一种基于MC9S12XS128单片机的多功能智能小车设计

　　摘要：利用嵌入式技术和图像处理技术，设计制作了基于MC9S12XS128单片机的多功能智能小车。智能小车可以在包含岔口的路面进行自主择路行进。到达终点后，在显示屏上显示路口选择方案、行进距离、行驶时间、行进速度。该系统通过CMOS摄像头OV5116检测路面信息，使用比较器对图像进行硬件二值化，用于路面识别，通过光电编码器检测智能小车的实时速度，使用PID控制算法调节驱动电机的转速和转向舵机的角度，实现了对智能小车运动速度和运动方向的闭环控制。整个系统的电路结构简单，成本低廉，可靠性高。经实际测试，智能小车各项指标均达到预期的设计目标。

　　智能汽车是智能系统与汽车工业相结合的产物，它是一个集计算机、传感器、自动控制、人工智能等多种高新技术于一体的综合系统。它在保证行驶安全、提高驾驶体验、节能环保等方面发挥着越来越重要的作用。作为未来汽车行业的发展方向，它的发展势必促进其他行业的发展，并在一定程度上代表了一个国家在智能控制方面的水平。

　　智能小车系统在环境感知、数据处理、控制策略及系统搭建上与智能汽车系统有很多相似之处，可以为科考、抢险救灾提供安全路径，未来也可以用在军事探测、运动目标跟踪预警等方面。智能小车系统的研究可以推动智能汽车行业更快更好地发展。

　　文中对智能小车的各个模块进行了深入的分析，从系统总体概述、硬件设计、软件设计等方面介绍了以摄像头为传感器的智能小车的设计方法：在现有车模的基础上，通过加装摄像头、殖度检测器，比较器，实现对小车速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后通过单片机对小车实施智能控制，最终实现了小车的自主行进功能。

　　1 系统的总体概述

　　智能车系统的总体工作模式为：利用CMOS图像传感器拍摄路面图像，输出PAL制式的图像信号，采用LM1881芯片进行控制信号分离，得到行、场同步信号，再依据给定的阈值，通过比较器进行硬件图像二值化;图像信号、场同步信号、行同步信号输入到MC9S12XS128单片机，经过算法优化处理后获得主要的路面信息;通过光电编码器来检测车速，并利用MC9S12XS128单片机的计数器进行脉冲计算，获得速度和路程;根据路面信息、速度信息得到舵机的转向角和电机的转速，把决策后得到的控制信号输出给舵机和电机，以控制小车的行进。此外，通过LED显示屏显示小车的行驶状态，使用按键对小车的各个模块进行微调，系统结构如图1所示。

　　2 系统的硬件设计

　　智能车以MC9S12XS128处理器为核心，通过CMOS模拟摄像头OV5116获取行进路径，对道路信息进行提取，根据小车的姿态与道路之间的偏差产生控制量，控制舵机进行转向，编码器实时反馈电机转速，使速度控制更精确，实现对小车更好的控制。本系统的硬件设计主要包括以下4个模块。

　　2.1 图像采集模块

　　摄像头有CCD和CMOS两种：CCD摄像头具有对比度高的优点，但需要工作在12 V电压下，为了保证小车的灵活性，小车的电源容量不会很大，用小型电源为CCD摄像头供电对于整个系统来说过于耗电，并且CCD摄像头在小车高速移动的过程中容易产生模糊和重影，影响图像质量CMOS摄像头不但体积小，耗电量小，并且在高速运动下图像稳定，不易产生失真。因此，本系统采用CMOS摄像头，如图2所示。OV5116采集到的模拟信号经由LM1881分离出场中断和行中断信号，模拟信号经由比较器LM393后得到二值化的路径信息，芯片阵列大小为352 x 288，有效光敏面为312 x 215像素，电源是6 V(DC)。摄像头输出的黑白全电视信号为PAL制式模拟信号，每秒25帧，电视扫描线为625线，奇场在前，偶场在后。

　　2.2 速度检测模块

　　为了得到智能车的实时速度，采用200线的编码器对小车进行时时测速，编码器与小车采用齿轮咬合，使速度测量更加精确。

　　2.3 主板控制模块

　　智能车的控制系统电路由三部分组成：MC9S12XS128为核心的最小系统板、LED显示屏、键盘。MC9S12XS128处理器插在系统板上，并在系统板上集成了信号采集、信号处理、电机控制、舵机控制等单元。为了减小电机驱动电路带来的电磁干扰，把主板控制模块和电机驱动部分分开来，排布在小车的两端。主板上连接了本系统的主要电路：电源稳压电路、最小系统板插座、视频同步分离电路、比较器集成模块、摄像头接口、舵机接口、电机驱动模块、编码器模块、键盘接口、LED显示屏等，如图3所示。

　　2.4 电源驱动模块

　　本系统中电源稳压电路有两路，一路为+5 V稳压电路，另一路为+12 V稳压电路。+5 V给单片机、摄像头、LM1881、LED显示屏模块供电。+12 V给电机驱动电路供电。系统中+5 V电路功耗较小，并且都是用于数字信号的处理，使用线性稳压器即可。需要特别注意的是，小车加速行进时，驱动电机会产生非常大的电流，为提高系统工作稳定性，必须使用大功率的驱动芯片，并且保证稳压芯片有良好的散热环境。

　　3 系统的软件设计

　　高效的软件系统是智能小车的灵魂，是小车快速稳定行进的保障。本系统采用CMOS摄像头进行路面识别，图像采集处理就成了整个软件的核心内容，图像采集流程如图4所示。

　　3.1 路径提取及优化处理

　　相比红外传感器、电磁传感器而言，摄像头传感器具有视野范围大的特点，并且会受到杂点、交叉连线、反光以及各种干扰物的影响，因此必须对得到的图像进行进一步的优化，排除干扰因素，对路面进行更有效地识别，提供更准确的路面信息供单片机进行优化决策。在图像信号处理中提取的路面信息主要包括：路面中心位置，路面宽度，路面曲率。