基于飛思卡爾單片機(jī)的兩輪車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.前言

　　本文以飛思卡爾的小車(chē)模型為對(duì)象，設(shè)計(jì)了以飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128為核心，自主循跡的兩輪車(chē)自平衡控制系統(tǒng)。

　　實(shí)驗(yàn)證明該方案在攝像頭導(dǎo)航的兩輪車(chē)系統(tǒng)中具有準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的自主尋跡效果。

　　2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理

　　本系統(tǒng)以飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12XS128單片機(jī)為控制核心，主要由電源管理模塊、路徑檢測(cè)模塊、車(chē)速檢測(cè)塊、加速度檢測(cè)模塊、角速度檢測(cè)模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊、串口調(diào)試等功能模塊構(gòu)成。在電源管理模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源的基礎(chǔ)上，單片機(jī)把加速度和角速度檢測(cè)模塊獲得的小車(chē)姿態(tài)信息、路徑信息檢測(cè)模塊獲得的小車(chē)前進(jìn)方向信息、車(chē)速檢測(cè)模塊返回的車(chē)速信息通過(guò)PID算法控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，以使得小車(chē)在保持直立的前提下快速地行駛。

　　液晶顯示模塊可以實(shí)時(shí)地顯示系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，串口調(diào)試模塊把接收到單片機(jī)的數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，方便相關(guān)參數(shù)及波形的實(shí)時(shí)觀(guān)察和調(diào)試。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 主控制器模塊

　　本系統(tǒng)的主控制器是飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位MC9S12XS128單片機(jī)，它負(fù)責(zé)對(duì)智能車(chē)所采集到的信號(hào)進(jìn)行處理并向各個(gè)功能模塊發(fā)送控制信號(hào)。MC9S12XS128單片機(jī)最高總線(xiàn)頻率可達(dá)40MHz,片內(nèi)資源包括8KRAM、8K EEPROM和128K Flash,擁有4路8位或2路16位脈寬調(diào)制模塊（PWM）、2個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器和帶有16位計(jì)數(shù)器的8通道定時(shí)器、UART、PIT、I2C、FTM等外部接口模塊。

　　3.2 電源管理模塊

　　可靠的電源是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。

　　本系統(tǒng)采用額定電壓7 . 2 V 、額定容量2000mAh的鎳鎘電池作為動(dòng)力 源。為減小電源紋波，獲得更穩(wěn)定的供電電壓，本系統(tǒng)選用串聯(lián)線(xiàn)性穩(wěn)壓芯片LM2940搭建5V穩(wěn)壓電路，并分別向主控制器模塊、路徑信息檢測(cè)模塊、車(chē)速檢測(cè)模塊、加速度檢測(cè)模塊、角速度檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊和串?？谡{(diào)試模塊供電，再經(jīng)過(guò)AMS1117穩(wěn)壓到3.3V,向無(wú)線(xiàn)傳輸模塊供電。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊則直接由電池供電。系統(tǒng)電源管理模塊框圖如圖2示。

　　3.3 路徑信息檢測(cè)模塊

　　由C O M S攝像頭和硬件二值化電路組成的路徑信息檢測(cè)模塊通過(guò)檢測(cè)跑道兩邊2.5cm寬的黑線(xiàn)來(lái)擬合賽道中心以實(shí)現(xiàn)路徑信息檢測(cè)。COMS攝像頭是按固定分辨率以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，并將這些點(diǎn)的灰度值通過(guò)圖像傳感芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，然后采用二值化電路把此信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)I/O口采集獲得賽道信息。硬件二值化檢測(cè)電路如圖3所示。