摘要 介紹了一種基于紅外激光二極管的智能循跡模型車硬件系統(tǒng)的設計方法。該系統(tǒng)以MC9S12XS128為控制核心，采用紅外激光二極管及紅外接收傳感器采集路徑信息，同時應用內部集成H橋電路的MC33886芯片進行電機驅動，并運用LM331芯片來設計測速電路。此系統(tǒng)可對采集到的路徑信息及反饋的車速數(shù)據(jù)進行分析和處理，能及時控制舵機轉向和調整電機轉速，從而實現(xiàn)小車的自動循跡功能。
關鍵詞 路徑識別；智能車；紅外激光二極管；MC33886；自動循跡

全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽是在規(guī)定的模型汽車平臺上，使用飛思卡爾半導體公司的8位、16位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、電機驅動電路以及編寫相應軟件，制作一個可自主識別道路的模型汽車，按照規(guī)定路線行進，完成時間最短者為優(yōu)勝。該競賽涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機和機械等多個學科的內容。文中基于此競賽為背景，設計了一套智能車控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)針對智能車的路徑檢測，提出了一種基于激光強反射原理的實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了高精度的路徑檢測效果。該系統(tǒng)利用MC9S 12XS128控制器，對紅外接收傳感器采集到的道路黑色引導線的信息與測速模塊反饋的車速信息進行分析并處理，然后根據(jù)道路前方黑色引導線距車體中心線之間的偏差，分別送出控制信號給轉向舵機和電機驅動模塊，進而控制車輛實現(xiàn)快速穩(wěn)定的自主循跡行駛。

1 系統(tǒng)硬件總體設計方案
該系統(tǒng)硬件設計主要由MC9S12XS128控制核心、電源管理模塊、激光發(fā)射及接收模塊、舵機控制模塊、直流電機驅動模塊、車速檢測模塊、串口及調試接口模塊、數(shù)碼開關與LED指示模塊等組成，整個系統(tǒng)構成一個速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結構如圖1所示。圖中，撥碼開關及LED指示模塊主要用于選擇車輛的運行模式，即可在程序中實現(xiàn)幾種運行的算法，而通過撥碼開關便可實現(xiàn)快速切換，以適應不同的運行環(huán)境。

2 核心控制主板設計
系統(tǒng)的核心控制板是MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)。其是由MC9S12XS128芯片、時鐘晶振電路、復位電路、BDM接口電路、RS232串口電路、濾波電容、電感及接插件等構成。該S12XS系列單片機是在S12XE系列基礎上去掉XGate協(xié)處理器的單片機，采用了S12X V2 CPU內核，可運行在40 MHz總線頻率上，帶有ECC模塊、2個SPI模塊、2個CAN總線模塊。同時2個SCI串行通信模塊支持LIN總線，4路外部事件觸發(fā)中斷輸入端口，8路16位計數(shù)器，8路PWM及16路8位、10位、12位A／D，轉換時間為3μs。通過BDM接口可向目標板下載程序，還可完成基本的調試功能，如設置斷點、讀寫內存、讀寫寄存器、單步執(zhí)行程序、運行程序、停止程序運行等。另外，通過串口可向PC機上傳采集到的路徑數(shù)據(jù)及其他測試數(shù)據(jù)。

3 各模塊電路設計
3．1 電源管理模塊
電源模塊除了為單片機、傳感器、舵機和電機驅動等供電外，還為運算放大器提供正負雙電源。因此需提供多種電壓值以滿足各模塊的要求。另外，設計所使用的Ni—cd蓄電池在電量充足時，其空載電壓約有8 V，而且隨著電池的消耗，電壓逐漸降低。另外電機啟動及反轉制動時的電流過大，也可能將電池電壓拉至更低。為避免由于電源電壓的不穩(wěn)定而影響單片機和傳感器及其信號放大電路的正常工作，本電源設計使用了DC—DC變換芯片MC34063以及低差壓穩(wěn)壓器LM2940和LM2990。通過MC34063輸出穩(wěn)定的+8 V電壓給激光發(fā)射二極管，再由LM2940將+8 V變壓為+5 V給運算放大電路及測速電路提供正電源。而運算放大器的負電源則通過一個自繞的變壓器L2感應輸出一個-8 V電壓，再經(jīng)過LM2990穩(wěn)壓成-5 V電壓供給。MC9S12XS128單片機和紅外接收電路所需的+5 V電壓則由電池電壓直接串入LM2940穩(wěn)壓所得。在Ni—cd蓄電池與電源輸入之間還串入了一個共模電感L1作為隔離，由此電機驅動電路便可連接電池兩端，從而保證電機的動力，并且有效抑制電機產(chǎn)生的高頻干擾串到電源模塊中，同時也確保了系統(tǒng)在各種速度下的穩(wěn)定運行。其電源管理模塊電路原理如圖2所示。

3．2 紅外激光發(fā)射及接收模塊
包括了紅外發(fā)射傳感器和紅外接收傳感器兩部分。為使小車擁有遠瞻及高精度的優(yōu)勢，系統(tǒng)選用紅外激光二極管HLD780060H7J作為紅外發(fā)射傳感器。此發(fā)射器是一種半導體激光二極管，發(fā)出的波長為780 nm，工作電壓為DC=2 V，工作電流125 mA，發(fā)射功率可達60 mW，反射效果可滿足要求，只需加裝一套可聚焦的透鏡，其發(fā)射能力不但會加強一倍，且還實現(xiàn)了精度可調的功能，需只要對透鏡稍作調節(jié)即可調整其聚焦精度。而接收器可采用一種高靈敏度硅光敏三極管。本智能車對路徑的檢測原理是通過紅外激光發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強的物體后被反射回來，并被光敏二極管接收，使得光敏二極管的光生電流增大，再將這一變化電流轉換為電壓信號，由處理器進行A／D轉換及比較判斷，進而實現(xiàn)反光性不同的兩種物體的識別。