基于MC9S12XS128單片機(jī)的智能小車設(shè)計與實現(xiàn)

紀(jì) 秀，谷春苗，呂靜波，趙曉龍，肖鵬飛

（1.長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院；2.長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春130012；3.長春高新區(qū)長東北核心區(qū)管理委員會，長春130016）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也越來越受人關(guān)注[1]。幾乎每屆全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽都有智能小車控制方面的題目，因此各高校也都很重視該題目的研究，由此可見開展智能小車及其相關(guān)領(lǐng)域的研究具有重要的意義[2－3]。2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽中與往屆不同的是智能小車由一輛小車的功能實現(xiàn)到兩輛小車的競技試題，具有可觀賞性的同時，增加了競賽的工作量和技術(shù)難度。本次設(shè)計根據(jù)題目要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電傳感器、紅外線傳感器、超聲波傳感器及無線nRF905模塊，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運(yùn)行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。實現(xiàn)智能小車在賽道內(nèi)自動循跡、無線通訊、防追尾控制等功能，最終實現(xiàn)循環(huán)超車功能。

本設(shè)計選用飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)。該單片機(jī)是一款16位單片機(jī)，具有I／0接口更豐富、處理速度更快等特點(diǎn)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評，它是新一代單片機(jī)的代表，其強(qiáng)大的功能、較低的功耗等均符合本次設(shè)計的要求。

1 智能小車系統(tǒng)的整體實現(xiàn)功能

根據(jù)題目的基本要求，設(shè)計任務(wù)主要完成電動車在規(guī)定賽道內(nèi)按規(guī)定路徑穩(wěn)定行駛，并能具有兩車通訊實現(xiàn)互相超車的運(yùn)動狀態(tài)，同時對行程中的有關(guān)信息進(jìn)行處理。為完成相應(yīng)功能，系統(tǒng)可以劃分為以下幾個基本模塊：電機(jī)驅(qū)動模塊、尋跡線探測模塊、測距離模塊、穩(wěn)壓模塊、通訊模塊。

本題設(shè)計利用紅外對管來檢測賽道的邊界黑線，通過尋跡實現(xiàn)小車前進(jìn)方向的引導(dǎo)，并控制電動小車的自動調(diào)整按照軌跡運(yùn)動，采用基于nRF905的無線通訊模塊實現(xiàn)小車之間的實時通信，通過PWM調(diào)速使小車快慢速行駛，使用超聲波傳感器自動檢測兩車直接的距離防止兩車發(fā)生追尾。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計

智能小車控制系統(tǒng)包含以下功能模塊。

2.1 直流調(diào)速模塊

由于PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1∶10 000左右。由于電流波形比V－M系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。同時由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)[4－5]。

因此，在本次設(shè)計中，小車采用了H型單極型可逆PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，實現(xiàn)了小車正向和逆向行駛。

2.2 光電檢測模塊

本設(shè)計中將4個紅外對管分別裝在小車兩側(cè)，小車通過兩側(cè)光電檢測來尋跡并按照軌跡運(yùn)動的，以及通過光電檢測來對黑線技術(shù)而共同控制小車的運(yùn)動。小車的一個紅外對管檢測黑線，而另一個檢測到白色時就證明已經(jīng)檢測到黑線并全速前進(jìn)，如果檢測到的全為黑線或者白線就控制舵機(jī)調(diào)整角度使小車盡快回到軌跡。在小車的中間安裝2個對管來對賽道黑線計數(shù)，從而很好地控制車的運(yùn)動。

其硬件電路如圖2所示：

圖2 紅外對管硬件電路圖

2.3 紅外測距模塊

在設(shè)計中，為了防止兩車相撞而安裝了2個紅外測距裝置。當(dāng)后車將要撞到前車時后車將減速行駛，而當(dāng)后車檢測不到前車時將全速追趕，從而很好地控制了兩車之間的距離。

2.4 電源模塊

電源模塊采用3940與LD1117穩(wěn)壓模塊對電源進(jìn)行穩(wěn)壓，可以很好地為單片機(jī)及直流電機(jī)供電。其優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓穩(wěn)定，電機(jī)在調(diào)速過程中不會對單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。其電源穩(wěn)壓模塊硬件電路如圖3所示。

