基于超聲波的智能避障小車的研究與設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)基于超聲波的智能避障小車的研究與設(shè)計(jì)基于超聲波的智能避障小車的研究與設(shè)計(jì)摘要 在這個(gè)智能普及的時(shí)代，智能小車也逐漸吸引著高校學(xué)生和研究工作者們的眼球?；趩纹瑱C(jī)的智能小車制作成本較為低廉，操作起來比較方便，電路簡單，程序方便易調(diào)試，且其比較考驗(yàn)制作者的細(xì)膩及用心程度，趣味性比較強(qiáng)，所以在本設(shè)計(jì)中的核心就是用單片機(jī)控制智能小車并使其搭載超聲波測距儀，通過程序的編寫以及對硬件各部分的調(diào)試，使其最終達(dá)到在障礙物小于編程中設(shè)定的距離的情況下能夠進(jìn)行自動(dòng)避障。超聲波也是現(xiàn)在時(shí)代發(fā)展的主流。應(yīng)用在各個(gè)大品牌的汽車上。自動(dòng)泊車和拐彎都是在基于超聲波的測距情況下來完成并實(shí)現(xiàn)其功能的。本設(shè)計(jì)的最初靈感是來自倉庫管理機(jī)器人，在如今勞動(dòng)力較為飽和的社會(huì)現(xiàn)狀下，能夠用更小的投資獲得最大的收益也成為企業(yè)家們更加關(guān)注的問題，若本設(shè)計(jì)能夠完成并且能夠完美收官，也會(huì)被不少企業(yè)家們所看重。在本設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用了在大學(xué)四年間學(xué)到的單片機(jī)程序編寫的知識、電路連接、硬件焊接以及電子設(shè)計(jì)等多種真正在學(xué)校學(xué)習(xí)到的本領(lǐng)。比較考驗(yàn)本人的知識融合能力以及動(dòng)手操作的實(shí)踐能力。對將來步入社會(huì)都起著舉足輕重的作用。關(guān)鍵詞：超聲波；避障；單片機(jī)；程序編寫research and design of ultrasonic intelligent vehicle obstacle avoidanceabstractin this era of universal intelligent, smart car has gradually attracted college students and research workers of the eye. based on single-chip smart car production is low in cost, convenient to operate, simple circuit, easy debugging procedures, and the comparative test and delicate intentions of the creators, interesting and relatively strong, so the core in this design is to use scm smart car which equipped with ultrasonic range finder, through the program and the debugging of the hardware, so that it can reach the obstacle distance less than a set of programming in case of automatic obstacle avoidance.ultrasonic is the mainstream of the development of the times now. used in various brands of cars. automatic parking and turning are in the situation of the ultrasonic ranging down to complete and based on the realization of its function.the original inspiration of this design is from the warehouse management in the social status of the robot, now labor is saturated, can obtain the maximum profit with less investment has become entrepreneurs pay more attention to the problem, if the design can complete and perfect ending, many entrepreneurs will be valued.in this design, the integrated use of the knowledge learned in the four years of university circuit microcontroller programming the hardware connection, various welding and electronic design of real learning skills in school. the comparison test of the knowledge integration ability and practice ability of the operation. to enter the society in the future will play a decisive role. key words：singlechip；ultrasonic；obstacle avoidanc；program目錄第一章緒論11.1 項(xiàng)目研究背景及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展情況11.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀21.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)目標(biāo)與內(nèi)容31.4 論文結(jié)構(gòu)安排3第二章器材介紹42.1 寶貝車底盤42.1.1 亞克支架底盤配件清單42.1.2 tt變速電機(jī)42.1.3 小車車輪2個(gè)52.1.4 萬向輪 1個(gè)52.2 uln200362.3 msp430f149單片機(jī)82.4 繼電器142.5 超聲波測距儀器 us-100模塊簡介16第三章程序編寫203.1 us100超聲波測距模塊程序203.1.1 超聲波測距模塊觸發(fā)方式203.1.2 單片機(jī)串口配置213.