基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计

2016-12-23高海沙丁晓慧

网络安全与数据管理 2016年7期

关键词：车模执行机构小车

高海沙，丁晓慧

(商丘学院，河南商丘 476000)

基于MC9S12XS128的电磁智能小车的硬件设计

高海沙，丁晓慧

(商丘学院，河南商丘 476000)

若要实现小车的直立行走，应该构建良好的硬件平台。本文按照电磁车体系结构，简单介绍了智能小车的硬件设计模块，主要包括电源、核心控制、传感器、执行机构和人机接口等部分。各部分相互协调，最终使小车能够在最短的时间内沿着规定的轨迹快速稳定地运行。

MC9S12XS128单片机；传感器；电机

0 引言

图1 整体框架图

随着电子技术的不断发展[1]，能够自动进行识别轨迹的智能小车得到了广泛的应用[2]。本文设计了这样一种智能循迹小车，该智能车通过对道路传感器和加速度传感器、陀螺仪所采集的数据进行处理，根据车模驱动轮上两个编码器所采集的数据，来判断小车底盘的倾角、角加速度和小车的方位、速度、转向角度等，进而控制小车底盘的摆角和两个驱动电机的速度，使小车在最短的时间内稳定、快速运行。本文采用控制器 MC9S12XS128 作为系统的唯一核心控制单元，并进行信号采样、处理、传输数据等动作，以及产生 PWM 波控制电机的运转。

1 系统硬件整体框架

电磁车体系整体结构框架如图1所示，大致包括五个部分。

1.1 电源部分

向各部分提供电能，包括7.2 V电池和简单实用的稳压电路。

1.2 核心控制部分

核心控制部分主体是飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128，包含核心控制电路板。通过分析传感器数据，提取赛道和小车自身信息，运行控制算法，向执行机构发出动作信号，控制赛车沿赛道行驶[3]。

1.3 传感器部分

通过感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息，使小车完成赛道的检测并获得控制数据，从而使得各部分能够协调工作。传感器模块包括两个陀螺仪和一个加速度。

1.4 执行机构

执行动作信号，实现车的直立、前进、变速和转向。执行机构包括电机驱动、电机。

1.5 人机接口

实现模式和参数选择、状态指示、实时监控以及数据传输与存储等人机交互功能，包括拨码开关、ZigBee无线模块、LED状态灯等。

2 各部分外围电路的设计

2.1 电源部分

图2 电源分配图

电磁车的电机需要7.2 V或者较高的电压，其他部分需要5 V的电压，由于该车模的电池提供7.2 V～8 V的电压，因此只需要一片性能稳定的稳压芯片即可。电源分配图如图2所示。2.2 核心控制部分

核心控制部分由单片机MC9S12XS128最小系统板和核心控制电路板组成。核心控制部分是关键。其中的单片机最小系统板MC9S12XS128主要包括时钟、旁路电容、电源接口、烧录和调试接口、I/O接口。

2.3 传感器部分

通过感知外部世界的环境信息和车模自身的状态信息，为小车完成赛道的检测与跟踪以及实现小车的直立运动控制提供所需的信息。传感器部分包括电磁传感器、角度传感器、速度传感器三个模块。其中，角速传感器用于测量小车底盘的倾角和加速度，而速度传感器用于感知车模车身本身的行驶速度，是速度闭环控制的一个必须环节。电磁车使用500线的欧姆龙光电编码器作为速度传感器，安装在车尾与传动齿轮啮合。

2.4 执行机构

执行机构主要包括电机驱动、电机。车模原装配件中包括两个电机，电机驱动电路制作在核心控制板上，单片机输出的PWM信号通过电机驱动控制电机的转速；电机驱动使用H全桥电路，两路H全桥电路驱动两路电机。如下图3所示为H全桥电路原理图。

图3 H全桥电路原理图

2.5 人机接口

人机接口主要用于单片机与调试者之间的交互，4位拨码开关可以用于调整速度和相关参数，8位LED用于显示当前车速状态，无线模块用于实时传输数据[4]。

3 结束语

本文介绍了智能循迹小车硬件系统各个模块的设计，实现了电磁车的基本功能，但是要想进一步提高电磁车的速度，在机械设计部分还需要注意很多细节，比如必须降低小车的重心，在小车直立行走稳定性很高的情况下才能通过优化软件算法来最大限度地提升小车的速度。

[1] 卓晴，黄开胜，邵贝贝．学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天出版社，2007.

[2] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3] 王威.HCS12微控制器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4] 韩彩霞.单片机并行I/O口的扩展方法[J].微型机与应用,2013,32(24):28-30.

The hardware design of the intelligent electromagnetic car based on the MC9S12XS128

Gao Haisha ,Ding Xiaohui

(Shangqiu University,Shangqiu,476000,China)

As everybody knows that it should create a good hardware platform before the car can go standly. This article introduces the hardware design modules of the intelligent car which includes the power, the core controller, the sensors, the executing agency , the HMI and so on. All of the modules should be coherent with another so that the intelligent car can go fast and stablely along the set track using the shortest time.

MC9S12XS128; sensors; electrical machine