基于MC9S12XS128的智能迷宫小车设计

基于MC9S12XS128的智能迷宫小车设计

【摘要】选用MC9S12XS128为主控芯片，采用三方位大功率红外检测、舵机控制动力、PWM速度控制等技术，设计一款智能迷宫小车，包括小车的机械结构装配、电路控制、软件编程、控制算法及调试方法等。实践结果证明，所设计的智能迷宫小车能实现自动避障、选择路线、寻迹，在迷宫中运行平稳，快速，高效从起点寻找路线走到终点，而且经济成本低。

【关键词】MC9S12XS128智能迷宫小车避障寻迹

随着智能电子技术的迅速发展和普及应用，社会发展对电子技术要求越来越高，智能迷宫小车的出现为今后能够更好运用智能汽车及机器人替代人工活动奠定了基础。经过完善的迷宫小车将可以广泛用于军事排雷、火灾现场的抢救、有害气体中毒的抢救等活动。然而，目前的迷宫小车还是停留在人工远程控制阶段，真正能实现自主学习的智能小车还有待继续研发。本文设计的智能小车模型是一辆由PCB电路板组合重装的小车，全车机械部件均安装固定在PCB板上，不用再进行机械部件制作，对于实验研究阶段的机器人开发很有意义。走迷宫智能小车主要是基于自主反应式智能系统原理，电机控制方法为单向PWM开环控制，直流电机驱动。选择MC9S12XS128单片机为控制核心，采用与地面颜色有较大差别的导引线，通过反射式红外传感器进行导引，障碍物位置用红外一体化接收头进行检测，只要改变单片机产生的PWM方波的占空比，就可以在设计范围内实现360度

全方位移动，从而实现在迷宫中自主迷宫探路、路线识别、自动避障，选择正确的路线行进，从起始点寻找路线走到终点。

一、整体方案设计

为了使智能小车能够在迷宫中平稳行驶、精确快速探索迷宫路线，要求小车必须能够控制精准，准确地对不同路况进行快速判断并做出对应的操作，自动顺利地进行避障，所以所设计的智能小车灵活性非常重要。为了实现此目标，电路选用了三个检测路况的传感器，用于检测左、右、前边、两边的路况，车子行进规则选择适合的迷宫搜索算法为依据，遍历所有路径，寻找最短路径方案。所以本控制系统设计方案：采用16位处理器MC9S12XS128，电机转动速率采用PWM控制，两个电机选用L293进行驱动，测距利用红外传感器，选择LM1117和LM2940高性能稳压芯片组成稳压电路，通过光敏三极管电路检测终点，用舵机改装成小车的动力系统。智能迷宫小车设计整体方案图1所示。

二、控制原理分析

（一）路径识别的分析。为了进一步找出控制车体的规律和数据，反复实践研究了反射电压和墙面距离的关系，不断对模拟量反射管的电压值连续采样，车体和墙壁之间的距离通过电压值大小来识别，车体位置与对应有效的控制方法不断调整匹配。最终得出实践测量数据结

果分别为图2、图3、图4所示。

可见，在反射电压和墙面距离特性曲线图表中，接收电压与反射距离基本接近线性关系，从而为智能迷宫小车控制提供了理论依据，依据左、中、右各路反射回来的电压即可知道车的左、中、右和墙壁的距离，依据三方位的信息即可控制小车实现左转、右转、后退、90度转、180度转、直线行走。为了避免转弯的时候车子与墙面相撞、小车突然卡死等一些意外情况，另外增加两个用于转弯角度定位的传感器，在车子转弯时，它们负责记录转弯时的一些数据。

（二）红外检测仲裁。具体如下：

1.线行驶。小车直线行驶控制图5所示，把长度为10cm的小车等效为一点，当小车行驶到1位置时，根据左传感器检测到距离左边墙3cm的信号，判断小车已左偏且远离右墙；当小车行驶到2位置时，根据右边传感器检测到距离右边墙3cm的信号，判断小车已右偏且远离左墙；同理当小车行驶到达3位置时，判断小车已偏右并接近右墙；行驶到达4位置时，判断小车已偏左且远离右墙。因此，通过四个状态就可正确判断小车的行驶位置，而且行驶在中线4cm范围不碰墙壁。

2.路口处仲裁。图6所示，小车行驶于路口时，通过“0、1、2”号红外接收管接收到的电压值不同对小车所处的状态进行判断。如果“0”号传感器检测到电压值在0.8V范围内，探测到距离超出15cm，判断距离右边为“无穷远”，则说明右边有路口；如果“1”号传感器检测到电压值在2.5V以上，判断距离前方5cm处有墙壁，则说明前方无路；如果“2”号传感器的电压值在0.8V以上，判断距离左边15cm以内有墙壁，则说明左边无路口，此刻策略是右转90度。

3.舵机转向的控制。如表1所示，左舵机的方向控制信号用B0、B1表示，右舵机的方向控制信号用B2、B3表示，那么转动时间长短的不同，就分别代表了45度、90度、180度旋转状态。

三、硬件电路设计

为了制作出一个达到设计性能指标的智能迷宫小车，进行了多次硬件电路方案的修改，最后选用了直流电机控制车子的转向，在三轮式后面加一个重新设计的万向轮，用用舵机取代减速电机，电机转速慢，输出转矩大，动力强，容易控制。电机角度控制精确度高。再用周长

比较大的车轮换上，实践结果证明效果很好。整车装拼图7所示。（一）MC9S12XS128控制器。为了满足对设计灵活性和平台兼容性的需求，选用MC9S12XS128控制器，该控制器能实现一系列汽车电子平台上的可升级性、硬、软件可重用性、兼容性。采用S12V2CPU 内核，可在40MKHz总线频率上运行，有4KB、128KB、256KB闪存选项，带有校正错误功能（ECC），还有ECC的4KB-8KBDataFlash，可以用于实现数据或程序存储。

（二）电源模块。选用智能车1800mAH大容量电池，输出电压为7.2V 作为直流稳压电源电路，由LM1117构成的直流稳压电路输出6.0V 电压；由LM2940构成的直流稳压电路输出5.0V电压，由LM1117和LM2940构成具有电流限制和热保护功能电路。电路输出电流达800mA，输出电压稳定、精度高、失真小。

（三）电机驱动模块。电机驱动电路采用高性能的L293驱动芯片，传动机构采用两个相同型号的舵机改装而成，能灵活实现电机的正转和反转。

（四）反射红外传感模块。红外检测依据多个反馈点的数据，使用多点检测方法。接收管接收红外线信号的强弱与电流成正比，通过电阻把电流转换成电压值，再经LM358构成的电压跟随器以及电容滤波，给AD转换电路提供稳定的电压值。从而能更好实现高精度控制。（五）光敏检测模块。光敏检测模块采用光敏三极管进行检测，安装