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1、毕业设计毕业设计(论文论文)中文摘要中文摘要 简易智能电动车简易智能电动车 摘要摘要:本小车以MSP超低功耗单片机系列MSP430F149和MSP430FE425为核心，完成寻迹、检测金属、避障、寻光、测速等功能。在机械结构上，对普通的小车作了改进，即用一个万用轮来代替两个前轮，使小车的转向更加灵敏。采用PWM 驱动芯片控制电机，红外传感器检测黑线，金属传感器检测铁片，光敏器件检测光强，红外LED和一体化接收头来避障。基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法，实现题目要求。而且附加实现显示起跑距离、行驶时间、检测金属数目等扩展功能。关键词关键词：MSP430 寻迹 检测金属 避障寻光 毕业设计毕业设
2、计(论文论文)外文摘要外文摘要 TitleTitle:Simple Intelligent Car Abstract:This design is controlled with the MCU(MSP430F149,MSP430FE425)to complete the function of finding trace,detecting medal,avoiding barrier,tending to light and measure speed.By using infrared sensor to locate the trace、photoelectricity sense t
3、o measure the light、metal sensor to detect the metal and ultrasonic wave sensor to avoid the barrier.Based on the reliable hardware and software designing,this design is well fulfilled.In addition,such extended functions as measuring thedistance and recording the running-time are completed well.On t
4、he level of machine structure,we use a perfect wheel to make the car turning more convenience.Key words:MSP430 find trace detect medal avoid barrier and tend to light 目录 1 引言.4 2 系统设计.4 2.1 设计要求.4 2.1.1 基本要求.4 2.1.2 发挥部分.4 2.2 方案论证与比较.5 2.2.1 电机驱动方案的选择与论证.5 2.2.2 路面寻线模块.5 2.2.3 金属检测模块.5 2.2.4 寻光模块.5
5、 2.2.5 避障模块.5 3 硬件电路设计.6 3.1 主控制模块.6 3.2 电机驱动模块.8 3.3 寻迹模块.9 3.4 金属检测模块.11 3.5 寻光避障模块.11 3.6 测距和显示模块.12 3.7 电源模块.13 4 软件设计.14 4.1 寻迹算法.14 4.2 寻光，避障算法.16 4.3 串口通信.20 5.系统测试.22 5.1 测试用仪表：.22 5.2 测试数据：.22 结论.23 致谢.23 参考文献.23 附录.24 附件 1：使用 TI 芯片.24 附件 2：元器件清单.24 附件 3：实物及 PCB 图片.25 1 引言引言 随着素质教育的越来越被重视，很
6、多学校都把制作智能小车作为首选课题，智能小车有趣生动并且还牵扯到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制、单片机、编程等诸多学科知识，学生通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力，而且智能小车还是一个很好的硬件平台，只要增加一些控制电路就能完成循迹小车，机器人等课题。本设计以 MSP430 单片机为核心使小车实现特定功能要求，设计，制作过程详细，并且充分利用 MSP430 内部资源，是一个有趣而有意义的过程。2 系统设计系统设计 2.1 设计要求设计要求 2.1.1 基本要求（1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达 B 点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有 13 块宽度
