基于瑞薩單片機(jī)自動(dòng)尋跡智能車的設(shè)計(jì)

摘要 以瑞薩超級(jí)MCU模型車大賽為背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能車自動(dòng)尋跡系統(tǒng)。采用瑞薩16位微控制器H8／3048F作為核心控制單元，使用光電對(duì)管RPR220采集路面信息，自動(dòng)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，并對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)智能車穩(wěn)定、快速的行駛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該套設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單可靠，具有良好的控制性，滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞 瑞薩；自動(dòng)尋跡；智能車；PID控制

隨著計(jì)算機(jī)、通信、傳感器等技術(shù)的發(fā)展，智能車成為汽車發(fā)展的趨勢(shì)。傳感器技術(shù)在智能車的應(yīng)用中越來(lái)越廣泛，如在夜間、霧天、高危高污染等環(huán)境下的行駛。智能車將成為人們生活的一部分。文中以瑞薩智能車大賽為背景，設(shè)計(jì)了一種以16位微控制器H8／3048F作為小車的控制核心，采用紅外反射傳感器檢測(cè)路面引導(dǎo)線，能根據(jù)給定參數(shù)行駛的電動(dòng)車。文中從硬件和軟件方面詳細(xì)闡述了智能車工作原理和設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的小車具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、軟件控制高效等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本智能車?yán)密圀w前方的光電傳感器采集賽道信息、后軸上的光電編碼器采集車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)單片機(jī)調(diào)理后，用于控制小車的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，內(nèi)部模塊產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，對(duì)智能車進(jìn)行速度及轉(zhuǎn)角控制，使賽車在賽道上能夠自動(dòng)、平穩(wěn)行駛，并以最短的時(shí)間和最快的速度跑完全程。此外，本系統(tǒng)還增加了按鍵和顯示設(shè)備，以便于調(diào)試。智能車系統(tǒng)總體模塊圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包括整車供電的電源管理電路設(shè)計(jì)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，以及單片機(jī)的各個(gè)接口電路的連接設(shè)計(jì)等。
2．1 控制器模塊
H8／3048F單片機(jī)是的日立公司生產(chǎn)的16位高性能微控制器。H8／3048F內(nèi)部有16個(gè)16位通用寄存器。其最高時(shí)鐘頻率可達(dá)18 MHz，尋址空間為16 MByte。芯片內(nèi)部包括：9個(gè)I／O口、32 kByte Flash、2 kByte RAM、16位的集成定時(shí)單元(ITU)、可編程定時(shí)式樣控制器(TPC)、j監(jiān)視定時(shí)器(WDT)、串行通信接口(SCI)以及A／D、D／A轉(zhuǎn)換器等。控制器I／O口分配如下：P70～P77光電傳感器信號(hào)的輸入；PB用于車速檢測(cè)信號(hào)的輸入；PA用于啟動(dòng)傳感器板信號(hào)的輸入?？刂破鞲鶕?jù)檢測(cè)到的路況和車速信息，控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，相應(yīng)地調(diào)整小車行駛方向和速度，最終使智能車按給定路線穩(wěn)定、快速地行駛。
2．2 電源模塊
選用8節(jié)1．2 V鎳氫電池為直流電機(jī)供電，并經(jīng)降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，且性價(jià)比高。電源部分采用LM2940CT芯片。該芯片最大能提供3 A的電流輸出，完全滿足系統(tǒng)要求。模塊采用兩片2940芯片，一片單獨(dú)給MCU供電，一片給其他部件供電。
2．3 尋跡傳感器模塊
模塊采用一體化反射型光電對(duì)管RPR22D。其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收器是一個(gè)高靈敏度的硅平面光電三極管。RPR220具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快。內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。傳感器檢測(cè)與調(diào)理電路如圖2所示。經(jīng)示波器觀察，輸出波形規(guī)則，可以直接供單片機(jī)查詢使用。

小車對(duì)白線的檢測(cè)使用了9個(gè)等距排列的紅外管采集路徑識(shí)別路面信息。從左邊的光電管開(kāi)始循環(huán)采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)其是否在白錢上，如果在白線上，則接著檢測(cè)其右邊的光電管是否亦如此，依次向右推進(jìn)，當(dāng)出現(xiàn)3個(gè)以上光電管同時(shí)處于白線上方，則過(guò)濾掉當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)，采用歷史值。