细的叙述。当然，智能车的设计制作所囊括的内容还很多，比如机械的设计、控制模块的设计和路径算法等。通过设计制作，小车可以自主识别赛道和行驶。该技术是智能机器人、智能导航的雏形，具有广泛应用前景。

参考文献

[1] 卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天出版社，2007.

[2] 吴怀宇，程磊.学做智能车[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3] 雷玉堂，王庆有.光电检测技术[M].北京：中国计量出版社，2009.