7、为 15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。（2）电动车到达 B 点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达 C 点（也可脱离圆弧引导线到达 C 点）。C 点下埋有边长为 15cm 的正方形薄铁片，要求电动车到达 C 点检测到薄铁片后在 C 点处停车 5 秒，停车期间发出断续的声光信息。（3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于 90 秒，行驶时间达到 90 秒时必须立即自动停车。2.1.2 发挥
8、部分（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。（2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完全进入车库。（3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。（4）其它。2.2 方案论证与比较方案论证与比较 2.2.1 电机驱动方案的选择与论证 方案一：使用继电器对电机进行开关控制和调制。但缺点很明显，继电器响应慢而且机械结构容易坏。方案二：使用三极管或者达林顿管，结合单片机输出 PWM 信号实现调速的目的，此方案易于实施，但若控制电机转动方向较为困难。方案三：使用 PWM 控制芯片来实现对电机的控制。方案选择：采用方案三。，该方案电路简
9、单，性能稳定，可以轻松实现对电机方向的控制。2.2.2 路面寻线模块 方案一：采用光敏传感器，根据白色背景和黑线反光程度的不同来判断传感器是否位于黑线上。方案二：采用反射式红外传感器来进行探测。只要选择数量和探测距离合适的红外传感器，可以准确的判断出黑线的位置。方案选择：采用方案二。方案一受环境光的影响太大，效果不佳。而红外光不易受到环境光的干扰。2.2.3 金属检测模块 采用金属接近开关来检测铁片，当金属接近时，高频磁场在金属中产生了涡流，使得 LC 谐振回路的震荡幅度下降到阈值电压，开关输出信号。2.2.4 寻光模块 方案一：采用单一的光敏电阻，利用其在不同的光强下阻值不同，确定小车的转向
10、，保证其朝着光源最强的角度前进，这样做电路实现简单，但是精度不易控制。方案二：采用多个光敏电阻，在小车车头排列成为半圆状结构。根据矢量合成原理，按照各个传感器测量光强的不同，确定小车相对于光的位置。方案选择:采用方案二。此方案实现较为复杂但能取得良好的效果。2.2.5 避障模块 方案一：采用一体化红外接收头，在 38KHz 附近，接收头的灵敏度不同。依次在38KHz 发射频段不同的红外线，在距离障碍物一定距离时测出障碍物。方案二：采用超声波测距的方法，利用超声波传感器，监视测量发射脉冲和接受脉冲的时间差，计算超声波和物体之间的距离。可以将避障和寻光模块一起排列为环状结构。方案选择：虽然超声波测
11、距有其性能上的优势，但其价格过高，且通过算法上的优化红外测距完全可以满足设计要求，故采用方案一。2.2.6 测距模块 方案一.采用断续式光电开关测距 方案二.利用磁钢和干簧管，在车轮上均匀粘贴若干磁钢。每当车轮上磁钢转动至干簧管处，单片机进行一次计数，结合车轮半径就能求出小车行进距离。方案选择：考虑到小车的实际机械结构，如果采用方案一必然会对小车结构有较大的改变。方案二结构简单、市场上的磁钢、干簧管体积小巧，易于在我们的小车上很好的固定安装。而且软件上也易于实现。3 硬件电路设计硬件电路设计 本系统以 MSP430F149 和 MSP430F425 为控制核心。整个硬件框图如下图所示：图2.1
12、系统硬件框图 3.1 主控制模块主控制模块 MSP430 系列单片机是美国 TI 公司 1996 年开始推向市场的一种 16 位的超低功耗的混合信号处理器。其之所以称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。MSP430 单片机更适合于低功耗、高速实时控制以及数据计算，它拥有更多的片上资源供设计使用，是设计的不错选择。由于本小车实现功能较多，因此我们选择了 MSP430F149 和 MSP430FE425 为双核心的系统。通过编写通信协议，完成其之间的串行通信。MSP430F149 主要完成电机驱动、寻迹、避障
13、、寻光等功能。如图 2.2：图 2.2MSP430F149 原理图 MSP430FE425 主要完成金属检测、测速、液晶显示等功能。如图 2.3：图 2.3 MSP430FE425 原理图 3.2 电机驱动模块电机驱动模块 电机的驱动芯片选用 L298N 作为驱动芯片。工作稳定电机驱动信号由单片机提供，信号经过光耦隔离后，传至 PWM 控制芯片 L298N，通过 L298N 的输出与两个电机相连。L298N 的连接方法如图 2.4 所示 图2.4 L298N的连接方法 芯片控制方法如下图 2.5，11 脚为高时，当 10 脚电平高于 12 脚时，13 脚，14 脚端电机正转；12 脚电平高于
