基于飛思卡爾KL26單片機(jī)的電磁循跡智能車設(shè)計(jì)

奚曉娜　趙康　唐慧娟　張雄雄

摘要：本文介紹了飛思卡爾電磁循跡智能車的設(shè)計(jì)成果。智能車控制器使用飛思卡爾MKL262256VLL4微控制器為主控制單元，程序編寫使用IAR編程軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的程序編寫，硬件設(shè)計(jì)使用Altium Designer軟件實(shí)現(xiàn)智能車硬件原理圖設(shè)計(jì)與PCB設(shè)計(jì)。文章中主要闡述了智能車硬件設(shè)計(jì)中單片機(jī)型號(hào)的選型，電磁傳感器、測(cè)速、起跑線檢測(cè)、路障檢測(cè)、人機(jī)交互和系統(tǒng)供電等競賽方案的選擇。

關(guān)鍵詞：智能循跡；MKL262256VLL4單片機(jī)；硬件設(shè)計(jì)；競賽方案

1 前言

近些年，隨著人們生活水平的不斷提高、人們對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)要求也不斷提高。汽車普及開來，交通擁堵和交通事故問題日益嚴(yán)重。另外，21世紀(jì)初，人工智能、控制科學(xué)、車輛工程、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域快速發(fā)展。

2 智能車總體設(shè)計(jì)

電磁循跡智能車硬件設(shè)計(jì)中包括控制整個(gè)系統(tǒng)的微控制器、智能車循跡用的電磁傳感器、智能車速度反饋用的測(cè)速傳感器、起跑線檢測(cè)傳感器、路障檢測(cè)傳感器、人機(jī)交互和系統(tǒng)供電等競賽方案的選擇。總體流程圖如圖1所示。

3 智能車具體方案選擇

智能車所有的模塊中，微控制器為核心，是智能車的靈魂，負(fù)責(zé)接收各個(gè)傳感器返回的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，利用智能車處理算法控制直流電機(jī)和舵機(jī)配合起來工作。智能車競賽中以往應(yīng)用較多的如32位K60系列、16位單片機(jī)XS128系列。由于K60系列性價(jià)比較高，因而成為很多智能車愛好者首選芯片。XS128系列價(jià)格則與KL26相差不大，但KL26單片機(jī)性能相比XS128強(qiáng)大很多，往往標(biāo)準(zhǔn)頻率48 MHz，超頻能力可達(dá)110MHz。在此選擇KL26系列微控制器中的MKL262256VLL4。

直流電機(jī)是通過PWM脈寬調(diào)壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)需要加速和制動(dòng)，故直流電機(jī)兩端需要能加載正、負(fù)電壓，常用的電路是H橋電路。H橋電路由四支N溝道功率MOSFET通過合理的關(guān)斷控制，形成不同的組合狀態(tài)來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，其額定工作電流可以達(dá)到100A以上。相比一個(gè)半橋、大電流、高集成的BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，直接使用MOS驅(qū)動(dòng)電流大大增加。

目前較為成熟的智能小車的測(cè)速方案有測(cè)速碼盤與光電旋轉(zhuǎn)編碼器。測(cè)速碼盤質(zhì)量小、價(jià)格低、精度低，目前常用的都為100線。對(duì)于智能車競賽來說精度不足就會(huì)導(dǎo)致測(cè)速不準(zhǔn)。光電旋轉(zhuǎn)編碼器價(jià)格高、質(zhì)量略大、精度高，一般都在200線以上。因此，測(cè)速方案選擇使用光電旋轉(zhuǎn)編碼器。光電旋轉(zhuǎn)編碼器是利用光電轉(zhuǎn)換原理制作而成，并輸出A，B和Z相3組方波信號(hào)。A，B相信號(hào)先通過上拉，以獲得輸出波形較穩(wěn)定的信號(hào)，然后連接到KL26單片機(jī)的FTM接口，并通過正交解碼方式即可獲得當(dāng)前速度信息。

由于賽道中心線產(chǎn)生的是20 kHz導(dǎo)航信號(hào)，為檢測(cè)出賽道上的磁信號(hào)，在選頻電路的選擇上，采取LC并聯(lián)諧振電路。諧振電路返回的信號(hào)電壓很小，需要使用運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，芯片選型上選擇NE5532。NE5532在20世紀(jì)90年代初的音響界被發(fā)燒友們譽(yù)為“運(yùn)放之皇”，至今仍是很多音響發(fā)燒友手中必備的運(yùn)放之一。它是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器（雙運(yùn)放）集成電路。它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大等特點(diǎn)。用它實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大有很好的效果。

人機(jī)交互部分，增加按鍵、撥碼開關(guān)用于設(shè)置預(yù)定參數(shù)值，方便對(duì)策略進(jìn)行調(diào)整；使用體積小、重量輕、可顯示字符多的諾基亞5110液晶，顯示狀態(tài)便于調(diào)試；使用藍(lán)牙模塊用來返回傳感器的數(shù)值再通過電腦端上位機(jī)完成對(duì)智能車進(jìn)行調(diào)試。

起跑線部分由于賽道下放有磁鐵，所以采用干簧管檢測(cè)起跑線，當(dāng)智能車通過起跑線時(shí)，干簧管由于賽道下磁鐵的作用吸合，單片機(jī)通過電平變化檢測(cè)起跑線。

電源部分由于智能車電池采用額定電壓為7.2 V的鎘鎳電池，充滿電狀態(tài)可達(dá)到8.5 V，單片機(jī)、編碼器等模塊額定電壓電壓為5 V，舵機(jī)額定電壓為6 V，有時(shí)為了提高舵機(jī)擺動(dòng)速度與力量，往往將舵機(jī)電壓提高。在查詢一些資料后，選擇三端固定式穩(wěn)壓器LM2940芯片提供5 V電源，為了確保單片機(jī)能有一個(gè)穩(wěn)定的電源環(huán)境單片機(jī)獨(dú)立芯片進(jìn)行供電。舵機(jī)供電采用AMS1117-ADJ芯片，通過電位器調(diào)節(jié)舵機(jī)電壓。智能車詳細(xì)方案圖如圖2所示。