基于MC9S12X-Sl28單片機(jī)的智能車設(shè)計(jì)

　　2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

　　根據(jù)智能車的設(shè)計(jì)需求，需提供5 V電源為單片機(jī)、SD卡、測(cè)速模塊、PCB板上電路、無(wú)線通訊模塊等供電：6 V電源供給舵機(jī)，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是單片雙極型線性集成電路，專用于直流一直流變換器控制，內(nèi)置占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，可輸出 1.5 A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(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(jī)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

　　影響智能車速度的最關(guān)鍵因素是驅(qū)動(dòng)力?！膀?qū)動(dòng)力”不僅包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路要能為賽車提供強(qiáng)大的動(dòng)力，同時(shí)自身的功耗要小，能夠保證在長(zhǎng)時(shí)間大電流輸出的情況下不升溫且持續(xù)穩(wěn)定工作。

　　根據(jù)PWM調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的性能指標(biāo)。在實(shí)際制作過程中，主要采用以下兩種方案：1）采用MC33886級(jí)聯(lián)組成驅(qū)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(qiáng)勁的驅(qū)動(dòng)力，因此專門獨(dú)立設(shè)計(jì)采用MOSFET搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路。網(wǎng)3是直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)框圖。TD340和MOSFET管組成H橋驅(qū)動(dòng)電路。TD340是N溝道功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)器。適合于直流電機(jī)控制。

　　通過實(shí)驗(yàn)比較這兩個(gè)方案設(shè)計(jì)的電路加速、制動(dòng)、頻繁啟制動(dòng)能力，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電路各有其特點(diǎn)。MC33886級(jí)聯(lián)組成驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電流上升快，適合起制動(dòng)，但能耗大且穩(wěn)定電流?。欢鳰OSFET管啟制動(dòng)較慢，但驅(qū)動(dòng)電流大，適合直道行駛，功耗小?？紤]到能耗問題，實(shí)際小車設(shè)計(jì)中采用MOSFET管驅(qū)動(dòng)方法。

　　舵機(jī)用來(lái)控制前輪的轉(zhuǎn)向，配合后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使車體能夠自由行駛。在智能車上，舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)向。舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角介于 -45°～+45°之間，在使用前需先測(cè)出各個(gè)角度所對(duì)應(yīng)的PWM波的占空比。

　　2.3 測(cè)速模塊設(shè)計(jì)

　　作為實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車閉環(huán)控制的光電一個(gè)重要環(huán)節(jié)，測(cè)速功能不可缺少。常用的測(cè)速方法有光電管測(cè)速法和光電編碼器測(cè)速法。

　　實(shí)踐證明，光電管檢測(cè)方法成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)。但精度較低，可靠性較差，容易受環(huán)境光影響，當(dāng)車速達(dá)到3 m／s時(shí)，檢測(cè)會(huì)發(fā)生問題。采用光電編碼器成本雖然較高，但精度高，穩(wěn)定性好。因此綜合考慮，采用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)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，速度傳感器通過后輪軸上的齒輪與電機(jī)相連，車輪每轉(zhuǎn)1圈，速度傳感器轉(zhuǎn)過2.75圈。

　　2.4 圖像采集及處理模塊設(shè)計(jì)

　　針對(duì)智能車比賽的實(shí)際環(huán)境狀況，常用的圖像數(shù)據(jù)采集方法有：A／D轉(zhuǎn)換采集方法和比較器的硬件二值化方法。

　　MC9S12XSl28單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間在不超頻的情況下最短為7μs，若選用分辨率為320線的攝像頭，則單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間約20 ms／320=62.5μs，A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)將不超過（62.5／7）+1=9個(gè)。若使用分辨率為640線的攝像頭，則單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間約20 ms／640=31 μs，A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)采樣的點(diǎn)數(shù)將不超過（3l／7）+l=5個(gè)。可見，分辨率越高，單行視頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間就越短，A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)單行視頻信號(hào)所能采樣的點(diǎn)數(shù)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(jī)A／D采樣單行信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，削弱橫向分辨率。

　　攝像頭的分辨率通常在300線以上，所以單行視頻信號(hào)的持續(xù)時(shí)間最多20 ms／300=66μs，則A／D采樣每行視頻信號(hào)的點(diǎn)數(shù)最多（66／7）+1=10個(gè)（不超頻），這不滿足賽車定位要求。所以采用A／D采集圖像時(shí)，攝像頭分辨率不應(yīng)太高。為保證采集圖像點(diǎn)的準(zhǔn)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(xiàn)二值化來(lái)代替A／D采樣方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

　　圍繞MC9S12XSl28單片機(jī)完成全國(guó)智能車大賽小車的硬件電路設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)比較各個(gè)模塊電路的特點(diǎn)，選擇性能較好的方案。通過硬件二值化電路完成對(duì)CCD攝像頭圖像采集與二值化的處理，節(jié)約了微處理的時(shí)間。通過比較常用的兩種驅(qū)動(dòng)電路的性能，選擇出適合智能車競(jìng)賽的電路。實(shí)驗(yàn)表明整個(gè)小車驅(qū)動(dòng)性能良好，圖像采集快速，行駛穩(wěn)定。該智能車在智能車大賽中表現(xiàn)良好。

　　結(jié)論

　　以“飛思卡爾”杯智能車大賽為研究背景，采用MC9S12XSl28作為核心處理器，通過對(duì)比各個(gè)模塊不同設(shè)計(jì)方案的性能，完成智能車電源、驅(qū)動(dòng)、圖像采集、測(cè)速等模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過大量的實(shí)驗(yàn)調(diào)試完成了智能車的組裝與機(jī)械部分調(diào)整，使得智能車結(jié)構(gòu)更為合理。實(shí)驗(yàn)及實(shí)際比賽表現(xiàn)表明，該智能車硬件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能良好。

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