圖3 電源穩(wěn)壓模塊硬件電路

2.5 無線通信

小車之間要實現(xiàn)循環(huán)超車，必須要有通信模塊。nRF905無線通信模塊可以實現(xiàn)兩車之間通信，當(dāng)前車檢測到超車區(qū)標(biāo)志線時立刻減速行駛，同時向后車發(fā)送信號，后車接到超車信號時進(jìn)行超車，當(dāng)超車完畢后再向后車發(fā)信，后車接收到信號后認(rèn)為前車已經(jīng)超車完畢，并恢復(fù)原始速度繼續(xù)行駛。其通信模塊如圖4所示。

圖4 無線通信模塊

2.6 整車組裝及硬件調(diào)試

經(jīng)過對智能小車各個模塊的設(shè)計及調(diào)試，最終完成整車硬件調(diào)試工作。各項硬件測試指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。智能小車硬件實物圖如圖5。

圖5 通過調(diào)試的智能小車硬件實物圖

3 智能小車控制策略

（1）普通行車區(qū)域

甲車速度為V1，乙車速度V2，Ⅰ、Ⅱ轉(zhuǎn)彎提示線之間路程為Z＝0.283m，甲車到達(dá)Ⅱ轉(zhuǎn)彎提示線時距離通過Ⅰ轉(zhuǎn)彎提示線的時間為t1，乙車經(jīng)過Ⅰ轉(zhuǎn)彎提示線的時間為t2。故兩車距離為：

將上述數(shù)據(jù)帶入式（1），可求出x，就可求出乙車落后于甲車的距離，故可調(diào)整乙車速度，讓乙車盡快跟進(jìn)。當(dāng)通過紅外測距傳感器檢測到兩車距離小于安全距離時，則可在加快甲車速度的同時下調(diào)乙車速度，保證兩車距離始終保持在安全距離。

（2）超車區(qū)域

當(dāng)甲車進(jìn)入超車區(qū)域向外邊界循跡時，向乙車發(fā)送信號，乙車接到信號后，全速前進(jìn)并繼續(xù)循跡賽道內(nèi)側(cè)，當(dāng)甲車計數(shù)到達(dá)6根或以上時，表示進(jìn)入超車區(qū)，向前減速速度行進(jìn)，直到檢測到賽道外沿執(zhí)行右循跡程序，實現(xiàn)超車前的避讓。而乙車識別超車后，全速進(jìn)行左循跡前進(jìn)，并無線通訊告知甲車減速等待超車，當(dāng)乙車識別到超車區(qū)結(jié)束后的轉(zhuǎn)彎標(biāo)志的，表示超車完成，并通過無線通訊給甲車一個全速前進(jìn)的信息盡量節(jié)省時間。當(dāng)紅外檢測兩車距離小于15cm時，后車減速避免撞車。并且進(jìn)入超車區(qū)，通過乙車循跡完成超車并進(jìn)入普通行車道后向甲車發(fā)出完成超車指令，這時乙車減速運(yùn)行，甲車加速運(yùn)行，直至兩車接近安全距離邊緣，完成整個超車過程。

（3）角色互換

當(dāng)檢測到起始線時標(biāo)記清零，并通過無線通訊進(jìn)行兩車通信，甲乙兩車實現(xiàn)角色互換，重新執(zhí)行（1）。

4 智能小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過對智能小車的程序設(shè)計實現(xiàn)其平穩(wěn)控制、可靠檢測、準(zhǔn)確超車的功能。計算兩車準(zhǔn)確的距離，從而確定兩車的相對位置。

（1）主程序

主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

（2）尋跡子程序設(shè)計

尋跡流程圖如圖7所示。

圖7 循跡子程序流程圖

5 結(jié)語

本系統(tǒng)以飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)為核心部件，利用紅外檢測技術(shù)、紅外線測距、通信等配合實現(xiàn)在指定賽道內(nèi)甲乙兩車單獨(dú)行駛，甲乙兩車交互超車等規(guī)定內(nèi)容，并且能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程方便的特點(diǎn)來滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。經(jīng)過試驗驗證本智能小車運(yùn)行平穩(wěn)、實時性好，完成任務(wù)準(zhǔn)確。

[1]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：204－213.

[2]高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：176－190.

[3]張銀中，吳定會，羅桂發(fā)，等.基于MC9S12DG128B的智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].伺服控制，2010（6）：51－53.

[4]肖成，羅堅.劉錳.基于S3C2440的嵌入式智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].信息與電腦，2011（5）：60－61.

[5]求是科技.單片機(jī)[M].北京：人民郵電出版社，2004：91－93.

[6]李華.MCS－51系列單片機(jī)實用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002：135－137.