基于mc9s12单片机的智能车硬件设计.docx

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基于mc9s12单片机的智能车硬件设计

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基于mc9s12单片机的智能车硬件设计分类号TP24单位代码11395密级学号学生毕业设计（论文）题目基于MC9S12单片机的智能车硬件设计作者院（系）能源工程学院专业测控技术与仪器指导教师答辩日期2014年5月24日榆林学院毕业设计（论文）诚信责任书本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。

论文作者签名:

年月日榆林学院本科毕业设计（论文）摘要随着信息技术的飞速发展，嵌入式系统作为智能产品控制系统已在我们生活中发挥着重要作用。

由于计算机技术的广泛应用，单片机的应用领域也不断扩大深化，也使传统的控制检测技术不断飞速更新。

单片机经常被作为控制器的核心部件，然而只依靠单片机相关方面的知识实现智能化是远远不够的，还需要结合硬件的具体结构，并且和针对具体应用特点的软件结合，使其结构和功能更加完善。

本设计系统以MC9S12单片机技术和传感器技术为基础，制定出系统设计方案，利用MC9S12单片机作为核心控制器件，采用模块化的设计方法，主要包括微控制器模块、传感器模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、道路检测模块、电源模块及辅助调试模块等，经过红外反射式传感器检测小车的具体方位和行驶方向，检测小车的速度依靠的是光电编码器，通过PID的控制算法来调节发电机的转动速率速和舵机的转动方向，其完成了对小车的运动速度和转动方向的闭环控制。

基于MC9S12单片机的智能车系统设计完成后，可以在无人操作下完成自动导航，而且还拥有很好的抗干扰特性，舵机旋转快，发电机的运转恒定，具有极佳的运作性能。

所以其对智能小车技术的研究和开发工作具有极为重要的意义。

关键词：

MC9S12单片机；红外反射式传感器；光电编码器；自主寻迹BasedOnMC9S12MicrocontrollerHardwareDesign0fSmartCarABSTRACTWiththerapiddevelopmentofinformationtechnology,theembeddedsystemascontrolsystemofintelligentproductsplaysanimportantroleinourlife.Duetothewideapplicationofcomputertechnology,MCUisappliedmorewidelyandletthetraditionalcontroltesttechnologyconstantlyupdatedrapidly.MCUisoftenasacorecomponentofthecontroller,butonlyrelyontheknowledgeaboutittorealizeintelligentisnotenough,alsoneedtocombinedwiththestructureofhardware,andaccordingtothecharacteristicsofspecificapplicationsoftware,soastofurtherperfectitsstructureandfunction.ThisdesignsystembasedontheMC9S12andsensortechnology,todevelopasystemdesignschemeofusingMC9S12ascorecontroldevice,adoptingthemodulardesignmethod,mainincludingmicrocontrollermodule,sensormodule,motordrivermodule,servodrivermodule,roaddetectionmodule,powermoduleandauxiliarydebuggingmodule,etc.,throughspecificorientationreflectingtypeofinfraredsensortodetectthecaranddrivingdirectionstotestthespeedofthecardependsonthephotoelectricencoder,byPIDcontrolalgorithmtoadjustthespeedofthemotorandtherotationdirectionofsteeringgear,itsfinishedtothecarspeedandrotationdirectionoftheclosedloopcontrol.WhentheintelligentcarsystemdesignisfinishedbasedonMC9S12,canbedoneundertheunmannedautomaticnavigation,butalsohasgoodanti-interferencecharacteristics,steeringgearrotatefaster,constantgeneratoroperationandexcellentoperatingperformance.Sothedigitalcartechnologyresearchanddevelopmentworkhasveryimportantsignificance.Keywords:

