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第二章 系统方案
2.1 系统工作原理
本系统中采用MC9S12XS128作为主控芯片，控制智能车的赛道信息及站点信息提取、舵机转向以及智能车的电机即智能车的启动或者停止。STC89C52作为控制显站点站名以及控制语音芯片ISD2560语音报站点名称。系统款图如图2.1。
赛道、站点信息LED显示电机、舵机mc9s12xs128STC89C52站点播放
图2.1
2.2 系统工作方式
由于MC9S12XS128具有8位模数转换通道，在设计中本设计只采用了其中的7位模数转换通道最为道路信息的采集部分，剩余的那位数模转换通道作为站点信息的采集通道。智能公交车启动后循环的对赛道信息和站点信息进行采样，若采样到站点信息，由MC9S12XS128发出控制指令使智能车停止行驶，并发出协议指令使STC89C52控制LED显示屏显示站点名称，并控制语音芯片报站点名称，等待报站和显示完成后。由STC89C52发送完成指令给MC9S12XS128，当MC9S12XS128收到该指令时，MC9S12XS128发送启动电机转动命令，智能车开始行使。依次直到终点站。
2.3 系统硬件设计
2.3.1 MCU模块
为了减轻车模整体重量，降低重心，并且便于电路板的固定安装，单片机部分电路板形状根据车体实际情况进行了重新设计，但电路完全按照组委会提供的核心S12的电路板基本电路进行设计，在其中放置了舵机控制、红外探头、霍尔测速、电机控速、串口等接口，另外安装了8只红色LED指示灯，方便调试。舵机直接由单片机产生的PWM信号控制，无需外加驱动电路。整个模块的电路如图2.2所示：
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图2.2 MCU模块电路图
I/O资源分配如图2.3所示。
图2.3 I/O资源分配图
红外传感器ATD0-ATD7ATDPORTB霍尔传感器PJ7PORTJPWMPWM0PWM4PWM1PWM7PB0-PB7电机驱动电机驱动红外传感器舵机LED指示灯2.3.2 路径识别模块设计
为了提高转向控制的连续性，避免转向过程出现振荡，一般要求尽可能增加红外光电管阵列的密度，但传感器密度加大又会产生相互干扰，使得可靠性变差。通过实验发现，七个红外光电管PT620构成的一字形阵列能够兼顾稳定性和可靠性，达到综合最优。
设计时利用不同颜色的路面对于红外线的反射率不同来识别路径。红外发射管发射红外线信号，经反射后被接收管接收，接收管接收到的信号强度将取决于路面的颜色。发射管的发射功率会受到上拉电阻值的影响，因此设计时使用滑线变阻器来调节发射功率，从而消除器件检测距离的差异。通过设定电压比较器LM2903的阀值可以将接收管接收到的模拟信号转化为数字信号送到微处理器的IO口，从而确定当前光电管是否处于导引线上。红外光电管设计电路如图2.4所示。
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图2.4 红外光电管电路原理框图
经过不断的调试改进，最终确定了较为合适的红外探头尺寸和探头对数，即消除了盲区又增加了探测宽度。如图2.5所示。
150mm134mm28mm5mm图2.5 红外传感器布局图
图2.6 红外信号发射接收电路
红外信号发射电路如图2.6所示，采用普通的红外发射管，调制信号由单片机的PA口作为空点输出口，由于PA口的驱动能力有限，在设计中采用了74HC373增加每一个光电传感器的工作电流。为了使得光电管的采集管采集到的返回值足够大、增加了探测距离利用了三极管的放大功能。
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图2.7 红外信号检测放大电路
2.3.3 电机驱动模块设计
当前典型的直流电机调速方法为脉冲宽度调制技术(PWM)，PWM技术较为成熟，具有设计简单，可实现无级调速等优点。根据智能模型车驱动电机PWM调速具体的硬件构建方式，其方案有如下几种。
方案一：采用继电器方案
该方案的原理是将PWM信号经驱动放大后控制继电器触点的开通与关断，因为模型车无需倒车功能，故不必搭建为桥型，可直接将电机与继电器串联在一起，该方案的优点是实现简单，价格低廉，通态电阻接近零欧姆，电机的机械特性较硬，缺点是开关频率受到很大的限制，响应速度较慢，且带来了附加的机械损耗。降低了整体效率。此外，还要专门设计制动电路。
方案二：采用电机集成驱动芯片MC33886
MC33886是一个单片的H桥集成驱动芯片，主要面向小功率直流电机的驱动。最大能够提供连续5A的驱动电流，通过PWM控制时，频率可以达到10KHz。有错误状态警告，输出短路保护，欠压关闭等各种完善的保护功能。桥路的通态电阻为0.12?，可以使电机具有较好的硬度。控制端可直接与单片机接口，输出端可直接与电机相连。它完善的保护措施，降低了硬件故障发生机率，提高了运行的稳定性。因此，在本设计中采用该方案，电路接口设计如图2.8所示。
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