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式25第四章硬件平臺的搭建274.1 模塊接線274.1.1 us-100超聲波測距儀器284.1.2 繼電器284.1.3 電機(jī)294.2 小車運(yùn)行實(shí)際效果30第五章結(jié)論34參考文獻(xiàn)35致謝36天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第一章緒論1.1 項(xiàng)目研究背景及意義世界終將是嵌入式的天下。微軟在80年代看到了個(gè)人pc，卻沒有預(yù)測到更遠(yuǎn)的未來。喬布斯重新定義了智能手機(jī)，更加貼近人類生活。然而谷歌放眼的是改變世界。開放式的平臺才是世界未來的發(fā)展主流。時(shí)代在變，時(shí)代的主流在變，人們心中的定義的流行更新替換的也是越來越快。在進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界發(fā)展的總體大方向是“智能”。什么是智能呢？職能作為新時(shí)代的產(chǎn)物，被定義為“它能夠按照人類預(yù)先給定的模式，在某個(gè)特定的環(huán)境和條件下自動(dòng)運(yùn)行，不需人為的管理，就可以完成預(yù)期所想要達(dá)到的或者是更高級的目標(biāo)?！痹诒驹O(shè)計(jì)中，就體現(xiàn)了小車的智能模式。通過程序的編寫和硬件的調(diào)試，在單片機(jī)控制下，驅(qū)動(dòng)小車底盤上的變速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小車的前進(jìn)，通過搭載在小車底盤上的超聲波測距儀判斷在障礙物距離，并在小車與障礙物的距離小于編程中的設(shè)定值時(shí)，小車就會(huì)自己做出自動(dòng)的動(dòng)作，朝著沒有障礙物的方向繼續(xù)前行，完成開始設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)。在當(dāng)今這個(gè)社會(huì)的大背景下，所有人力不可及的事情好像都可以通過人類的智慧，讓更多的現(xiàn)代高科技產(chǎn)物代替人類去完成。比如在地震之后，檢測在廢墟下是否還有待拯救人類；在家庭主人忙碌一整天之后，回到家之后看到亂作一團(tuán)的家里衛(wèi)生環(huán)境，通過簡單的一個(gè)開關(guān)按鈕，就可以讓吸塵器機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)作，幫助打理家庭環(huán)境衛(wèi)生；在陰暗的工廠倉庫中，工人們不方便操作，本設(shè)計(jì)就是工廠倉庫搬運(yùn)機(jī)器人的雛形。我國作為世界上的經(jīng)濟(jì)大國，在科技領(lǐng)域已經(jīng)取得不小的成就。但是在汽車制造業(yè)，我國跟世界上的頂尖制造國還是有一定的差距。在頂尖的汽車中，都會(huì)應(yīng)用到超聲波的智能避障，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離小于一定距離的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)提示車主，讓車主做出相對應(yīng)的處理措施。若司機(jī)沒有采取措施，汽車便會(huì)制自行制動(dòng)，避免發(fā)生危險(xiǎn)。我國的科研人員也可以參照此方向做研究并進(jìn)行發(fā)展。1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀在國外，機(jī)器人的發(fā)展有如下趨勢。一方面機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強(qiáng)大，并向著計(jì)算機(jī)技術(shù)和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機(jī)器人，服務(wù)型機(jī)器人，機(jī)器人玩具等1。國外研究機(jī)構(gòu)正試圖將機(jī)器人應(yīng)用于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。外太空探索，倉庫管理，智能家庭清潔機(jī)器人，智能避障小車，航空航天，兒童玩具，以及人們?nèi)粘Ｋ玫降氖謾C(jī)，電腦等都充斥著智能，智能是這個(gè)社會(huì)發(fā)展的大方向，是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢，國外在這方面的研究早于我國，因此在這方面，我國還是比較落后于歐美及日本等發(fā)達(dá)國家的。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀自人類進(jìn)入科技世紀(jì)后，隨著各領(lǐng)域的科技技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對生活、生產(chǎn)、工具使用安全性的要求也越來越高，相比于古代的人力，人們現(xiàn)在更愿意讓機(jī)器去代替人力來完成一些工作，因此，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)改變這一現(xiàn)狀，各類高科技產(chǎn)品交替衍生，小則人們的衣食住行，行車安全，智能交通，兒童玩具等，大則到國家的國防安全，航天航空領(lǐng)域，外太空探索等，這些都已成為人們生活必不可少的一部分。機(jī)器人是現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)物，是人類文明進(jìn)步的標(biāo)志，是世界發(fā)展史上的一個(gè)重要的里程碑。它可以作為人類勞動(dòng)成產(chǎn)中的主要力量，可以在很大程度上幫助人們減輕工作負(fù)擔(dān)，減小工作量；不會(huì)危及到人類的安全，在人類不適宜去到的環(huán)境下可以驅(qū)使只能小型機(jī)器人代替人類涉足，將信息傳回人類所能接受到的媒介中，使人總結(jié)并得出應(yīng)有的結(jié)論。對于機(jī)器人的定義從來都沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但是在大多數(shù)專家學(xué)者看來，所謂機(jī)器人就是通過軟件編程控制硬件，使其能夠?qū)崿F(xiàn)它應(yīng)該完成的功能。在1979年，美國的機(jī)器人學(xué)會(huì)對機(jī)器人進(jìn)行了定義：一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是位了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。