基于16位單片機(jī)MC9S12DG128B智能車系統(tǒng)的設(shè)計

李天全

摘要 本文以MC9S12DG128816位單片機(jī)為例，對智能車控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理進(jìn)行分析，闡述系統(tǒng)在設(shè)計方面的主要構(gòu)成，對系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢進(jìn)行闡述。

[關(guān)鍵詞]單片 機(jī)智能車載系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計

在當(dāng)前汽車電子產(chǎn)品不斷更新和技術(shù)發(fā)展的同時，人們對汽車性能和控制、智能水平方面的要求也越來越高。智能系統(tǒng)在信息技術(shù)、電子技術(shù)及機(jī)械技術(shù)等不斷發(fā)展的推動下，最終刺激了智能車控制系統(tǒng)的發(fā)展?，F(xiàn)代智能車控制系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)越來越完善，系統(tǒng)的功能越來越豐富，系統(tǒng)整體設(shè)計和構(gòu)成更加智能化、可控化，極大地滿足了人們的切實需求，也推動了我國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車電子產(chǎn)品等發(fā)展進(jìn)入了全新時代。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計與構(gòu)成

本文以16位單片機(jī)MC9S12DG128816為系統(tǒng)的核心，展開汽車智能控制系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。該系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向控制、路徑檢測和電機(jī)驅(qū)動、車速檢測和電源管理等功能模塊。單片機(jī)可以對反射的紅外光信號進(jìn)行檢測，借助傳感器對路徑（黑線或白線）進(jìn)行識別，將信號輸入到單片機(jī)中，調(diào)節(jié)控制舵機(jī)，從而控制小轎車的轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)小車平滑轉(zhuǎn)向，確保小車在規(guī)定的軌道線上形勢（詳見圖1）。該系統(tǒng)借助紅外光電傳感器技術(shù)功能，采集信號，根據(jù)小車的速度判斷速度與瞬時的最小誤差，控制小車的速度，然后改善轉(zhuǎn)速。整個系統(tǒng)中，電機(jī)控制、舵機(jī)控制兩個模塊功能是由單片機(jī)進(jìn)行核心控制，系統(tǒng)整個運作依托于紅外光電傳感器技術(shù)和速度傳感器控制技術(shù)，系統(tǒng)的最終控制目標(biāo)是小車的行駛速度和行駛軌跡，從而提高小車轉(zhuǎn)速，保證控制精準(zhǔn)度。

2 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計及其構(gòu)成

基于16位單片機(jī)MC9S12DG128816的智能車控制系統(tǒng)，是一個全自動的控制系統(tǒng)，能自動識別道路運行的智能汽車。根據(jù)總體設(shè)計可以知道系統(tǒng)的主要構(gòu)成，其中傳感器、信息處理及控制算法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是重要的構(gòu)成部分。其中傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及它驅(qū)動電路控制系統(tǒng)是系統(tǒng)硬件的主要構(gòu)成;信息處理和控制算法是由單片機(jī)控制完成，所以，系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括電路和控制兩個部分。而該系統(tǒng)的軟件構(gòu)成方面，主要包括路徑識別、速度測量和速度控制方面。在軟件和硬件共同構(gòu)成下，系統(tǒng)最終能實現(xiàn)數(shù)據(jù)初始化，獲取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，調(diào)整小車的轉(zhuǎn)速角度的偏差，通過舵機(jī)控制角度，最終借助系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制小車速度的目標(biāo)。下面對系統(tǒng)中各個不同構(gòu)成模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。

3 系統(tǒng)功能與模塊設(shè)計

3.1 電源管理

電源是整個系統(tǒng)接通電源工作的重要部分，在系統(tǒng)設(shè)計中，電源穩(wěn)定是保證系統(tǒng)正常運行的前提，而影響電源穩(wěn)定的主要是電壓和電流容量。且在系統(tǒng)接通電源時，電源轉(zhuǎn)換效率還會受到其他方面的影響和干擾。一般電源管理模塊主要是對電路電源進(jìn)行管控，為了保證電源穩(wěn)定，首先應(yīng)該保證電路穩(wěn)定，一般會設(shè)定多個電路，對電池電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成各個模塊所需的電壓。電壓一般由7.2V和2A/h充電電池提供，而根據(jù)系統(tǒng)中的各個模塊，其中電機(jī)采用7.2V進(jìn)行供電，紅外發(fā)射接收管采用LM2940V進(jìn)行供電，單片機(jī)采用TPS73505V進(jìn)行供電，舵機(jī)則使用7.2V或6V的。