14、10 脚时，电机倒转；11 脚为低时，电机自由控制。图 2.5 L298N 控制电机方法 3.3 寻迹模块寻迹模块 当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，输出端将输出低电平；当小车行驶到黑线时，红外线信号被黑色吸收后，将输出高电平，从而实现了通过红线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机的 I/O 口，当 I/O 口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑线吸收了，表明小车处在黑色的引线上；同理，当 I/O 口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。反射式红外传感器 ST188 采用高发射功率红外广电二极管
15、和高灵敏度光电晶体管组成。检测距离可调整范围为 415mm；采用非接触检测方式。图 2.6 反射式红外传感器工作原理 图 2.6 是反射式红外传感器的工作原理图。封装在矩形壳体中的是发射器 LED（由左侧的白色方块表示）和探测器装置（在右侧）。虚线表示光线从发射器 LED 中发出并反射回探测器；探测器检测到的光强大小取决于物体表面的反射率，而这一光强就是传感器的输出值。如图所示，选通信号（高电平）经过三极管扩流后送到传感器的 K 脚，如果检测到黑线，传感器 C 脚输出高电平；否则输出为低电平。图 2.7 寻迹模块电路原理图 为了提高控制精度，要求传感器排列紧密，越紧越好。但传感器排列紧密，传感
16、器发射管的光线可能会从地面反射进入临近传感器的接收管。所以不能同时开启这些传感器。其分布如图 2.8 所示：图2.8 传感器安装图 3.4 金属检测模块金属检测模块 采用市售的接近开关，无信号时，探头输出高电平。检测到金属时，电平跳变为低，单片机再进行相应处理。相应金属传感器型号为 LJ18A3 型。3.5 寻光避障模块寻光避障模块 寻光避障模块均设计为环状传感器结构，共排布若干个传感器组，每个传感器组包含红外收发模块和光敏电阻。如下图所示，共有五个传感器组：图 2.9 传感器的排布 光源检测模块，光敏电阻 A 组到 E 组从不同方向采光，每个光敏电阻的电压信号入单片机片内 ADC，利用 F1
17、49 系列内置的 ADC12 模块，实现了对五个方向光强的采集。由 ADC 的值，判断光强不同来确定小车的趋光方向；同理，可设定一个阈值比较，得出一开关信号调节最终小车停在车库内。避障模块，利用单片机定时器发出可调制的 38KHz 红外线，利用一体化接收头判断，再由小车执行相应的避障动作。图 2.10 寻光避障模块原理图 3.6 测距和显示模块测距和显示模块 利用磁钢和干簧管，在车轮上均匀粘贴若干磁钢。每当车轮上磁钢转动至干簧管处，单片机进行一次计数，结合车轮半径就能求出小车行进距离。显示模块采用段码液晶来实现，FE425 上有专门的液晶接口，可以很方便地实现电路。液晶采用 4-MUX 输入方
18、式的 7 位半段码液晶。图 2.11 液晶显示模块原理图 3.7 电源模块电源模块 小车采取单电源供电，由于传感器需采用 5V 供电，主控制芯片采用 3.3V 供电故电源模块的电路如图 2.12，图 2.13 所示：图 2.12 电源模块 1 图 2.13 电源模块 2 其中 Vin 接 5 节 1.5V 电池，经 TLV1117-5 可稳到 5 V，经 TLV1117-3.3 稳到 3.3V，分别给传感器和控制芯片提供电源。注意系统在单片机去电机驱动的连接部分要使用光耦进行隔离。4 软件设计软件设计 本系统采用“双核”结构，一片采用 MSP430F149，一片采用 MSP430F425，功能
19、上主要用 F149 做运动控制芯片，F425 做检测金属，计算距离，液晶显示，计时等功能。之所以采用 MSP430 单片机，主要时因为该系列单片机有许多优 秀的特点，非常适合用于本系统。首先，MSP430 单片机引入了时钟系统的概念，将 CPU、外围功能模块、休眠唤醒机制三者相互独立，这就可以通过软件设置时钟分频实现系统不同程度的休眠，让系统以间歇方式工作最大限度的节省电力，我们小车系统的 F425 就是使用 Basic Timer 定时唤醒。其次，MSP430 单片机内核时 16 位 RISC 处理器，单指令周期，运算能力，处理能力都具有一定的优势，完全可以满足我们小车寻线、避障、寻光等多个