MC9S12microcontroller;Theinfraredreflectiontypesensor;Photoelectricencoder;AutonomoustracingI榆林学院本科毕业设计（论文）目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论11.1本课题研究的目的和意义11.2智能车的现状和发展趋势11.3本课题研究的内容22基于MC9S12单片机智能车总体设计32.1系统设计要求32.2系统设计方案32.3机械调整42.3.1地盘的调整42.3.2前轮的调整42.3.3后轮距及后轮差速的调整52.3.4齿轮传动机构的调整52.3.5舵机的改装53系统硬件设计73.1概述73.1.1微控制器模块73.1.2传感器模块73.1.3电机驱动模块83.1.4电源模块83.1.5舵机驱动模块83.1.6速度检测模块83.1.7道路检测模块83.1.8辅助调试模块83.2微处理器模块93.2.1单片机的选型93.2.2MC9S12DG128B单片机的内部资源93.2.3MC9S12DG128B单片机最小硬件系统113.3道路检测模块143.3.1传感器选型及工作原理143.3.2数据采集处理153.3.3系统工作原理163.3.4传感器的布局163.3.5消除干扰173.4电机驱动模块183.4.1驱动电机183.4.2H桥驱动电路183.5舵机驱动模块193.5.1舵机的结构193.5.2舵机的工作原理193.6速度检测模块223.6.1速度传感器的选择223.6.2速度检测方法233.7电源模块243.7.1系统总电源电路设计243.7.2单片机电源电路设计253.7.3舵机电源电路设计254系统软件设计275系统调试295.1电源管理问题295.1.1稳压芯片的选择295.1.2各供电模块相互干扰295.2电机电磁干扰问题296总结31参考文献33致谢35附录A电路原理图37附录BPCB电路图39III1榆林学院本科毕业设计（论文）1绪论1.1本课题研究的目的和意义随着计算机技术和信息技术的快速发展，近年来，人们在享受汽车等交通工具给我们带来便捷和舒适的同时，也开始为其带来的诸多安全问题而担忧，随着生活水平提高，汽车数量不断攀升，道路拥挤，交通事故频发，由国家公路交通安全局的一份调查报告所示，大多数的碰撞和近距离碰撞与驾驶员的注意力不集中有很大关系，这可能是因为驾驶疲劳，使用移动电话和其他因素使其分心有关，由此可见，与汽车性能、车载娱乐、燃油消耗速率相比较安全驾驶已经是人们追求和迫切期盼。

因此，小车的智能化，为交通安全问题提供了一条解决方案，智能车系统是多功能系统中的一种，拥有路径识别、规划道路、智能导航的功能；它将远程监测、模式识别、计算机调试技术和智能控制等技术相融合，使智能小车成为多种学科技术的融合体。

针对上述情况，设计构思控制方案以期实现小车的自主寻迹，硬件设计部分采用模块化的设计方法，主要设计包括微控制器模块、传感器模块、电机驱动模块、舵机驱动模块、速度及道路检测模块、电源模块及辅助调试模块的设计，最终实现智能车的硬件设计及调试，与以往的智能车设计相比较，本次使用的是飞思卡尔提供的微控制器MC9S12DG128B，其具有充沛的内部资源。

此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化我们的程序设计，它的易用性和多功能性受到了广大好评，强大的功能，较低的功耗均符合这次设计的要求，因此，本次设计中的路经检测和速度控制功能，可以给人们的生活，工作带来方便，当驾驶员处于疲劳驾驶，或者接听电话时，小车的智能化可以辅助驾驶员进行辅助驾驶，避免交通事故的发生，而且智能小车还可以减轻交通混乱的情况，避免很多不必要的情况发生，所以，汽车智能化已经成为一种必然趋势，通过它我们可以实现一些高难度工作，比如地质勘探，危险探寻，科学研究，此外，其也有潜在的军用价值。

1.2智能车的现状和发展趋势随着科学技术的发展，智能交通系统的研究对象在IT技术、通信技术迅速发展的前提下，已经从人、车、路为传统的考虑重点演变为智能道路、智能小车和所有交通人员为考虑重点，在解决交通问题时，考虑到完全割断交通系统中的每个部分已出现问题，所以目前国内外研究的热点和目标是将车路信息相互融合并在智能车路系统中找出道路交通系统的运行规律。

鉴于GPS导航技术的进步，国内汽车车用GPS导航的数量也在不断攀升，当前这些车用智能器件的用途还在导航、防盗、反劫等领域停滞。

但这些器件的安装为以后依据车路系统的智能交通安全提供了设备基础。

国家ITS中心从2000年起开始对智能车路系统进行了反复的观察和探究，目前在磁引导智能道路、小车保持车道控制、安全辅助驾驶等方面的研究已经取得了耀眼的成绩。

与国内相比较，国外发达国家的汽车智能化发展，不仅可以避开障碍物，按照路况自主提速或减速，还可以实行无人驾驶。

举个例子来说明，在北爱尔兰的某家公司，采用领先的激光传感技术可以实现无需人驾驶小车的梦想成真：

这辆无需人驾驶智能小车被叫为“shelley”,其可以在错中复杂的城市功能系统中完成无人驾驶。

此外，它还能辨别每一种交通标志，确保小车在道路上安全快速行驶，还会在危机情况下自动刹车，也可以自行绕过停靠车辆。

总之，车辆的智能化已经成为一种趋势，是人们追求高品质生活不可或缺的。

1.3本课题研究的内容本次设计是把MC9S12DG128B单片机作为模型车的唯一微控制中心，同时将已经成熟的传感器技术也应用到智能小车系统中，这样有利于快速的检测，采集和处理信息，从而更好的实现智能小车的自主寻迹。

