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基于MC9S12XS128单片机的智能小车设计
摘要
本文以第六届飞思卡尔杯智能汽车竞赛为背景详细介绍了智能小车系统的软硬件结构和开发流程。采用1:10 的仿真车模，以飞思卡尔半导体公司生产的16 位单片机MC9S12XS128 为核心控制器，在CodeWarrior IDE 开发环境中进行软件开发，使赛车在跑道上沿着黑线以最快的速度行驶。论文介绍了总体方案设计、机械结构设计、硬件电路设计、软件设计、无线通信子系统设计、上位机监控子系统设计以及系统的调试与分析。机械结构设计部分主要介绍了对车模的改进和三舵机随动系统的机械结构。硬件电路设计部分主要介绍了智能小车系统的硬件电路设计原理，包括原理图和 PCB 设计。 软件设计方面，主要介绍了三随动舵机的控制原理和电机的 PID 控制策略。无线通信子系统设计则以 nRF24L01 的介绍和应用为主，阐述了无线技术在智能小车系统中的应用思路。
在制作小车的过程中，通过不断的测试调整了车模轮胎的角度，经过调整以后，小车能更好地适应直线和弯道；舵机采用了调转放置的方式，减小了力臂，能更加灵活、快速的转动。软件方面采用了PID控制算法，控制更加地灵活简单，最主要的是小车寻轨迹更加地稳定、精确。最终本设计能够适应各种赛道，直道速度能达到3.5m/s，平均速度接近2.9m/s。
关键词：智能小车， 激光传感器，MC9S12XS128，上位机，PID
Abstract
This paper introduces the hardware and software structure of smart car system and development process in the sixth Freescale cup competition for intelligent vehicle. Using 1:10 simulation models, with Freescale Semiconductor company’s 16‐bit MCU MC9S12XS128 as the core, do the software development in the CodeWarrior IDE development environment and make car on the black line with the fastest speed. This paper introduces the overall design, mechanical design, hardware design, software design, wireless communication subsystem design, host computer monitoring subsystem design and system debug and analysis. Mechanical design shows the improvement of the car models, as well as mechanical structures of the three servo system. The section of hardware design introduces the principle of hardware circuit, including schematic and PCB design. For the software design, it introduces the theory of three-servo control and the strategy of PID control. The section of wireless communication subsystem design mainly described the application of wireless technologies in the smart car system, based on the introduction of property and the application of the nRF24L01.
In the process of making the car, adjust the tire’s angle of the models through a series of tests. After adjustment, the car can better adapt to straight lines and corner, steering gear used jerked placed way, reduced the behavior, can be more flexible, rapid rotation. Software adopted PID control algorithm, control to more and more flexible simple, the most is the car can find more stable trajectory, precise. Finally this design can adapt to all kinds of circuit, until can reach speeds of up to 3.5 m/s, the average speed of close to 2.9 m/s.
Key words: smart car, laser sensor,MC9S12XS128, host computer
目录
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题研究的目的和意义 2
1.3 本设计的内容及意义 3
1.3.1 设计内容 3
1.3.2 设计意义 3
1.4 论文各部分的主要内容 4
第2章 智能循迹小车系统 5
2.1 系统设计任务与设计要求 5
2.1.1 系统设计任务 5
2.1.2 系统设计要求 5
2.2 系统方案论证 5
2.2.1 控制器方案论证 5
