基于瑞薩單片機自動尋跡智能車的設(shè)計

摘要 以瑞薩超級MCU模型車大賽為背景，設(shè)計并實現(xiàn)了一種智能車自動尋跡系統(tǒng)。采用瑞薩16位微控制器H8／3048F作為核心控制單元，使用光電對管RPR220采集路面信息，自動控制舵機轉(zhuǎn)向，并對直流電機轉(zhuǎn)速進行PID調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)智能車穩(wěn)定、快速的行駛。實驗結(jié)果表明，該套設(shè)計方案簡單可靠，具有良好的控制性，滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞 瑞薩；自動尋跡；智能車；PID控制

隨著計算機、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。傳感器技術(shù)在智能車的應(yīng)用中越來越廣泛，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路面引導(dǎo)線，能根據(jù)給定參數(shù)行駛的電動車。文中從硬件和軟件方面詳細闡述了智能車工作原理和設(shè)計方法，設(shè)計的小車具有電路設(shè)計簡單、軟件控制高效等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
本智能車利用車體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。這些信號經(jīng)單片機調(diào)理后，用于控制小車的運動。同時，內(nèi)部模塊產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動直流電機，對智能車進行速度及轉(zhuǎn)角控制，使賽車在賽道上能夠自動、平穩(wěn)行駛，并以最短的時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
硬件設(shè)計是設(shè)計的基礎(chǔ)，包括整車供電的電源管理電路設(shè)計、電機的驅(qū)動電路設(shè)計，以及單片機的各個接口電路的連接設(shè)計等。
2．1 控制器模塊
H8／3048F單片機是的日立公司生產(chǎn)的16位高性能微控制器。H8／3048F內(nèi)部有16個16位通用寄存器。其最高時鐘頻率可達18 MHz，尋址空間為16 MByte。芯片內(nèi)部包括：9個I／O口、32 kByte Flash、2 kByte RAM、16位的集成定時單元(ITU)、可編程定時式樣控制器(TPC)、j監(jiān)視定時器(WDT)、串行通信接口(SCI)以及A／D、D／A轉(zhuǎn)換器等?？刂破鱅／O口分配如下：P70～P77光電傳感器信號的輸入；PB用于車速檢測信號的輸入；PA用于啟動傳感器板信號的輸入?？刂破鞲鶕?jù)檢測到的路況和車速信息，控制轉(zhuǎn)向舵機和直流驅(qū)動電機，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供電，并經(jīng)降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，且性價比高。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管RPR22D。其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收器是一個高靈敏度的硅平面光電三極管。RPR220具有如下特點：結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強、反應(yīng)速度快。內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。傳感器檢測與調(diào)理電路如圖2所示。經(jīng)示波器觀察，輸出波形規(guī)則，可以直接供單片機查詢使用。

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