基于MC9S12X-Sl28單片機的智能車(chē)設計

　　2.1 電源模塊設計

　　根據智能車(chē)的設計需求，需提供5 V電源為單片機、SD卡、測速模塊、PCB板上電路、無(wú)線(xiàn)通訊模塊等供電：6 V電源供給舵機，CCD攝像頭需12 V的工作電壓。其中的難點(diǎn)是12 V DC-DC升壓電路。這里使用MC34063A搭建由7.2 V升壓到12 V的升壓電路。MC34063A是單片雙極型線(xiàn)性集成電路，專(zhuān)用于直流一直流變換器控制，內置占空比周期控制振蕩器、驅動(dòng)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)，可輸出 1.5 A的開(kāi)關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構成開(kāi)關(guān)式升壓變換器，降壓式變換器和電源反向器。圖2為DC-DC升壓電路原理圖。

　　2.2 電機及舵機驅動(dòng)模塊設計

　　影響智能車(chē)速度的最關(guān)鍵因素是驅動(dòng)力?！膀寗?dòng)力”不僅包括驅動(dòng)電機，還包括電機驅動(dòng)電路。電機驅動(dòng)電路要能為賽車(chē)提供強大的動(dòng)力，同時(shí)自身的功耗要小，能夠保證在長(cháng)時(shí)間大電流輸出的情況下不升溫且持續穩定工作。

　　根據PWM調速電機驅動(dòng)電路的性能指標。在實(shí)際制作過(guò)程中，主要采用以下兩種方案：1）采用MC33886級聯(lián)組成驅動(dòng)電路；2）采用MOSFET搭建H 橋電路。

　　考慮到MC33886輸出電流有限，不能提供較為強勁的驅動(dòng)力，因此專(zhuān)門(mén)獨立設計采用MOSFET搭建的H橋驅動(dòng)電路。網(wǎng)3是直流電機PWM調速系統框圖。TD340和MOSFET管組成H橋驅動(dòng)電路。TD340是N溝道功率MOSFET管驅動(dòng)器。適合于直流電機控制。

　　通過(guò)實(shí)驗比較這兩個(gè)方案設計的電路加速、制動(dòng)、頻繁啟制動(dòng)能力，發(fā)現兩個(gè)電路各有其特點(diǎn)。MC33886級聯(lián)組成驅動(dòng)電路驅動(dòng)電流上升快，適合起制動(dòng)，但能耗大且穩定電流??；而MOSFET管啟制動(dòng)較慢，但驅動(dòng)電流大，適合直道行駛，功耗小?？紤]到能耗問(wèn)題，實(shí)際小車(chē)設計中采用MOSFET管驅動(dòng)方法。

　　舵機用來(lái)控制前輪的轉向，配合后輪的驅動(dòng)電機，使車(chē)體能夠自由行駛。在智能車(chē)上，舵機的輸出轉角通過(guò)連桿傳動(dòng)控制前輪轉向。舵機的輸出轉角介于 -45°～+45°之間，在使用前需先測出各個(gè)角度所對應的PWM波的占空比。

　　2.3 測速模塊設計

　　作為實(shí)現對智能車(chē)閉環(huán)控制的光電一個(gè)重要環(huán)節，測速功能不可缺少。常用的測速方法有光電管測速法和光電編碼器測速法。

　　實(shí)踐證明，光電管檢測方法成本低廉，容易實(shí)現。但精度較低，可靠性較差，容易受環(huán)境光影響，當車(chē)速達到3 m／s時(shí)，檢測會(huì )發(fā)生問(wèn)題。采用光電編碼器成本雖然較高，但精度高，穩定性好。因此綜合考慮，采用光電編碼器檢測電機速度。

　　采用OMRON公司生產(chǎn)的E6A2-CSl00型光電編碼器。它由5～12V的直流供電，速度傳感器通過(guò)后輪軸上的齒輪與電機相連，車(chē)輪每轉1圈，速度傳感器轉過(guò)2.75圈。

　　2.4 圖像采集及處理模塊設計

　　針對智能車(chē)比賽的實(shí)際環(huán)境狀況，常用的圖像數據采集方法有：A／D轉換采集方法和比較器的硬件二值化方法。

　　MC9S12XSl28單片機的A／D轉換時(shí)間在不超頻的情況下最短為7μs，若選用分辨率為320線(xiàn)的攝像頭，則單行視頻信號持續的時(shí)間約20 ms／320=62.5μs，A／D轉換器對單行視頻信號采樣的點(diǎn)數將不超過(guò)（62.5／7）+1=9個(gè)。若使用分辨率為640線(xiàn)的攝像頭，則單行視頻信號持續的時(shí)間約20 ms／640=31 μs，A／D轉換器對單行視頻信號采樣的點(diǎn)數將不超過(guò)（3l／7）+l=5個(gè)?？梢?jiàn)，分辨率越高，單行視頻信號持續的時(shí)間就越短，A／D轉換器對單行視頻信號所能采樣的點(diǎn)數就越少。如前所述，攝像頭的分辨率越高，雖然可提高縱向分辨能力，但會(huì )減少單片機A／D采樣單行信號的點(diǎn)數，削弱橫向分辨率。

　　攝像頭的分辨率通常在300線(xiàn)以上，所以單行視頻信號的持續時(shí)間最多20 ms／300=66μs，則A／D采樣每行視頻信號的點(diǎn)數最多（66／7）+1=10個(gè)（不超頻），這不滿(mǎn)足賽車(chē)定位要求。所以采用A／D采集圖像時(shí)，攝像頭分辨率不應太高。為保證采集圖像點(diǎn)的準確性同時(shí)為圖像處理留出更多時(shí)間，這里采用比較器實(shí)現二值化來(lái)代替A／D采樣方法實(shí)現數據采集。

　　圍繞MC9S12XSl28單片機完成全國智能車(chē)大賽小車(chē)的硬件電路設計。通過(guò)實(shí)驗比較各個(gè)模塊電路的特點(diǎn)，選擇性能較好的方案。通過(guò)硬件二值化電路完成對CCD攝像頭圖像采集與二值化的處理，節約了微處理的時(shí)間。通過(guò)比較常用的兩種驅動(dòng)電路的性能，選擇出適合智能車(chē)競賽的電路。實(shí)驗表明整個(gè)小車(chē)驅動(dòng)性能良好，圖像采集快速，行駛穩定。該智能車(chē)在智能車(chē)大賽中表現良好。

　　結論

　　以“飛思卡爾”杯智能車(chē)大賽為研究背景，采用MC9S12XSl28作為核心處理器，通過(guò)對比各個(gè)模塊不同設計方案的性能，完成智能車(chē)電源、驅動(dòng)、圖像采集、測速等模塊的設計與實(shí)現。通過(guò)大量的實(shí)驗調試完成了智能車(chē)的組裝與機械部分調整，使得智能車(chē)結構更為合理。實(shí)驗及實(shí)際比賽表現表明，該智能車(chē)硬件結構穩定，性能良好。

參考文獻:

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