本次设计的主要内容是硬件部分，硬件部分运用模块化的设计方案，其包含微控制器模块，传感器模块，电机驱动模块，电源模块，速度及道路检测模块，舵机模块，及辅助调试模块。

本次设计的智能车硬件系统不但具有实时路径、速度采集等功能，而且还可以将采集的路况和速度信息，准确无误的反馈给微控制器模块，经过微控制器模块对路径和速度信息的处理，并给出合适的控制量对舵机和发电机进行控制，从而控制模型车平稳快速运行。

2基于MC9S12单片机智能车总体设计2.1系统设计要求

（1）小车能够完成自主寻迹，不需要人工干预。

（2）小车在直道上正常行驶时，要保证小车能安全、平稳、快速、运行。

（3）小车在转弯时要保证小车的安全性，并且也要求小车能平稳的运行。

（4）小车在正常行驶状态下，要求小车能对道路形状的突然变化，做出快速响应，有充分的时间进行转，减速。

2.2系统设计方案基于MC9S12单片机的智能车主要功能是自主寻迹，使其在直道上安全，平稳，快速行驶，在转弯时及时减速，并在转弯时不会出现漂移，而其中，直流电机是小车的驱动装置，舵盘用于控制车辆转向，反射式红外传感器和光电旋转编码盘用于接收道路信息和车体速度，微控制器模块是MCU最重要部分，它被用来接收道路、车辆速度和其他方面的信息，并进行快速的分析和处理，输出适当的控制信息给舵机和电动机进行控制；电机和舵机驱动模块实现了小车的驱动和转向；辅助调制模块主要用于调试和运行测试，小车状态监测，设置系统参数和运行策略。

硬件设计是本次智能车设计的重点，尤其是功能和技术要求。

智能车的整体设计框图如图2-1所示：

图2-1基于MC9S12单片机的智能车整体设计框图2.3机械调整为了使小车适应不同形状的道路，不仅在直道上稳定快速的行驶，而且必须保证小车在转弯时，反应灵敏，迅速，除了由硬件和软件设计来进行解决和处理，我们也应该认识到机械结构对车速和灵敏度的影响，其重要性一点也不比优良的控制方案小，因此我们对小车的机械结构进行了调整。

2.3.1地盘的调整一般来说，底盘的高度越低，即降低车的重心，可以防止小车翻到，所以尽量降低底盘，采取前高后低，车头底盘高度不变的布局，可以使小车在过坡道时不会因为底盘过低而擦到车道，而且也使小车的转向性能变好，行驶的速度变快，此外，还可以在车头安装专用的防撞海绵，在小车撞到赛道和路壁时起到缓冲保护作用。

2.3.2前轮的调整前轮的调整有以下几方面：

（1）主销后倾角。

主销后倾角指的是前轮主销和前轮的垂直中心线之间的夹角，也就是主销上端向后倾斜的角度。

它在小车拐弯时会生成与轮子方向相对的回正力矩，使小车回到原来的中间位置。

所以，主销后倾角大，速度就高，也使前轮回正的力量变强，但是，太大的回正力矩会使小车转向迟钝。

小车的主销后倾角由前齿轮箱底面和底盘间角度决定的，通常主销后倾角值设定为1°到3°，本次设计我们通过四个小垫子来调节的，设小垫子为2：

2（即前2后2）为0°,1:

3为2°～3°。

我们使用3:

1使后倾角变为-2°～-3°。

如此便能减小回正力矩，使小车运行灵活，然而这也会降低回正速率。

（2）主销内倾角。

主销内倾角是指从小车前方观察轮胎时，主销轴向内倾斜的角度，内倾角增大时回正力矩也增大，考虑到主销后倾角为-2°～-3°，会使回正变慢，可以通过增加主销内倾角来解决，但是增大主销内倾角也会增大小车与路面的滑动，在小车转弯时加速车轮的损坏，鉴于轮胎对地的吸附力有利于防止侧滑，如果造成车胎磨损则事倍功半，因此将内倾角设置为0°。

