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

　　1.前言

　　本文以飛思卡爾的小車模型為對象，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、路徑檢測模塊、車速檢測塊、加速度檢測模塊、角速度檢測模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、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模塊獲得的小車姿態(tài)信息、路徑信息檢測模塊獲得的小車前進(jìn)方向信息、車速檢測模塊返回的車速信息通過PID算法控制直流電機(jī)驅(qū)動模塊，以使得小車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)對智能車所采集到的信號進(jìn)行處理并向各個(gè)功能模塊發(fā)送控制信號。MC9S12XS128單片機(jī)最高總線頻率可達(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、路徑信息檢測模塊、車速檢測模塊、加速度檢測模塊、角速度檢測模塊、液晶顯示模塊和串?？谡{(diào)試模塊供電，再經(jīng)過AMS1117穩(wěn)壓到3.3V,向無線傳輸模塊供電。直流電機(jī)驅(qū)動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模塊通過檢測跑道兩邊2.5cm寬的黑線來擬合賽道中心以實(shí)現(xiàn)路徑信息檢測。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)的灰度值通過圖像傳感芯片轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，然后采用二值化電路把此信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過單片機(jī)I/O口采集獲得賽道信息。硬件二值化檢測電路如圖3所示。