而日本的學(xué)者則認(rèn)為：機(jī)器人就是一種自動(dòng)化的機(jī)械。但是在我國的學(xué)者眼中，機(jī)器人就是一種自動(dòng)化機(jī)器，它能夠具有高度的靈活性，并且具備一些和人或生物相似的智能能力的自動(dòng)化機(jī)器2。智能小車就是在這樣的前提下演變而成的，智能小車其實(shí)就是一種簡易的智能機(jī)器人，它具有很強(qiáng)的自我組織能力和自我適應(yīng)能力，可以在沒有人操作的情況下完成很多提前規(guī)劃好的任務(wù)。其被開發(fā)出的主要目的就是完成一些危險(xiǎn)的，費(fèi)時(shí)費(fèi)力的，一些對人們正常生活有障礙的工作，此時(shí)，智能避障小車就能很好的去完成這些工作，并達(dá)到預(yù)期的目的，障礙物檢測是智能移動(dòng)機(jī)器人、智能汽車對周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要方面。可移動(dòng)的智能機(jī)器人自適應(yīng)能力強(qiáng)，高度的自規(guī)劃能力和較強(qiáng)自組織能力使其性能強(qiáng)勁，操作方便，在沒有人類的干預(yù)和擾動(dòng)條件下，不用特定環(huán)境和外部因素的改變，就能夠在初始設(shè)定中有效的完成設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)，完成任務(wù)。智能避障小車是智能汽車研究的雛形，通過傳感器的數(shù)據(jù)接收能夠快速的進(jìn)行判斷并且迅速作出反應(yīng)，對感知周圍環(huán)境技術(shù)也有一定的研究意義。社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，使得如今技術(shù)越來越向利益方向發(fā)展，歐美各國及日本等發(fā)達(dá)國家都對該研究方向做出一定的探索和研究，并且取得了比較可觀的成果。我國因?yàn)榘l(fā)展起步晚，理論技術(shù)不足，基礎(chǔ)設(shè)施不全，資金分配不夠合理等因素，導(dǎo)致我國在這方面的研究領(lǐng)域中取得的成果與發(fā)達(dá)國家存在較大的差距，只有一些小研究機(jī)構(gòu)能做出一些小的研究成果。在本設(shè)計(jì)中，通過使用“基于超聲波的障礙物檢測測距系統(tǒng)”，用單片機(jī)msp430f149驅(qū)動(dòng)小車的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過裝配的單片機(jī)程序驅(qū)動(dòng)，負(fù)載超聲波的測距程序，實(shí)現(xiàn)小車在障礙物的距離小于設(shè)定距離時(shí)能夠自動(dòng)作出判斷并執(zhí)行拐彎動(dòng)作，向沒有障礙物的方向繼續(xù)前行。此設(shè)計(jì)可以說是就在機(jī)器人的雛形，也可以是倉庫搬運(yùn)機(jī)器人的雛形，也可以用于兒童玩具開發(fā)，發(fā)展前景較為廣闊，使用價(jià)值比較高。1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)目標(biāo)與內(nèi)容研究us-100超聲波模塊的測距工作原理，學(xué)習(xí)本模塊的使用方法；研究車輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法，并了解電機(jī)的負(fù)載及其驅(qū)動(dòng)電壓，設(shè)計(jì)合理的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；用ccs編寫程序，實(shí)現(xiàn)智能避障小車的控制算法，利用us-100超聲波測距模塊，測量障礙物和小車之間的距離，通過單片機(jī)程序的編寫驅(qū)動(dòng)超聲波模塊反饋的距離，與在設(shè)計(jì)中的設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)距離小于設(shè)定值時(shí)，小車能夠自動(dòng)避開障礙物并繼續(xù)前進(jìn)。智能避障小車也會(huì)在倉庫管理等方面有廣泛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能避障小車的控制算法，在鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的同時(shí)，可以為工程實(shí)踐積累經(jīng)驗(yàn)。1.4 論文結(jié)構(gòu)安排第1章，緒論。介紹本設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)研究目的，研究背景、研究意義以及主要研究內(nèi)容，并對相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀做簡要分析；第2章，本設(shè)計(jì)的相關(guān)器件的介紹；第3章，系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)，在ccs編程環(huán)境中利用c語言對系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，包括超聲波測距，智能避障等程序的編寫；第4章,系統(tǒng)硬件平臺的搭建；第5章,本模型的運(yùn)行效果行調(diào)試；第6章,結(jié)論。通過對本次設(shè)計(jì)中的方法和方式進(jìn)行總結(jié)，得出本次設(shè)計(jì)的結(jié)論，并總結(jié)設(shè)計(jì)收獲和體會(huì)，同時(shí)指出再設(shè)計(jì)工作中的不足之處和需要改進(jìn)的地方。第二章器材介紹2.1 寶貝車底盤 2.1.1 亞克支架底盤配件清單亞克力底盤1個(gè)。本小車底盤的規(guī)格為：長為20cm，寬為15cm，頭部寬為15cm,中部寬為10cm。底盤實(shí)物圖如圖2.1所示：圖2.1 寶貝車底盤fig.2.1 baby car chassis2.1.2 tt變速電機(jī)本設(shè)計(jì)所用的小車電機(jī)實(shí)物如圖2.2所示：圖2.2 tt變速電機(jī)實(shí)物圖fig.2.2 tt variable speed motor physical map電機(jī)采用扭力強(qiáng)勁抗干擾強(qiáng)磁電機(jī), 超省電，空轉(zhuǎn)電流0.1-0.2a,電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無抖動(dòng)。