基于激光二極管的智能循跡小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)

摘要 介紹了一種基于紅外激光二極管的智能循跡模型車(chē)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)以MC9S12XS128為控制核心，采用紅外激光二極管及紅外接收傳感器采集路徑信息，同時(shí)應(yīng)用內(nèi)部集成H橋電路的MC33886芯片進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并運(yùn)用LM331芯片來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)速電路。此系統(tǒng)可對(duì)采集到的路徑信息及反饋的車(chē)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，能及時(shí)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向和調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)循跡功能。
關(guān)鍵詞 路徑識(shí)別；智能車(chē)；紅外激光二極管；MC33886；自動(dòng)循跡

全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽是在規(guī)定的模型汽車(chē)平臺(tái)上，使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過(guò)增加道路傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及編寫(xiě)相應(yīng)軟件，制作一個(gè)可自主識(shí)別道路的模型汽車(chē)，按照規(guī)定路線(xiàn)行進(jìn)，完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。該競(jìng)賽涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容。文中基于此競(jìng)賽為背景，設(shè)計(jì)了一套智能車(chē)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)針對(duì)智能車(chē)的路徑檢測(cè)，提出了一種基于激光強(qiáng)反射原理的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了高精度的路徑檢測(cè)效果。該系統(tǒng)利用MC9S 12XS128控制器，對(duì)紅外接收傳感器采集到的道路黑色引導(dǎo)線(xiàn)的信息與測(cè)速模塊反饋的車(chē)速信息進(jìn)行分析并處理，然后根據(jù)道路前方黑色引導(dǎo)線(xiàn)距車(chē)體中心線(xiàn)之間的偏差，分別送出控制信號(hào)給轉(zhuǎn)向舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制車(chē)輛實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的自主循跡行駛。

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案
該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由MC9S12XS128控制核心、電源管理模塊、激光發(fā)射及接收模塊、舵機(jī)控制模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車(chē)速檢測(cè)模塊、串口及調(diào)試接口模塊、數(shù)碼開(kāi)關(guān)與LED指示模塊等組成，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，撥碼開(kāi)關(guān)及LED指示模塊主要用于選擇車(chē)輛的運(yùn)行模式，即可在程序中實(shí)現(xiàn)幾種運(yùn)行的算法，而通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)便可實(shí)現(xiàn)快速切換，以適應(yīng)不同的運(yùn)行環(huán)境。

2 核心控制主板設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的核心控制板是MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)。其是由MC9S12XS128芯片、時(shí)鐘晶振電路、復(fù)位電路、BDM接口電路、RS232串口電路、濾波電容、電感及接插件等構(gòu)成。該S12XS系列單片機(jī)是在S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器的單片機(jī)，采用了S12X V2 CPU內(nèi)核，可運(yùn)行在40 MHz總線(xiàn)頻率上，帶有ECC模塊、2個(gè)SPI模塊、2個(gè)CAN總線(xiàn)模塊。同時(shí)2個(gè)SCI串行通信模塊支持LIN總線(xiàn)，4路外部事件觸發(fā)中斷輸入端口，8路16位計(jì)數(shù)器，8路PWM及16路8位、10位、12位A／D，轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs。通過(guò)BDM接口可向目標(biāo)板下載程序，還可完成基本的調(diào)試功能，如設(shè)置斷點(diǎn)、讀寫(xiě)內(nèi)存、讀寫(xiě)寄存器、單步執(zhí)行程序、運(yùn)行程序、停止程序運(yùn)行等。另外，通過(guò)串口可向PC機(jī)上傳采集到的路徑數(shù)據(jù)及其他測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 各模塊電路設(shè)計(jì)
3．1 電源管理模塊
電源模塊除了為單片機(jī)、傳感器、舵機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等供電外，還為運(yùn)算放大器提供正負(fù)雙電源。因此需提供多種電壓值以滿(mǎn)足各模塊的要求。另外，設(shè)計(jì)所使用的Ni—cd蓄電池在電量充足時(shí)，其空載電壓約有8 V，而且隨著電池的消耗，電壓逐漸降低。另外電機(jī)啟動(dòng)及反轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)的電流過(guò)大，也可能將電池電壓拉至更低。為避免由于電源電壓的不穩(wěn)定而影響單片機(jī)和傳感器及其信號(hào)放大電路的正常工作，本電源設(shè)計(jì)使用了DC—DC變換芯片MC34063以及低差壓穩(wěn)壓器LM2940和LM2990。通過(guò)MC34063輸出穩(wěn)定的+8 V電壓給激光發(fā)射二極管，再由LM2940將+8 V變壓為+5 V給運(yùn)算放大電路及測(cè)速電路提供正電源。而運(yùn)算放大器的負(fù)電源則通過(guò)一個(gè)自繞的變壓器L2感應(yīng)輸出一個(gè)-8 V電壓，再經(jīng)過(guò)LM2990穩(wěn)壓成-5 V電壓供給。MC9S12XS128單片機(jī)和紅外接收電路所需的+5 V電壓則由電池電壓直接串入LM2940穩(wěn)壓所得。在Ni—cd蓄電池與電源輸入之間還串入了一個(gè)共模電感L1作為隔離，由此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路便可連接電池兩端，從而保證電機(jī)的動(dòng)力，并且有效抑制電機(jī)產(chǎn)生的高頻干擾串到電源模塊中，同時(shí)也確保了系統(tǒng)在各種速度下的穩(wěn)定運(yùn)行。其電源管理模塊電路原理如圖2所示。

3．2 紅外激光發(fā)射及接收模塊
包括了紅外發(fā)射傳感器和紅外接收傳感器兩部分。為使小車(chē)擁有遠(yuǎn)瞻及高精度的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)選用紅外激光二極管HLD780060H7J作為紅外發(fā)射傳感器。此發(fā)射器是一種半導(dǎo)體激光二極管，發(fā)出的波長(zhǎng)為780 nm，工作電壓為DC=2 V，工作電流125 mA，發(fā)射功率可達(dá)60 mW，反射效果可滿(mǎn)足要求，只需加裝一套可聚焦的透鏡，其發(fā)射能力不但會(huì)加強(qiáng)一倍，且還實(shí)現(xiàn)了精度可調(diào)的功能，需只要對(duì)透鏡稍作調(diào)節(jié)即可調(diào)整其聚焦精度。而接收器可采用一種高靈敏度硅光敏三極管。本智能車(chē)對(duì)路徑的檢測(cè)原理是通過(guò)紅外激光發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強(qiáng)的物體后被反射回來(lái)，并被光敏二極管接收，使得光敏二極管的光生電流增大，再將這一變化電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由處理器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換及比較判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)反光性不同的兩種物體的識(shí)別。