基于激光二極管的智能循跡小車的硬件設(shè)計

摘要 介紹了一種基于紅外激光二極管的智能循跡模型車硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法。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，同時應(yīng)用內(nèi)部集成H橋電路的MC33886芯片進行電機驅(qū)動，并運用LM331芯片來設(shè)計測速電路。此系統(tǒng)可對采集到的路徑信息及反饋的車速數(shù)據(jù)進行分析和處理，能及時控制舵機轉(zhuǎn)向和調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)小車的自動循跡功能。
關(guān)鍵詞 路徑識別；智能車；紅外激光二極管；MC33886；自動循跡

全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是在規(guī)定的模型汽車平臺上，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，通過增加道路傳感器、電機驅(qū)動電路以及編寫相應(yīng)軟件，制作一個可自主識別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進，完成時間最短者為優(yōu)勝。該競賽涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機和機械等多個學(xué)科的內(nèi)容。文中基于此競賽為背景，設(shè)計了一套智能車控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)針對智能車的路徑檢測，提出了一種基于激光強反射原理的實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了高精度的路徑檢測效果。該系統(tǒng)利用MC9S 12XS128控制器，對紅外接收傳感器采集到的道路黑色引導(dǎo)線的信息與測速模塊反饋的車速信息進行分析并處理，然后根據(jù)道路前方黑色引導(dǎo)線距車體中心線之間的偏差，分別送出控制信號給轉(zhuǎn)向舵機和電機驅(qū)動模塊，進而控制車輛實現(xiàn)快速穩(wěn)定的自主循跡行駛。

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案
該系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由MC9S12XS128控制核心、電源管理模塊、激光發(fā)射及接收模塊、舵機控制模塊、直流電機驅(qū)動模塊、車速檢測模塊、串口及調(diào)試接口模塊、數(shù)碼開關(guān)與LED指示模塊等組成，整個系統(tǒng)構(gòu)成一個速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，撥碼開關(guān)及LED指示模塊主要用于選擇車輛的運行模式，即可在程序中實現(xiàn)幾種運行的算法，而通過撥碼開關(guān)便可實現(xiàn)快速切換，以適應(yīng)不同的運行環(huán)境。

2 核心控制主板設(shè)計
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系列單片機是在S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器的單片機，采用了S12X V2 CPU內(nèi)核，可運行在40 MHz總線頻率上，帶有ECC模塊、2個SPI模塊、2個CAN總線模塊。同時2個SCI串行通信模塊支持LIN總線，4路外部事件觸發(fā)中斷輸入端口，8路16位計數(shù)器，8路PWM及16路8位、10位、12位A／D，轉(zhuǎn)換時間為3μs。通過BDM接口可向目標板下載程序，還可完成基本的調(diào)試功能，如設(shè)置斷點、讀寫內(nèi)存、讀寫寄存器、單步執(zhí)行程序、運行程序、停止程序運行等。另外，通過串口可向PC機上傳采集到的路徑數(shù)據(jù)及其他測試數(shù)據(jù)。

3 各模塊電路設(shè)計
3．1 電源管理模塊
電源模塊除了為單片機、傳感器、舵機和電機驅(qū)動等供電外，還為運算放大器提供正負雙電源。因此需提供多種電壓值以滿足各模塊的要求。另外，設(shè)計所使用的Ni—cd蓄電池在電量充足時，其空載電壓約有8 V，而且隨著電池的消耗，電壓逐漸降低。另外電機啟動及反轉(zhuǎn)制動時的電流過大，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)定而影響單片機和傳感器及其信號放大電路的正常工作，本電源設(shè)計使用了DC—DC變換芯片MC34063以及低差壓穩(wěn)壓器LM2940和LM2990。通過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給運算放大電路及測速電路提供正電源。而運算放大器的負電源則通過一個自繞的變壓器L2感應(yīng)輸出一個-8 V電壓，再經(jīng)過LM2990穩(wěn)壓成-5 V電壓供給。MC9S12XS128單片機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共模電感L1作為隔離，由此電機驅(qū)動電路便可連接電池兩端，從而保證電機的動力，并且有效抑制電機產(chǎn)生的高頻干擾串到電源模塊中，同時也確保了系統(tǒng)在各種速度下的穩(wěn)定運行。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。為使小車擁有遠瞻及高精度的優(yōu)勢，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)出的波長為780 nm，工作電壓為DC=2 V，工作電流125 mA，發(fā)射功率可達60 mW，反射效果可滿足要求，只需加裝一套可聚焦的透鏡，其發(fā)射能力不但會加強一倍，且還實現(xiàn)了精度可調(diào)的功能，需只要對透鏡稍作調(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。本智能車對路徑的檢測原理是通過紅外激光發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強的物體后被反射回來，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，由處理器進行A／D轉(zhuǎn)換及比較判斷，進而實現(xiàn)反光性不同的兩種物體的識別。