（3）前轮外倾角。

前轮外倾角是前轮的上端向外倾斜的角度。

其对小车转弯时的性能有直接影响，其应用时提高前轮转向的安全性和转向的灵活性。

在小车的横向平面内，车胎表现“八”的形状时叫做“负外倾”，而表现“V”的形状时叫做正外倾。

由于前轮外倾时能抵消因车重使轮子内倾的情况，从而减轻小车机件的磨损与重量，因此设计将轮子校偏一个外倾的角度，设为1°左右，其减轻了承载轴承负荷，使零件的使用寿命变长，也使汽车的安全性能提高。

（4）前轮前束。

前轮前束是指车前面的轮子前方向内偏斜的角度，当两轮前方相距大后方相距小时称为内八字，相反称为外八字。

由于车前轮外倾时，在车轮转动时类似于圆锥的形状导致两轮向外滚开。

由于拉杆的原因，车轮不会滚开，但是车轮会出现一边滚动，一边向内侧滑的现象，加剧车轮的磨损，因此，前轮的外八字与前轮的内八字相配合，可以抵消前轮外倾的副作用，也可以抵消小车前进由于惯性车轮自然内倾的情况。

此外，“外八”形状的使用也可以使小车在拐弯时内侧的车轮比外侧的车轮转动程度更大，则这样可以使内轮比外轮拐弯半径小。

转弯方便，更加有利于转向。

2.3.3后轮距及后轮差速的调整当车体速度很高时，小车转弯时容易发生侧翻，为了增加小车的平衡性，本次设计把后轮距改为大轮距。

拐弯时，因为内侧车轮比外侧车轮转弯半径小，相对于内侧车轮，外侧车轮的转速小，使两个车轮转速有差异，即称为差速。

由于差速机构安装在小车的后轮轴上，因此必须调整后轮差速。

考虑到差速对转弯性能有很大影响，如果差速过小，即车轮速度非常接近，会使小车在转弯时产生打滑的现象，发生侧滑。

然而，当差速过大时，会使小车子在直道行驶时两轮发生打滑，所以差速机构调整要适当，才能使小车驱动能力强，转弯灵敏性高。

我们调整差速时，采用的是将小车放在车道上，固定住一个轮使其不动，另一个轮子半滑动时最好的方法。

2.3.4齿轮传动机构的调整齿轮传输机构的调节就是指调节发电机输出轴上的齿轮与后轮轴上的齿轮之间的啮合程度。

电机输出轴和后轮轴的传动比是9:

38，即电机轴上的齿轮数是18，后轮轴传动轮齿轮数为76。

当啮合较松时两齿轮之间的缝隙较大，造成在齿轮传动时两齿轮之间的碰撞声较大，增加齿轮磨损。

当啮合较紧时，齿轮间的摩察力增大，会使发电机输出的一部分功率用来克服齿轮间的摩察力做功，从而减小了电机对后轮的驱动能力。

经过多次调整，我们发现用听齿轮之间声的办法来调节齿轮间的啮合度的方法很有效，当齿轮之间撞击声很大时，是因为两齿轮之间不平或者是齿轮耦合较松，当声音比较沉闷且比较迟滞，我们知道是因为齿轮啮合比较紧，当没有撞击声且没有迟滞时，表示啮合效果最佳。

2.3.5舵机的改装因为拐弯时舵机的反应灵敏度是影响车体速度的一个及其重要的因素，为了提高舵机的反应灵敏度，本次我们做了三方面的改进，第一，选用7.2V的电池为舵机直接供电；第二，增加从舵机与连杆之间的距离，使舵机旋转的角度减小，提高了转向的灵敏度；第三，把舵机反过来安装，将其安装于两轮中心，再将连接两轮之间的连杆设置为等长，让其转向时受力均匀，使舵机转向灵活。

经过以上改进舵机的反应灵敏度改善很多，为迅速灵活转弯提供了硬件保证，其图如图2-1所示：

图2-2舵机改装后示意图3系统硬件设计3.1概述基于MC9S12单片机的智能车系统的工作原理是，将采集，检测到的路径和车速信息传送给微控制中心进行处理，得到合理的控制量，控制舵机和驱动电机工作。