20、功能的实现，CPU 可以在 1.8-3.3V宽电压供电。第三，MSP430 系列单片机采用模块化的结构，每一种模块（内部资源）都具有独立而完整的结构，在不同型号的结构中，同一种模块的使用方法和寄存器都时相同的。这为学习和开发 MSP430 单片机提供了便利。比如说我们的双核系统内部都用到了 TA 定时器，UART0 串口，这样的话开发时就可以只对底层程序稍作修改用于不同型号的 MSP430 单片机。第四，MSP430 内置资源非常地强大，它不仅仅只是一个微处理器系统，还包含了模拟电路、模数/数模转换电路、显示接口等丰富的外设。要完成对小车的巡线，寻光，避障，显示距离，计时等功能，除了必要的传感
21、器和电机驱动芯片以外，一个完整系统所需的所有外设都集成在了430 芯片上。两片MEP430单片机几乎提供小车的SOC 解决方案。4.1 寻迹算法寻迹算法 采用 PID(PD)控制算法，如果某时刻检测到黑线偏左，就要向左转弯；如果检测到黑线偏右，就要向右转。偏得越多，就要向黑线方向打越大的转角。这就是比例控制（P）。遗憾的是，因为小车有惯性。假设黑线偏左，说明小车偏右了，需要左传舵，等到小车回到中心的时候，停止转舵，可是小车的惯性会使车身继续左转，直到冲过黑线，黑线又偏右。然后控制过程反复，车身是在左右摇摆中向前行走的。这种摇摆叫做“超调”，超调越大，控制越不稳定，容易出轨。为了克服惯性，我们除
22、了位置信息之外，还需要知道轨迹的变化趋势。我们可以用黑线位置的微分值来提前得到变化趋势。用本次位置减去前次位置求出差值，就大致知道偏移量的变化趋势。将该差值和比例相加后一起作为控制量，即可实现提前控制。这就叫做比例微分控制（PD 控制）/*PID(PD)控制算法*/int PID_Control(signed char Position)int Temp_P,Temp_D,Temp_PID,Temp_I,k;/声明三个变量，用于存放 P、ID 量的运算结果三量的运算结果(I 没用上)if(Position=-128)return(No_black);/错误处理(值得改进的地方)Else Tem
23、p_I=Position;for(k=0;k5000)Temp_PID=5000;/防止控制量溢出 if(Temp_PID=RXBUF_SIZE)RX_IndexR=0;_EINT();return(1);#program vector=UART0RX_VECTOR _interrupt void UART0_RX(void)UART_InpLen+;RX_BUFFRX_IndexW=U0RXBUF;if(+RX_IndexW=RXBUF_SIZE)RX_IndexW=0;5 系统测试系统测试 5.1 测试用仪表：测试用仪表：5.2 测试数据：测试数据：结论 按照要求，小车已经基本完成了所有题
24、目要求的任务。本作品涉及到了一系列光机电一体化的技术。其中机械结构是小车能否稳定运行的基础，硬件电路决定了小车实现的功能，而软件部分则是控制的灵魂，算法的好坏直接决定了完成任务的质量。整个设计过程中，在小车的机械结构设计上我们曾经遇到了很大的困难，买回的玩具小车由于不符合要求已经被改的面目全非。好在最终解决了机械结构的问题。在使用 MSP430 的开发过程中，我们也充分体会到了这款单片机的性能优越性和便利性，其单芯片设计方案对提高产品集成，降低系统成本有很大的帮助。最终核算，整个小车成本不超过 300 元。致谢 整个项目的研发无疑是一个充满辛苦的过程。但是在指导老师的悉心指导下，在整个实验室同
25、学的无私帮助下，最终完成了任务，在此对老师以及各位同学表示感谢！参考文献 1 刘南平.电子产品设计与制作技术.科学出版社，2008 2 杨 刚.电子系统设计与实践.电子工业出版社，2009.3 3 余祖俊.微机监测与控制应用系统设计.北方交通大学出版社，2001.12 4 温志明.运动控制系统分析与应用.国防工业出版社，2008.2 5 催维娜.智能电子制作.科学出版社，2007 6 张红润.智能技术系统设计与开发.北京航空航天出版社，2007.2 8 陈铁军.智能控制理论及应用.清华大学出版社，2009.1 9 刘少强.传感器设计与应用实例.中国电力出版社，2008 10 何立民.单片机应用
26、系统设计.北京：航天航空大学出版社,11 何希才.新型实用电子电路 400 例.电子工业出版社,2000 13 赵负图.传感器集成电路手册.第一版.化学工业出版社,2004 14 陈伯时.电力拖动自动控制系统.第二版.北京:机械工业出版社,2000.6 15 张毅刚.新编 MCS-51 单片机应用设计.第一版.哈尔滨工业大学出版社,2003 附录附录 附件附件 1：使用：使用 TI 芯片芯片 附件附件 2：元器件清单：元器件清单 附件附件 3：实物及：实物及 PCB 图片图片 附录图1小车图片1 附录图 2 小车图片 2 附录图 3 寻迹 PCB 附录图 4 趋光避障 PCB：附录图 5 主板 PCB