本設(shè)計(jì)中對速度無要求，要穩(wěn)定巡線，調(diào)速運(yùn)行，用1：120的電機(jī)，6v電壓，速度約90轉(zhuǎn)/分鐘，可以載重1公斤左右。2.1.3 小車車輪2個(gè)本設(shè)計(jì)中小車的車輪如圖2.3所示：圖2.3 小車車輪實(shí)物圖fig.2.3 the car wheel physical map2.1.4 萬向輪 1個(gè)本設(shè)計(jì)中小車轉(zhuǎn)彎是由如圖2.4所示的萬向輪控制的：圖2.4 小車萬向輪fig.2.4 the car wheel亞克力tt電機(jī)支架 4個(gè)銅柱 4 個(gè)與 螺絲3x6mm 8個(gè)（固定萬向輪）螺絲3x30mm 4個(gè) 螺帽3mm 4個(gè) （固定電機(jī)）2.2 uln2003復(fù)合晶體管iculn2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅npn 復(fù)合晶體管組成3。uln2003實(shí)物圖如圖2.5所示：圖2.5 uln2003實(shí)物圖fig.2.5 uln2003 physical mapuln2003的每一對復(fù)合三極管都串聯(lián)一個(gè)2700歐姆的基極電阻,在5v 的工作電壓下它能與“晶體管-晶體管邏輯電路”和“金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成的集成電路”直接相連，它能夠處理原本需要用標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來緩沖處理的數(shù)據(jù)。uln2003晶體管的工作輸出電壓高，工作輸出電流大，灌電流可達(dá)500ma，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受輸入為50v的電壓，輸出還能在高負(fù)載電流并行運(yùn)行4。uln2003采用dip16或sop16塑料封裝。uln2003的內(nèi)部存在一個(gè)二極管可以用來消除線圈的反電動(dòng)勢，所以它可以用來驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,npn晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓是50v,電流是500ma,輸入電壓=5v,適用于“晶體管-晶體管邏輯電路”和“金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成的集成電路”,由復(fù)合三極管組成驅(qū)動(dòng)電路。uln是集成復(fù)合三極管的集成電路,內(nèi)部有一個(gè)用于消除線圈反電動(dòng)勢的二極管,它輸出的電流最大為200ma，飽和壓降大約為1v左右，最大承受電壓大約為36v。uln2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、plc、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載5。 uln2003的電氣特性如表2.1所示：表2.1 uln2003的絕對最大額定值及電氣特性table 2.1 the electrical characteristics of the absolute maximum ratings of the uln2003特點(diǎn)符號等級單位輸出電流（最大值）iout500毫安工作溫度 opr85攝氏度工作溫度 opr-40攝氏度儲存溫度（最大） 英鎊150攝氏度儲存溫度（最小值） 英鎊-55攝氏度輸出擊穿電壓v ce（sus）50v特點(diǎn)條件單位等級直流電流增益（最小值） fe-1000單位v in（on）（最大值）vin（on）-24-v in（on）（最小值）vin（on）-2.8v推薦系統(tǒng)電源電壓（最大值）v in（推薦）-24v推薦系統(tǒng)電源電壓（最小值）v in（推薦）-0v輸入5vttl電平，輸出可達(dá)500ma/50v。 uln2003是高壓大電流復(fù)合三極管陣列系列產(chǎn)品,它可以使電流變大、工作電壓變大、適應(yīng)溫度范圍大、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn),適應(yīng)于各類要求較大功率速率快的系統(tǒng)6。引腳介紹如表2.2所示：表2.2 uln2003各個(gè)引腳功能介紹table 2.2 uln2003 introduced the function of each pin引腳1cpu脈沖輸入端，端口對應(yīng)一個(gè)信號輸出端。引腳9是7個(gè)續(xù)流二極管負(fù)極的公共端引腳2cpu脈沖輸入端引腳10脈沖信號輸出端，對應(yīng)7腳信號輸入端引腳3cpu脈沖輸入端引腳11脈沖信號輸出端，對應(yīng)6腳信號輸入端引腳4cpu脈沖輸入端引腳12脈沖信號輸出端，對應(yīng)5腳信號輸入端引腳5cpu脈沖輸入端引腳13脈沖信號輸出端，對應(yīng)4腳信號輸入端引腳6cpu脈沖輸入端引腳14脈沖信號輸出端，對應(yīng)3腳信號輸入端引腳7cpu脈沖輸入端引腳15脈沖信號輸出端，對應(yīng)2腳信號輸入端引腳8接地引腳16脈沖信號輸出端，對應(yīng)1腳信號輸入端 2.3 msp430f149單片機(jī)msp430系列單片機(jī)是德州公司新開發(fā)的一類單片機(jī)。它集成度較高，操作比較簡便，價(jià)格低廉，性能強(qiáng)勁，因此高校學(xué)生和科研開發(fā)人員比較青睞。它的傳輸速度比較快，因?yàn)榫哂?6位總線，操作簡便，因?yàn)橥獠吭O(shè)備和內(nèi)部存儲都可以進(jìn)行統(tǒng)一編址，尋址范圍達(dá)到64kb，并且可以進(jìn)行外擴(kuò)展存儲器。單片機(jī)的實(shí)物圖如下圖2.6所示：表2.3 msp430f140單片機(jī)的片內(nèi)部構(gòu)成table2.3 msp430f140 mcu internal structure片內(nèi)構(gòu)成數(shù)量/片16位定時(shí)器2個(gè)比較器1個(gè)看門狗1個(gè)p口6路dco內(nèi)部晶體振蕩器1個(gè)異步通信端口2路外部時(shí)鐘2個(gè)圖2.6 msp430單片機(jī)實(shí)物圖fig.2.6 msp430 mcu physical mapmsp430f149單片機(jī)的規(guī)格如下表2.4所示，功能框及模塊復(fù)位電路如下如2.7和2.8所示：表2.4 msp430單片機(jī)規(guī)格table2.4 msp430 microcontroller specifications程序存儲器類型flash工作電源電壓1.8 v to 3.6 v程序存儲器大小60 kb最大工作溫度+ 85 c數(shù)據(jù) ram 大小2 kb封裝 / 箱體lqfp接口類型spi or uart or usart封裝tube最大時(shí)鐘頻率8 mhz最小工作溫度- 40 c可編程輸入/輸出端數(shù)量48片上 adc8-chx12-bit定時(shí)器數(shù)量2圖2.7 msp430f149功能框圖fig.2.7 msp430f149 functional block diagram圖2.8 單片機(jī)復(fù)位模塊電路fig.2.8 mcu reset circuit modulemsp430系列單片機(jī)具有一種活動(dòng)模式和五種軟件可選的低功耗運(yùn)行模式。