硬件电路的设计是自动控制器的基础。智能汽车竞赛指定飞思卡尔公司S12系列的16位单片机MC9S12DG128作为核心控制处理器。本智能车采用了组委会提供的开发板MC9S12EVKC作为单片机最小系统，并在此基础上增加了各种接口电路板组成整个硬件系统。下面将对硬件设计中除了单片机最小系统之外的其他几个主要的模块设计进行讨论。
4.1 电源模块
电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。
全部硬件电路的电源由配发的标准车模用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。主要包括以下不同的电压。
5V电压。主要为单片机系统、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。
12V电压。主要为CCD图像传感器提供12V的工作电源。
7.2V电压。这部分直接取自蓄电池两端电压，主要为舵机、后轮电机驱动模块和部分接口电路提供电源。
除了7.2V电压可以直接由蓄电池获得，5V电压需要通过降压稳压电路获得，12V电压通过升压稳压电路获得。
电机驱动电路的电源可以直接使用蓄电池两端电压。模型车在启动过程中往往会产生很大的冲击电流，一方面会对其他电路造成电磁干扰；另一方面由于电池内阻造成电池两端的电压下降，甚至会低于稳压电路所需要的最低电压值，产生单片机复位现像。为了克服启动冲击电流的影响，可以在电源中增加容值较大的电解电容，也可以采用缓启动的方式控制电机。在启动时，驱动电路输出电压有一个渐变过程，使得电机启动速度略为降低从而减小启动冲击电流的幅度。
4.1.1 降压稳压电路设计
我们采用的降压稳压芯片是LM1117-5.0[9]。LM1117 – 5.0是一种低压差的线性稳压器件，最大输出电流为1A，足够提供系统中5V器件所需功率。另外，其输出电压波动范围仅为±0.1V，精度较高，经实验证明，能够满足本智能车系统中各项要求。典型电路如图3.1所示。我们最终应用的降压稳压电路就是在图3.1的基础上在输出端加一个1000μF的滤波电容即可。
4.1.2 升压稳压电路设计
主要的升压芯片有MC34063A/E，MAX734，MAX632。
在去年的比赛中，使用MAX734，MAX632芯片作为升压器件的参赛队伍很少。而MC34063A/E芯片的使用却很多。并且我在很多参考数目上都看到了使用MC34063A/E芯片作为升压电路的实例，所以我决定采用它作为升压器件。
MC34063是开关稳压芯片，可构成升压、降压斩波电路。输出开关电流大于1.5A。2.5mA的低静态电流。典型电路如图3.2 所示[10]。
若将MC34063应用到本升压电路，使输入VIN 为7.2V，输出为12V，则应将电路更改为图 3.3 所示。实验表明，这个电路能很好的实现12V升压的功能，满足本智能车硬件电路的需要。虽然有一定的发热，但是完全不影响各部分工作。
4.1.3 电源模块小结
综上，可以得到电源模块星型电路结构图3.4：
4.2 路径识别模块
一般来说，面阵CCD已经将芯片的驱动电路集成在一起了，它的输出信号为标准的模拟复合视频信号。该信号中主要包括了同步信号和图像信号，它的幅值为1V左右。对于该信号可以不经过放大直接由单片机的A/D端口采集到视频图像数据。此外，还可以直接通过外部的电压比较器，将模拟视频信号变成高低电平信号，通过单片机的I/0口输入到计算机，这样可以避免由于单片机A/D转换速度而带来的采集图像分辨率低的问题。无论采用哪种方法，都需要专门的视频同步分离电路提供行、场同步信号，这些同步信号一般送到单片机的外部中断端口。本智能车采用LM1881作为视频信号同步分离芯片。
基于S12单片机[11]采集视频图像电路系统框图如图3.5 所示。
其中包括有S12单片机最小系统、同步分离电路、5V稳压电路、12V MC34063斩波升压电路等。
视频信号同步分离电路如图3.6所示[12]。
其中S12单片机端口资源配置如下：
1） AD输入端口PAD00，PAD08：输入视频模拟信号；
2） 外部中断口IRQ：输入视频同步信号；
3） CS接单片机的PE1口：输出复合同步信号；
4） VS接单片机的PH1口：输出场同步信号；
4.3 电机模块
直流电机的控制由单片机的PWM信号来完成，驱动芯片采用飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器MC33886。其工作电压为5-40V，导通电阻为120mΩ，输入信号为TTL/CMOS，PWM频率小于10KHz。电路如图 3.7 所示。
其中D1、D2是MC33886的使能端，IN1、IN2为输入端，OUT1、OUT2为其输出端。单片机通过PWM通道的占空比控制电机速度，IN2 和IN1分别接到PP1和 PP0上控制电机的正转和反转速度（因为电机工作频率小于10KHz，所以一个通道控制电机速度就够了），正转为智能车加速，当转弯时利用了反转PWM波来控制电机的减速；D1和D2接到单片机的IO口上控制电机转动方向（正转或反转）。
4.4 舵机模块
由于舵机工作频率为50HZ，需采用双通道PWM控制舵机转向（合并PP4、PP5）。将舵机的信号线接到PP5口上。
4.5 测速传感器模块
本智能车的测速采用光栅编码器，它每转动一圈都会输出一定个数的脉冲，通过在单位时间内测量得到的脉冲数，就可以得出电机的转速。
光栅编码器由光栅盘和光栅式光电开关组成。光栅盘可以自己制作，光栅式光电开关为配对并集成的LED管和光敏三极管。 LED（发射端）的出射光照射到一小段距离之外的光敏三极管（接收端）上，传感器的状态随出射光是否被遮挡而改变。光电开关外围电路如图3.8 所示。
电路A为传感器的发射端提供了限流电阻R1。R1可以选220Ω—1KΩ。与反射式光电开关不同的是，在这里LED管的亮度不需要很高。事实上，如果LED管过亮，不仅增加功耗，而且红外光容易穿过阻光区域，造成误信号。因此，可以从高阻值的电阻开始选用（越1KΩ），当发生误差信号问题时，只需将电阻值下调。
电路B为传感器接收器（光敏三极管）的外围电路。如果接收端使用的是PNP型光敏三极管，则采用电路C。对B与C的两个电路来说，R3决定着灵敏度，其取值范围由具体的接收端光敏三极管所决定，一般为10KΩ—20MΩ。
但光电开关直接输出的信号并不理想，为了使光电开关的输出信号数字化，提高抗噪声能力，应用施密特触发器。外围电路如图3.9所示：
输出送单片机的增强型定时捕捉模块的PT7口进行脉冲记数。
4.6本章小结
根据硬件系统的设计，得出系统硬件参数如下表3.1：