基于MC9S12单片机智能车的硬件系统采用模块化设计方法，可以分为八部分：

微控制器模块，传感器模块，电机驱动模块，电源模块，舵机模块，速度检测模块，道路检测及辅助调试模块，其硬件结构框图如图3-1所示：

图3-1基于MC9S12单片机的智能车硬件设计的总体框图3.1.1微控制器模块微控制器模块的控制核心是MC9S12DG128B单片机。

MC9S12DG128B单片机拥有很多优良的特性，具有体积较小、功耗较低、扩展极为灵活、控制精度非常高等特点，且拥有丰富的内部资源，16位的AD，8路8位的PWM可不同两个组成16位，还具有丰富的串行端口，2路的SCI和SPI，IIC,CAN总线等端口，且具有完整的模糊逻辑指令，可很大程度的简化设计。

3.1.2传感器模块传感器模块，根据工能原理可分为两种，有源的和无源的，本次设计使用的是有源传感器，有源传感器不需要外加电源或激励源，它将采集的道路信息和速度信息准确无误的传送给MCU进行处理。

3.1.3电机驱动模块电机驱动模块主要由驱动电路，直流电机和速度传感器组成，传感器把速度信息和道路信息传输给MCU进行处理，形成准确的控制信号，经过驱动电路的功率放大，作用于直流电机，来进行加速或减速。

3.1.4电源模块按要求为其他模块正常工作提供所需电压的是电压模块，由于每个模块对工作电压的要求不同，所以电源模块，可由多个稳压电路组成，再者，因为布线时电源线会产生干扰，影响系统稳定性，所以在设计电源模块时，应该考虑多方面因素。

3.1.5舵机驱动模块舵机的转向会影响小车行驶的方向，舵机主要由舵盘、用于减速的齿轮组、位置反馈电位计、直流驱动发电机、控制电路板等组成，小车正常运行时，传感器接收道路检测模块和速度检测模块的信息传输给MCU，然后经过MCU计算处理，得到合理的控制信息，作用于舵机，控制车轮转向。

3.1.6速度检测模块速度检测模块的功能是准确无误实时的测量小车速度，当前经常使用的速度检测方法有：

转角编码盘、霍尔传感器、光电测速传感器、反射式光电检测、速度传感器，红外反射传感器寻线等，本次设计使用的是光电旋转编码器，因为转角编码盘虽然测量更加准确，但成本高，霍尔传感器抗干扰较好，但是安装复杂，光电传感器连续工作时间短，容易出错，受外界光源干扰较大，速度传感器体积较大，增加车体重量，因此此次设计采用光电旋转编码器，它控制的精确度高、反应迅速、抗扰能力强等特点。

3.1.7道路检测模块道路检测模块主要功能是在汽车行驶的过程中，能够准确无误的完成对道路路面图像，路面的形状等信息的采集和存储，本次设计是由安装在车前面的反射式红外线采集道路信息，并将道路信息传送给微控制中心，并由其对此信息进行分析和计算。

3.1.8辅助调试模块辅助调试模块由LCD显示电路和键盘电路组成，它的作用是在调试过程中将小车状态参数实时显示出来，使小车的设置变得更加直观且不易出错，也能够通过键盘输入来调整参数，对于人机信息交换非常方便，并且可以切换智能车状态。

1）LCD显示电路设计显示电路的液晶显示模块使用的是（TS1620-1），它的16位I/O口与MCU相接，有小巧，消耗低，使用简单等特点，其经过对模式选择位发布口令，决定液晶显示器LCD的运行模式，分时对口令和程序进行写入。

2）键盘电路设计键盘电路的设计具备模式选择，步进增，步进减，确定，退出的功能，即需要6个按键，这6个按键采取3×2阵列排列，键盘的设计统一设计为带下拉电阻的形式，其输出口与单片机I/O口相连接，其中工作模式设置为：

当无键按下时输出为低，有键按下时输出为高。

3.2微处理器模块3.2.1单片机的选型主控单片机使用的是由Freescale提供的单片机MC9S12DG128B。

其是一款增强型的S12系列微控制器，有16位，其CPU12有ALU算数逻辑单元，寄存器组和控制单元。

外部总线的频率有8或16MHZ两种，通过（PLL）频率合成器可以使内部运算速度高达25MHZ，其寻址方式有16种，其内部寄存器组中的寄存器，变址寄存器和堆栈指针均有16位。

单片机的累加器A和B都有8位的，其也可以组合成累加器D（16位）。

以下5部分组成CP