一個(gè)中斷事件可以將芯片從五種低功耗模式中的任何一種模式中喚醒，請求服務(wù)并在從中斷程序返回時(shí)恢復(fù)低功耗模式7。表2.5列出了六種運(yùn)行模式由軟件配置下的運(yùn)行模式：表2.5 單片機(jī)的運(yùn)行模式the operation mode of scm低功耗模式0低功耗模式1低功耗模式2低功耗模式3低功耗模式4cpu關(guān)閉cpu關(guān)閉cpu關(guān)閉cpu關(guān)閉cpu關(guān)閉aclk、smclk活動(dòng)aclk、smclk活動(dòng)mclk、fll+，dcoclk關(guān)閉mclk、fll+，dcoclk關(guān)閉aclk、mclk、fll+，dcoclk關(guān)閉mclk關(guān)閉mclk關(guān)閉dco的直流發(fā)生器保持活動(dòng)，aclk保持活動(dòng)若未使用dco，則自動(dòng)關(guān)閉aclk保持活動(dòng)co的直流發(fā)生器關(guān)閉，晶體振蕩器停止msp430f149單片機(jī)的地址分配如下表2.6所示：表2.6 單片機(jī)地址分配table 2.6 mcu address allocation地址7654321000hutxieurxieaccvienmiieofiewdtierw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0wdtie：看門狗定時(shí)器中斷使能信號。ofie： 振蕩器故障中斷使能信號。nmiie：非屏蔽中斷使能信號。wdtifg：溢出，或安全鍵違例，或vcc上電復(fù)位，或rst/nmi有復(fù)位條件時(shí)，置位。ofifg：振蕩器發(fā)生故障時(shí)標(biāo)志置位。msp430f149單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘模塊電路圖如下圖2.9所示：圖2.9 單片機(jī)時(shí)鐘模塊電路圖fig.2.9 mcu clock module circuit diagrammsp430系列單片機(jī)存儲器組織如下表2.7表2.7 msp430系列單片機(jī)存儲器組織table 2.7 msp430 series mcu memory organizationmsp430f133msp430f135msp430f147msp430f148msp430f149memorymain:ineterrupt vector main:code memory information memoryboot memorysizeflashflash8kb0ffffh-offe0h0ffffh-0e000h16kb0ffffh-offe0h0ffffh-0c000h32kb0ffffh-offe0h0ffffh-08000h48kb0ffffh-offe0h0ffffh-04000h60kb0ffffh-offe0h0ffffh-01100hsizeflash256byte010ffh-01000h256byte010ffh-01000h256byte010ffh-01000h256byte010ffh-01000h256byte010ffh-01000hsizerom1kb0ffffh-0c00h1kb0ffffh-0c00h1kb0ffffh-0c00h1kb0ffffh-0c00h1kb0ffffh-0c00hramsize256byte02ffh-0200h512byte05ffh-0200h1kb05ffh-0200h2kb09ffh-0200h2kbe09ffh-0200hperipherals 16-bit 8-bit 8-bit sfr 01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00h01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00h01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00h01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00h01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00hrom引導(dǎo)程序裝載程序的目的是把數(shù)據(jù)下載到閃速存儲器中。各種讀，寫和擦除操作都必須在正確的下載環(huán)境中完成。引導(dǎo)裝載程序只能在f版本的器件上使用。引導(dǎo)裝載程序的功能：將外部設(shè)備寄存器或存儲器中的數(shù)據(jù)施加并發(fā)送到引腳p1.1上(bsltx)。寫定義：寫進(jìn)閃速存儲器的數(shù)據(jù)是從引腳p2.2(bslrx)中讀取的。其端口功能如下表2.8所示：表2.8 msp430單片機(jī)端口功能table2.8 scm msp430 port function端口功能p1、p2i/o、中斷功能、其他片內(nèi)外設(shè)功能p2、p3、p4、p5、p6i/o、其他片內(nèi)外設(shè)功能s、comi/o、驅(qū)動(dòng)液晶閃速存儲器有n段主存儲器和每段128字節(jié)的兩段。信息存儲器(a和b)。主存儲器每個(gè)段長為512字節(jié)8。段0到n可以一步擦除，也可以每段分別擦除。段a和b可以分別擦除，或與段0到n作為一組擦除。安全熔絲燒斷是不可逆的;然后對jtag進(jìn)一步的訪問完全不可能。編程/擦除電壓的內(nèi)部產(chǎn)生：無須使用任何外部元件，但是vcc需求的電源電流增大。編程和擦除定時(shí)由閃速存儲器中的硬件控制，無需軟件干涉。在首次使用之前,用戶應(yīng)該執(zhí)行一次對信息存儲器的擦除。單片機(jī)的存儲設(shè)備圖注如下圖2.10所示：圖2.10 msp430f149單片機(jī)的存儲設(shè)備圖注fig.2.10 msp430f149 microcontroller storage device map外圍設(shè)備:外設(shè)通過數(shù)據(jù)、地址和控制總線連接到cpu，并能容易地用內(nèi)存操作指令處理。