3.2 舵機(jī)驅(qū)動模塊

舵機(jī)模塊是系統(tǒng)中對小車速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的一個重要模塊。一般不同的舵機(jī)型號，其性能和設(shè)定參數(shù)均不相同。根據(jù)賽道和小車轉(zhuǎn)速及角度等情況，一般在兩種工作電壓下，其速度可以達(dá)到一個峰值。即當(dāng)電壓為4.8V時，其速度為0.11sec/60，堵轉(zhuǎn)力矩為6.lkg.cm;當(dāng)電壓為6.OV時，速度為0.08sec/60，堵轉(zhuǎn)力矩為7.7kg.cm，所以，舵機(jī)驅(qū)動功能是受到電壓的影響的。而試驗發(fā)現(xiàn)，電壓為6.OV時，舵機(jī)驅(qū)動的精準(zhǔn)度更高，且工作效率更高。

3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

檢測車模相對賽道的偏移量、方向、曲線等均需要進(jìn)行控制，根據(jù)車模的參數(shù)獲得更加精準(zhǔn)的小車模型。在本次研究的系統(tǒng)中，主要是通過MC9S12DG128816輸出的信號，對驅(qū)動進(jìn)行控制，主要是芯片對直流驅(qū)動電機(jī)的控制。在改變電機(jī)工作的頻率情況下，改變電機(jī)兩端的電壓，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。但是，機(jī)電驅(qū)動模塊還會受到外界因素的影響，對賽車速度也會產(chǎn)生一定的干擾。此時，我們需要使用PID算法來提高控制的精準(zhǔn)度，盡可能縮小誤差，以滿足控制需求。通過PID對小車進(jìn)行仿真設(shè)計，獲取小車最高轉(zhuǎn)速下的精準(zhǔn)參數(shù)。為了簡化電機(jī)驅(qū)動模塊的電路設(shè)計，系統(tǒng)中的集成電機(jī)的驅(qū)動芯片，是由MC9S12DG128816控制的，從而對電機(jī)進(jìn)行控制。

3.4 速度檢測模塊

為了使模型車能在賽道上正常沿著軌道運行，順利完成比賽，且保證賽程和安全。必須考慮到賽道上急轉(zhuǎn)彎的情況，很多小車在急轉(zhuǎn)彎時，易發(fā)生位置誤差，轉(zhuǎn)速和角度等誤差，需要對小車進(jìn)行控制。開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，是當(dāng)前使用比較普遍的一種方法，但是，這種方法并不能保證運行的需求，也會引起運行出現(xiàn)偏差，還會引起運行安全事故等。所以，處于安全、便捷等考慮，我們對電路、相應(yīng)速度等進(jìn)行優(yōu)化，提高了小車在響應(yīng)速度方面的精準(zhǔn)性。設(shè)定在磁塊均勻粘貼在電機(jī)上時，電機(jī)的動齒輪上，加用一個霍爾元件CS3020。根據(jù)原件輸出的信號，當(dāng)芯片接收到信號之后，啟動電源，控制電壓，然后在檢測單元時間內(nèi)，進(jìn)行信號的測試，檢測得出信號傳輸?shù)淖罱K脈沖數(shù)，進(jìn)而能計算得出最為準(zhǔn)確的賽車行駛速度。整個系統(tǒng)的每一個模塊都是重要的功能分區(qū)，發(fā)揮著不同的作用，各個模塊功能既相互影響，又相互牽制，系統(tǒng)的正常運行，必須要求每個模塊功能的共同協(xié)調(diào)，才能達(dá)到最為理想的小車設(shè)計模型，實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用的最終價值。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果

PID算法是系統(tǒng)精準(zhǔn)進(jìn)行控制的重要前提，能更好的控制小車，并且在起跑加速時，能設(shè)置前饋控制器，在PID的調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，相當(dāng)于一個全力加速器，形成一個分段控制，能較快的進(jìn)行提速。假設(shè)一個賽車車模采用1/10的仿真模型系統(tǒng)，根據(jù)其機(jī)械機(jī)構(gòu)，在競賽中，底盤部分及轉(zhuǎn)向和驅(qū)動等進(jìn)行控制，分別對其前輪轉(zhuǎn)向和后輪驅(qū)動的參數(shù)進(jìn)行仿真試驗。設(shè)定改裝前的賽車參數(shù)如下，詳見表1。

根據(jù)PID算法對小車進(jìn)行改造，根據(jù)模型數(shù)據(jù)分析，改造后的小車長度為33cm，寬度20cm，車模高度22cm，探出的舉例為12cm，傳感器的個數(shù)使用了15個。車模重量1.5kg，最終的賽道檢測頻率18次/s。通過改造之后的賽車，在系統(tǒng)控制中心的速度檢測，最終，車模的速度控制精度提升，舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制提升，測速傳感器工作更快，整個性能測試過關(guān)，且車模使用效果顯著優(yōu)于改造前。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上以16位芯片的MC9S12DG128816單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)，能對紅外傳感器產(chǎn)生的信號進(jìn)行路徑檢測，提高了處理速度，使得其操作控制更加精準(zhǔn)，減輕了其他數(shù)據(jù)處理的難度，小車機(jī)械安裝更加合理、簡約，提升了小車整體的質(zhì)量和性能，能實現(xiàn)小車循線的快速行駛，提升了小車的行駛速度。

參考文獻(xiàn)

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