2.2.2 供电单元方案论证 5
2.2.3 电源总分布图 6
2.2.4 主控板和数字传感器电源模块 6
2.2.5 舵机电源模块 7
2.2.6 电机驱动系统 8
2.2.7 循迹单元方案论证 9
第3章 智能小车机械结构设计 11
3.1 车模整体结构 11
3.2 转向舵机的安装 11
3.3 车轮及底盘的调整 12
3.3.1 主销后倾角 12
3.3.2 主销内倾角 13
3.3.3 前轮前束 13
3.4 底盘部分设计 14
3.5 PCB 板尺寸设计及其安装 14
第4章 硬件电路设计 16
4.1 MC9S12XS128单片机最小系统设计 16
4.2 电源模块 17
4.3 拨码开关和蜂鸣器电路 19
4.4 激光传感器设计 19
4.5 驱动电路设计 19
4.6 速度检测模块设计 20
4.7 液晶键盘模块设计 21
第5章 智能小车软件设计 22
5.1主程序流程图 22
5.2信号分析与识别 23
5.3 PID 控制算法 23
5.4 各模块初始化 24
5.4.1 时钟模块初始化 24
5.4.2 ECT模块初始化 24
5.4.3 舵机控制—PWM01初始化 25
5.4.4 电机控制—PWM6初始化 25
5.5 软件开发环境和调试 26
结 论 28
参考文献 30
第1章 绪论
1.1 课题背景
在科学技术不断飞速发展、企业生产技术要求不断提高、对自动化技术依赖不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。如今世界上大多国家都投入了大量的人力、物力在积极进行智能车辆的研究和开发设计，抢占智能控制市场先机。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪06年代。当时斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。
智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报
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第2章 智能循迹小车系统
2.1 系统设计任务与设计要求
2.1.1 系统设计任务
1.熟悉飞思卡尔MC9S12XS128单片机集成开发环境，运用C语言编写工程文件；
2.熟练应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法；
3.自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；
4.了解电机、路面检测的原理和实现方法。
2.1.2 系统设计要求
1.完成单片机最小系统设计；
2.完成外围应用电路（包括系统供电单元、运动控制单元、循迹检测单元）的设计和实现；
3.完成软件对硬件检测和调试工作；
4.查阅国内外的研究动态和发展前沿信息，阅读相关外文文献。
2.2 系统方案论证
2.2.1 控制器方案论证
按照题目要求，控制器主要用于控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制
体电路设计，达到理论与实践的统一，加深对控制理论的理解和认识。
1.3 本设计的内容及意义
1.3.1 设计内容
（1）路面检测模块;
（2）电源模块为5V，6V;
（3）直流电机的驱动模块电路及相应的驱动程序;
（4）测速模块;
（5）循线迹功能电路及程序;
（6）复位电路模块;
1.3.2 设计意义
世界各国在智能微型车领域进行了很多研究，己经应用于各个领域，在探测和军事领域使用特别多。我国也开展了很多研究工作，以满足不同用途的需要。美国和前苏联
5.4 各模块初始化
5.4.1 时钟模块初始化
CLKSEL = 0; //先关闭时钟
SYNR_VCOFRQ = 1; //VCO 频率(80MHZ)在48MHz～80MHz
SYNR_SYNDIV = 9; //设置SYNDIV(9)
REFDV_REFFRQ = 1; //REF 频率(4MHz)在2MHz～6MHz
REFDV_REFDIV = 3; //设置REFDIV(3)
POSTDIV = 0; //设置PLL(锁相环)分频系数(不分频)
COPCTL_CR = 0; //关闭看门狗
while(1!=CRGFLG_LOCK); //锁定VCO 频率
CLKSEL_PLLSEL = 1; //设置总线频率，为PLL 的一半
5.4.2 ECT模块初始化
TIOS_IOS7 = 0; //设置IOC7 输入捕捉
TCTL1 = 0; //关闭输出
PACTL_PAEN = 1; //使能输入捕捉的计数功能
PACTL_PAMOD = 0; //事件计数模式
PACTL_PEDGE = 0; //下降沿触发计数器值增加
PACTL_PAOVI = 0; //关闭溢出中断
PACTL_PAI = 0; //关闭输入捕捉中断
TSCR1_TFFCA = 1; //清除输入捕捉标志位
PACNT = 0; //计数器清零
RTICTL = 0xbf; //10ms 中断~160*1000 分频
CRGINT = 0x80; // 使能RTI 中断
5.4.3 舵机控制—PWM01初始化
PWME_PWME1 = 0; //禁止PWM01 输出
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结 论
在方案选择阶段，通过比较方案的优缺点和通过不断实验、测试确定最终方案。
在机械设计方面，对模型车的性能不断地探索，改进了前轮定位、差速、舵机力
矩等，使得舵机的转向更加灵活、更容易控制，打滑现象基本解决。在控制算法方面，通过建模和仿真，最终确定使用PID算法对模型车的方向和速度进行控制。经过改进的智能小车能更加稳定，精确地按照检测到的信息进行，能适应各种不同的赛道，速度更加地快捷。
分析整个智能小车系统，主要有以下特色：
采用最新的激光传感器设计方案。新方案大幅提高了传感器的检测距离，车载有效检测距离可达1m，
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