數(shù)字i/o有6個(gè)已實(shí)現(xiàn)的8位端口-p1到p6。端口p1和p2用個(gè)控制寄存器，端口p3，p4，p5，p6僅使用4個(gè)寄存器，為應(yīng)用提供數(shù)字輸入/輸出的最大靈活性：所有單i/o口可獨(dú)立編程。任何輸入輸出和中斷條件的組合都是可能的。端口p1和p2的所有8位對外部事件的中斷處理完全實(shí)現(xiàn)。利用所有指令對所有寄存器的讀/寫訪問都是可能的。msp430f149單片機(jī)特點(diǎn)：低電壓、超低功耗。工作電壓3.6v1.8v ，正常工作模式280a1mhz，2.2v，待機(jī)模式1.6a，ram數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1a。五級節(jié)電模式?？焖偬K醒，從待機(jī)模式下恢復(fù)工作，只需要不到6s時(shí)間。16位精簡指令集mcu，命令周期125ns。12位adc，具有內(nèi)部參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動(dòng)掃描等功能。具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以得到很高的精度，并且省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計(jì)電路板帶來的麻煩。2個(gè)16位計(jì)數(shù)器。具有捕獲、門限功能。具有片內(nèi)比較器。支持isp（在線系統(tǒng)編程），方便開發(fā)和項(xiàng)目升級。支持序列號，熔絲位燒寫。方便簡單。雙串口支持超小型封裝：64p-qfp、64p-qfn。2.4 繼電器在本設(shè)計(jì)中采用的是hk4100f型繼電器。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸出電壓不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以采用輸出為5v的繼電器作為中間變壓器來驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中繼電器與uln2003同時(shí)焊接在一塊pc板上，方便接線。hk4100f繼電器的實(shí)物圖如圖2.11所示：圖2.11 繼電器實(shí)物圖fig.2.11 relay physical map本型號的繼電器基本參數(shù)如下表2.9和2.10所示：表2.9 hk4100f繼電器的基本參數(shù)table 2.9 the basic parameters of hk4100f relay觸點(diǎn)形式1c1a1b觸點(diǎn)材料silver alloy觸點(diǎn)負(fù)載3a 250vac/3a 30vdc最大轉(zhuǎn)換電壓300vac/60vdc最大轉(zhuǎn)換電流3a最大轉(zhuǎn)換功率750va/90w接觸電阻100m（at 1a 6vdc）電器壽命1105ops(30ops/min)機(jī)械壽命1107ops(300ops/min)表2.10 hk4100f繼電器的基本性能參數(shù)table 2.10 the basic performance parameters of hk4100f relay絕緣電阻100m 500vdc觸點(diǎn)與線圈間耐壓1000vac 1min觸點(diǎn)間耐壓500vac 1min吸合時(shí)間max.10ms釋放時(shí)間max.5ms溫度范圍-25 to +70穩(wěn)定性98m/s2強(qiáng)度980m/s2振動(dòng)10 to 55hz 1.5mm濕度35% to 85%rh重量approx 3.5g安規(guī)認(rèn)定cul tuv cqchk4100f繼電器的外形圖，接線圖，及安裝孔尺寸如下圖2.12所示：圖2.12 hk4100f繼電器的外形圖、接線圖、及安裝孔尺寸fig.2.12 hk4100f relay figure, wiring diagram, and mounting hole sizehk4100f繼電器的電氣特性曲線如下圖2.13所示：圖2.13 hk4100f繼電器電氣特性曲線fig.2.13 the electrical characteristics of hk4100f relay curve2.5 超聲波測距儀器 us-100模塊簡介us-100超聲波測距儀器可實(shí)現(xiàn)0.02到0.045m的非接觸測距功能，它擁有比較寬的電壓輸入范圍，大約在2.45.5v之間，靜態(tài)功耗低于2ma，自帶溫度傳感器，可以對測量距離的結(jié)果進(jìn)行校正,同時(shí)，它具有多種通信方式，如gpi0，串口等通信方式。它內(nèi)部自帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。超聲波測距儀的基本參數(shù)如下表2.11所示：表2.11 us-100超聲波測距儀的基本電氣參數(shù)table 2.11 basic electrical parameters of us-100 ultrasonic range finder工作電壓dc 2.4v5.5v靜態(tài)電流2ma工作溫度-20+70度輸出方式電平或uart（跳線帽選擇）感應(yīng)角度小于15度探測距離2-450cm探測精度0.3cm+1%uart模式下串口配置波特率9600，起始位1位，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗(yàn)，無流控制。us-100的實(shí)物圖如下圖2.14和2.15所示：圖2.14 us-100正面圖fig.2.14 us-100 front view圖2.15 us-100背面圖fig.2.15 on the back of the us-100 map下圖2.16為us-100超聲波測距儀的五個(gè)管腳及模式選擇跳線接口圖2.16 模式選擇跳線接口fig.2.16 mode selection jumper interface本模塊的尺寸：45mm*20mm*1.6mm。板上有兩個(gè)半徑為 1mm的機(jī)械孔，如圖2.17所示:圖2.17 us-100超聲波測距模塊尺寸圖fig.2.17 us-100 ultrasonic ranging module size map從左到右依次編號1，2，3，4，5。它們的定義如下：1號pin：接vcc電源（供電范圍2.4v5.5v）。2號pin：當(dāng)為異步收發(fā)接收器模式時(shí)，接外部電路異步收發(fā)接收器的tx端；當(dāng)為電平觸發(fā)模式時(shí)，接外部電路的trig端。