基于紅外傳感器的智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：以飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S12DGl28B系列MCU為核心，設(shè)計(jì)智能車的系統(tǒng)框架，軟件和硬件的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方案。
關(guān)鍵詞：智能車；HCSl2單片機(jī)；紅外傳感器

0 引言
    “飛思卡爾杯”智能車大賽起源于韓國(guó)，是韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)汽車控制實(shí)驗(yàn)室在飛思卡爾半導(dǎo)體公司資助下舉辦的以HCSl2單片機(jī)為核心的大學(xué)生課外科技競(jìng)賽。組委會(huì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車模型、直流電機(jī)和可充電式電池，參賽隊(duì)伍要制作一個(gè)能夠自主識(shí)別路徑的智能車，在專門(mén)設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路行駛，誰(shuí)最快跑完全程而沒(méi)有沖出跑道并且技術(shù)報(bào)告評(píng)分較高，誰(shuí)就是獲勝者。其設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、能源等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，對(duì)學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，具有良好的推動(dòng)作用。我校于2007年8月參加第三屆大學(xué)生智能模型車競(jìng)賽，并取得三等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

1 系統(tǒng)分析
    智能車系統(tǒng)一般由電源模塊、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、路徑識(shí)別模塊、通訊及調(diào)試模塊、單片機(jī)模塊等組成。
    本智能車的核心處理單元采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S12DGl28B系列MCU，系統(tǒng)框圖如圖l所示，本智能車的設(shè)計(jì)采用了多模塊技術(shù)：運(yùn)用反射式紅外傳感器設(shè)計(jì)路徑檢測(cè)模塊和速度監(jiān)測(cè)模塊；采甩PWM技術(shù)，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和電機(jī)轉(zhuǎn)速：系統(tǒng)還擴(kuò)展了液晶顯示屏和鍵盤(pán)模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，以便于智能車的相關(guān)參數(shù)調(diào)整。此外，PID尋跡算法結(jié)合ABS(Anti—skid Brake System．：防抱死系統(tǒng))技術(shù)，使我們的小車能在曲折的賽道上以較快的速度穩(wěn)定行駛。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    2．1 電源部分硬件各部分所需的電源大小不一樣，為滿足這一要求，本系統(tǒng)對(duì)電源部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。供電電源為配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用7．2V 2000mAh Ni—cd蓄電池，通過(guò)穩(wěn)壓芯片分別提供6V、5V電壓以及接地端。6V穩(wěn)壓電路如圖2所示。其中6V電壓供給伺服電機(jī)，5V的電壓供給單片機(jī)系統(tǒng)、路徑識(shí)別的光電傳感器和接收器電路、車速傳感器電路，LCD顯示電路。在電路設(shè)計(jì)中，考慮到由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)所引起的電源輸出不穩(wěn)定(主要為瞬態(tài)脈沖)，在電源輸出端，各芯片電源引腳都加入了濾波電路。為了避免由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所引起的電磁干擾，在印制板上做了敷銅處理，將電路中的“地”與敷銅面相連接。

    2．2 信息采集模塊在該模塊中包括速度信息采集和位置信息采集兩個(gè)子模塊，分別采集智能車當(dāng)前的位置信息和速度信息，并將采集到的信息傳給MCU，其核心是反射式紅外傳感器。測(cè)速傳感器安裝于智能車右后輪附近，在靠近車輪的軸上貼一黑白相問(wèn)、36等分的圓盤(pán)，用反射式紅外傳感器檢測(cè)黑線，通過(guò)對(duì)黑色標(biāo)志的記數(shù)可得車輪轉(zhuǎn)過(guò)一周所用的時(shí)間T，通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算即可得到智能車當(dāng)前的運(yùn)行速度V。
    2．3 信息處理模塊信息處理模塊包括信息處理和控制模塊，其核心是MCU，MCU接收到采集來(lái)的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后作出判斷，并發(fā)出控制命令。
    2．4執(zhí)行模塊該模塊包括了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)，當(dāng)接收到MCU的命令后便執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)信息采集模塊又采集到電機(jī)和舵機(jī)的狀態(tài)信息，反饋給MCU。從而整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)而達(dá)到正確行駛的目的。
    用芯片MC33886來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的電壓控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂菩≤嚨乃俣取＠眯酒娜珮蚩刂?，?duì)電機(jī)進(jìn)行反接制動(dòng)。由實(shí)驗(yàn)知，使用單片芯片的時(shí)候發(fā)熱嚴(yán)重，以至芯片過(guò)熱而自動(dòng)保護(hù)。為此我們采取了三項(xiàng)措施來(lái)解決芯片發(fā)熱問(wèn)題：一、多片并聯(lián)，減小單片的通過(guò)電流；二、在MC33886上部加裝散熱片；三、在電路板上留有大片覆銅區(qū)，通過(guò)片子的下部與覆銅區(qū)緊貼，進(jìn)行散熱。為了提高散熱效果，在片子的上下表面都涂有導(dǎo)熱硅脂，使其與散熱片和覆銅區(qū)緊貼。由實(shí)驗(yàn)知，驅(qū)動(dòng)芯片能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
    2．5人機(jī)交互模塊 在該模塊中包含了按鍵輸入與LCD液晶顯示，其中按鍵用于調(diào)節(jié)小車的工作模式，同時(shí)也用于調(diào)節(jié)小車行駛時(shí)所需的一些參數(shù)；結(jié)合LCD液晶顯示，從而使整個(gè)小車系統(tǒng)更具人性化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分之一，軟件設(shè)計(jì)是否合理直接影響智能車能否穩(wěn)定行駛。飛思卡爾MC9S12DGl28B系列單片機(jī)可使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)源代碼，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)更為簡(jiǎn)單和易于移植。在IAR環(huán)境下編寫(xiě)源代碼，經(jīng)編譯生成十六進(jìn)制文件后可以通過(guò)JTAG下載到程序存儲(chǔ)器中，并且可以在線調(diào)試和修改，大大提高了開(kāi)發(fā)效率。本系統(tǒng)軟件包括主程序、系統(tǒng)初始化子程序、液晶顯示屏子程序、按鍵子程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序等。各子程序可以完成相對(duì)獨(dú)立的功能，而主程序需要完成以下任務(wù)：
    (1)初始化各功能子模塊：
    (2)檢測(cè)用戶按鍵輸入；
    (3)調(diào)用各子模塊的功能；
    (4) 協(xié)調(diào)分配各子模塊占用的系統(tǒng)資源。其系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本論文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從智能車的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面討論了智能車如何能夠平穩(wěn)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中筆者發(fā)現(xiàn)選擇合適的器件、選用合理的控制算法、設(shè)計(jì)合理的軟件程序是決定智能車能否快速、平穩(wěn)行駛的關(guān)鍵。