3號pin：當(dāng)為異步收發(fā)接收器模式時(shí)，接外部電路異步收發(fā)接收器的rx端；當(dāng)為電平觸發(fā)模式時(shí)，接外部電路的echo端。4號pin：接外部電路的地端。5號pin：接外部電路的地端。us-100超聲波測距儀器的電平觸發(fā)測距的時(shí)序如圖2.18所示：10us8 40k圖2.18 us-100 測距時(shí)序圖fig.2.18 us-100 ranging sequence diagram在此模式下測得的距離值為：(高電平時(shí)間*340m/s)/2。注：不管溫度是多少，只需將聲速看作是340m/s即可。串口觸發(fā)測距工作原理在模塊上電前，首先插上模式選擇跳線上的跳線帽，使模 塊處于串口觸發(fā)模式。輸出的距離值共兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是距離的高8位（hdate），第二個(gè)字節(jié)為距離的低8位（ldata），單位為毫米9。即距離值為（hdata*256 +ldata）mm。第三章程序編寫3.1 us100超聲波測距模塊程序void sendchar(unsigned char data)while(!(ifg1&utxifg0);/等待發(fā)送寄存器為空txbuf0=data;unsigned char getchar(void)while(!(ifg1&urxifg0);return rxbuf0;unsigned int distance(void)unsigned char data_h,data_l;sendchar(0x55);data_h=getchar();data_l=getchar();return (data_h*256+data_l);3.1.1 超聲波測距模塊觸發(fā)方式1、 電平觸發(fā)第一步：采用單片機(jī)io口觸發(fā)模塊trig(控制端），給至少10us的高電平信號。第二步：觸發(fā)trig端之后，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，模塊再自動(dòng)檢測是否有信號返回10。第三步：如果有信號返回，模塊echo端輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間11。第四步：單片機(jī)計(jì)算echo端高電平的時(shí)間，計(jì)算距離并顯示。測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s)/2;2、 串口觸發(fā)輸出格式說明：模塊每次輸出一幀，含4個(gè)8位數(shù)據(jù)，幀格式為：0xff+h_data+l_data+sum第一步：0xff：為一幀開始數(shù)據(jù)，用于判斷。第二步：h_data：距離數(shù)據(jù)的高8位。第三步：l_data：距離數(shù)據(jù)的低8位。第四步：sum:數(shù)據(jù)和，用于效驗(yàn)。其0xff+h_data+l_data=sum（僅低8位）。3.1.2 單片機(jī)串口配置一、msp430的串口通訊模塊（usart）由于本設(shè)計(jì)解決的是串口通訊問題，所以通信的基本原理是利用msp430的串口通訊模塊（usart）來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和pc機(jī)之間的串口通信12。1、usart的硬件構(gòu)成：msp430f149的串行通訊模塊的作用主要是實(shí)現(xiàn)對外通信，它可以實(shí)現(xiàn)異步通信和同步通信兩中通訊功能。圖3.1是usart的通訊模塊。圖3.1 usart的控制寄存器和工作模式fig.3.1 usart control register and work mode串口通訊的控制寄存器是其八個(gè)寄存器之中的一個(gè)，表3.1是其位的格式。表3.1 控制寄存器table 3.1 control registerpenvpevspcharlistensyncmmswrstusart的控制寄存器有8個(gè)有效控制位，通過對這些控制位的設(shè)置可以對工作模式，通信協(xié)議，校驗(yàn)位等進(jìn)行選擇13。用戶對usart的所有操作都是通過操作該寄存器的控制位來完成的。下面圖3.3是各個(gè)位的簡單功能描述,知道這些控制位的功能,有助于我們在后面進(jìn)行硬件連接和軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)的主電路圖如下圖3.2所示,單片機(jī)的引腳圖如下圖3.3所示：圖3.2 單片機(jī)電路圖fig.3.2 microcontroller circuit diagrampenv：校驗(yàn)使能位。該位為0不允許校驗(yàn)；為1時(shí)，允許校驗(yàn)，且在發(fā)送時(shí)產(chǎn)生校驗(yàn)位，在接收時(shí)希望接收到校驗(yàn)位。在地址位多機(jī)模式中地址位包括在校驗(yàn)計(jì)算中。pev：奇偶校驗(yàn)位。為0時(shí)，奇校驗(yàn)，為1時(shí)進(jìn)行偶校驗(yàn)。sp：停止位。接收時(shí)停止位只有一個(gè)。發(fā)送時(shí)，該位為0，只有一個(gè)停止位；該位為1時(shí)，有兩個(gè)停止位14。char：字符長度位。該位為0表示發(fā)送的數(shù)據(jù)為7位，該位為1時(shí)表示發(fā)送的數(shù)據(jù)為8位。圖3.3 單片機(jī)引腳圖fig.3.3 pin diagram二、通訊方式1、異步模式（uart）的選擇msp430f149單片機(jī)支持兩種不同的串行協(xié)議，異步通信（uart）協(xié)議和同步通信（spi）協(xié)議。這兩種協(xié)議的選擇是通過控制寄存器中的sync位來決定的。本設(shè)計(jì)中主要是利用msp430的異步通信（uart）模式原理實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與pc機(jī)之間的串口通信的。msp430控制寄存器內(nèi)的信息決定了usart的基本操作，選擇異步模式（uart）需要通過設(shè)置sync=0來實(shí)現(xiàn)；本設(shè)計(jì)中對于其他控制位的設(shè)置還有：設(shè)置char=1，選擇字符長度為8位；設(shè)置sp=0，選擇停止位1位；設(shè)置pev=0，選擇奇校驗(yàn)；設(shè)置mm=1，選擇地址位多機(jī)模式協(xié)議?？刂莆坏倪x擇基本上決定了系統(tǒng)的通信方式和通信格式。2、uart模塊的特點(diǎn)由于msp430單片機(jī)具有兩個(gè)片內(nèi)的uart：串口0和串口1，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)串口通信相當(dāng)容易，只需要設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫骶涂梢允勾诠ぷ髌饋?，兩個(gè)串口都采用中斷方式，當(dāng)接收有數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志通知主程序有數(shù)據(jù)到來，當(dāng)主程序有數(shù)局要發(fā)送時(shí)，設(shè)置一個(gè)中斷標(biāo)志進(jìn)入中斷發(fā)送數(shù)據(jù)15。本設(shè)計(jì)選用串口1與上位機(jī)進(jìn)行通信。單片機(jī)的主流程序如下圖3.4所示：圖3.4 單片機(jī)主流程序圖fig.3.4 the main mcu program diagram下面是uart通信的一些特點(diǎn)：（1）異步通訊模式，包括線路空閑/地址位通信協(xié)議。（2）有兩個(gè)單獨(dú)的移位寄存器，輸入/輸出移位寄存器。（3）傳輸7位或8位數(shù)據(jù)，可采用奇偶或無校驗(yàn)。（4）可編程實(shí)現(xiàn)波特率調(diào)整。（5）分別發(fā)，收單獨(dú)中斷。（6）有效地檢測到起始位實(shí)現(xiàn)從低功耗喚醒。（7）狀態(tài)標(biāo)志檢測錯(cuò)誤或者地址位。三、基本通信協(xié)議：在pc機(jī)和多臺單片機(jī)的通訊中，確定一個(gè)明確而合理的通訊協(xié)議是關(guān)鍵，包括對數(shù)據(jù)格式、通訊方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定。數(shù)據(jù)格式采用數(shù)據(jù)包的形式，一次傳輸一組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包格式如表3.2所示：表 3.2 數(shù)據(jù)包格式fig.3.2 packet format起使標(biāo)志位下位機(jī)地址操作命令數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志起始標(biāo)志位:1 個(gè)字節(jié)分機(jī)地址: 1 個(gè)字節(jié)命令/ 數(shù)據(jù): 1 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)長度: 1 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)內(nèi)容: n 個(gè)字節(jié) 和檢驗(yàn): 2 個(gè)字節(jié)結(jié)束標(biāo)志位: 1 個(gè)字節(jié) 3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)主要分交流電機(jī)和直流電機(jī)兩大類，驅(qū)動(dòng)方式有直流直接驅(qū)動(dòng)，交流直接驅(qū)動(dòng)，直流變頻驅(qū)動(dòng)和交流變頻驅(qū)動(dòng)。直流直接驅(qū)動(dòng)即為在電機(jī)上加額定的直流電壓，使電機(jī)能夠正常工作。交流直接驅(qū)動(dòng)即為在電機(jī)上加交流電壓220v，電機(jī)能夠正常工作，切工作頻率是50hz。直流變頻驅(qū)動(dòng)即為在電機(jī)上加直流電壓，改變電機(jī)的供電頻率，是電機(jī)能夠正常工作。交流變頻驅(qū)動(dòng)即為在電機(jī)上加交流電壓，再轉(zhuǎn)換為直流電壓之后，再轉(zhuǎn)換成電機(jī)的額定交流電壓，使電機(jī)進(jìn)行正常工作。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器運(yùn)行特點(diǎn)如表3.3所示：表3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式及其特點(diǎn)table3.3 the way and characteristics of motor drive低電壓高電壓定義電機(jī)繞組工作過程中只用一個(gè)方向電壓對繞組進(jìn)行供電在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，在前沿過后用低電壓維持繞組的電流特點(diǎn)電路簡單，元件少、控制也簡單，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單。但是在使用時(shí)必須提供足夠大的電流的三極管來進(jìn)行開關(guān)處理，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較低，電機(jī)震動(dòng)比較大，發(fā)熱大。且危險(xiǎn)系數(shù)較高。高低壓控制在一點(diǎn)程度上改善了震動(dòng)和噪音，第一次提出細(xì)分控制步進(jìn)電機(jī)的概念，同時(shí)也提出了停止時(shí)電流減半的工作模式。電路相對恒電壓驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，對三極管高頻特性要求提高，電機(jī)低速仍然震動(dòng)比較大，發(fā)熱仍然比較大。在本次設(shè)計(jì)中，采用的是直流變速電機(jī)，該電機(jī)采用扭力強(qiáng)勁抗干擾強(qiáng)磁電機(jī)，超省電，空轉(zhuǎn)電流0.1-0.2a,電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無抖動(dòng)。本設(shè)計(jì)中對速度無要求，要穩(wěn)定巡線，調(diào)速運(yùn)行，用1：120的電機(jī)，6v電壓，速度約90轉(zhuǎn)/分鐘，可以載重1公斤左右。第四章硬件平臺的搭建4.1 模塊接線本設(shè)計(jì)在最開始的時(shí)候是打算直接用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)小車的變速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)小車的行駛并進(jìn)行后續(xù)的工作。msp430f149單片機(jī)的各個(gè)引腳功能如下表4.1所列。但是后來在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)msp430單片機(jī)的p34端口的輸出電壓不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，影響后續(xù)工