簡易智能電動車畢業(yè)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)中文摘要簡易智能電動車摘要:本小車以msp超低功耗單片機系列msp430f149和msp430fe425為核心，完成尋跡、檢測金屬、避障、尋光、測速等功能。在機械結(jié)構(gòu)上，對普通的小車作了改進，即用一個萬用輪來代替兩個前輪，使小車的轉(zhuǎn)向更加靈敏。采用pwm 驅(qū)動芯片控制電機，紅外傳感器檢測黑線，金屬傳感器檢測鐵片，光敏器件檢測光強，紅外led和一體化接收頭來避障?；诳煽康挠布O(shè)計和穩(wěn)定的軟件算法，實現(xiàn)題目要求。而且附加實現(xiàn)顯示起跑距離、行駛時間、檢測金屬數(shù)目等擴展功能。關(guān)鍵詞：msp430 尋跡 檢測金屬 避障尋光畢業(yè)設(shè)計(論文)外文摘要title: simple intell

2、igent 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 to measure the light、metal sensor t

3、o 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 the level of machine structure,

4、 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目錄1引言52 系統(tǒng)設(shè)計52.1設(shè)計要求52.1.1基本要求52.1.2發(fā)揮部分52.2方案論證與比較62.2.1電機驅(qū)動方案的選擇與論證62.2.2路面尋線模塊62.2.3金屬檢測模塊62.2.4尋光模塊62.2.5避障模塊63硬件電路設(shè)計73.1 主控制模塊73.2 電機驅(qū)動模塊93.3 尋跡模塊103.4 金屬檢測模

5、塊123.5 尋光避障模塊123.6 測距和顯示模塊133.7電源模塊144軟件設(shè)計154.1 尋跡算法154.2 尋光，避障算法174.3串口通信215.系統(tǒng)測試235.1測試用儀表：235.2測試數(shù)據(jù)：23結(jié)論24致謝24參考文獻24附錄25附件1：使用ti芯片25附件2：元器件清單25附件3：實物及pcb 圖片261引言隨著素質(zhì)教育的越來越被重視，很多學(xué)校都把制作智能小車作為首選課題，智能小車有趣生動并且還牽扯到機械結(jié)構(gòu)、電子基礎(chǔ)、傳感器原理、自動控制、單片機、編程等諸多學(xué)科知識，學(xué)生通過動手實踐能大大提高解決實際問題的能力，而且智能小車還是一個很好的硬件平臺，只要增加一些控制電路就能完

6、成循跡小車，機器人等課題。本設(shè)計以msp430單片機為核心使小車實現(xiàn)特定功能要求，設(shè)計，制作過程詳細，并且充分利用msp430內(nèi)部資源，是一個有趣而有意義的過程。2系統(tǒng)設(shè)計2.1設(shè)計要求2.1.1基本要求（1）電動車從起跑線出發(fā)（車體不得超過起跑線），沿引導(dǎo)線到達b 點。在“直道區(qū)”鋪設(shè)的白紙下沿引導(dǎo)線埋有13 塊寬度為15cm、長度不等的薄鐵片。電動車檢測到薄鐵片時需立即發(fā)出聲光指示信息，并實時存儲、顯示在“直道區(qū)”檢測到的薄鐵片數(shù)目。（2）電動車到達b 點以后進入“彎道區(qū)”，沿圓弧引導(dǎo)線到達c 點（也可脫離圓弧引導(dǎo)線到達c點）。c點下埋有邊長為15cm的正方形薄鐵片，要求電動車到達c 點檢

7、測到薄鐵片后在c 點處停車5 秒，停車期間發(fā)出斷續(xù)的聲光信息。（3）電動車在光源的引導(dǎo)下，通過障礙區(qū)進入停車區(qū)并到達車庫。電動車必須在兩個障礙物之間通過且不得與其接觸。（4）電動車完成上述任務(wù)后應(yīng)立即停車，但全程行駛時間不能大于90 秒，行駛時間達到90秒時必須立即自動停車。2.1.2發(fā)揮部分（1）電動車在“直道區(qū)”行駛過程中，存儲并顯示每個薄鐵片（中心線）至起跑線間的距離。（2）電動車進入停車區(qū)域后，能進一步準確駛?cè)胲噹熘?，要求電動車的車身完全進入車庫。（3）停車后，能準確顯示電動車全程行駛時間。（4）其它。2.2方案論證與比較2.2.1電機驅(qū)動方案的選擇與論證方案一：使用繼電器對電機進行開

8、關(guān)控制和調(diào)制。但缺點很明顯，繼電器響應(yīng)慢而且機械結(jié)構(gòu)容易壞。方案二：使用三極管或者達林頓管，結(jié)合單片機輸出pwm 信號實現(xiàn)調(diào)速的目的，此方案易于實施，但若控制電機轉(zhuǎn)動方向較為困難。方案三：使用pwm控制芯片來實現(xiàn)對電機的控制。方案選擇：采用方案三。，該方案電路簡單，性能穩(wěn)定，可以輕松實現(xiàn)對電機方向的控制。2.2.2路面尋線模塊方案一：采用光敏傳感器，根據(jù)白色背景和黑線反光程度的不同來判斷傳感器是否位于黑線上。方案二：采用反射式紅外傳感器來進行探測。只要選擇數(shù)量和探測距離合適的紅外傳感器，可以準確的判斷出黑線的位置。方案選擇：采用方案二。方案一受環(huán)境光的影響太大，效果不佳。而紅外光不易受到環(huán)境光

9、的干擾。2.2.3金屬檢測模塊采用金屬接近開關(guān)來檢測鐵片，當金屬接近時，高頻磁場在金屬中產(chǎn)生了渦流，使得lc 諧振回路的震蕩幅度下降到閾值電壓，開關(guān)輸出信號。2.2.4尋光模塊方案一：采用單一的光敏電阻，利用其在不同的光強下阻值不同，確定小車的轉(zhuǎn)向，保證其朝著光源最強的角度前進，這樣做電路實現(xiàn)簡單，但是精度不易控制。方案二：采用多個光敏電阻，在小車車頭排列成為半圓狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)矢量合成原理，按照各個傳感器測量光強的不同，確定小車相對于光的位置。方案選擇:采用方案二。此方案實現(xiàn)較為復(fù)雜但能取得良好的效果。2.2.5避障模塊方案一：采用一體化紅外接收頭，在38khz附近，接收頭的靈敏度不同。依次在3

10、8khz發(fā)射頻段不同的紅外線，在距離障礙物一定距離時測出障礙物。方案二：采用超聲波測距的方法，利用超聲波傳感器，監(jiān)視測量發(fā)射脈沖和接受脈沖的時間差，計算超聲波和物體之間的距離?？梢詫⒈苷虾蛯す饽K一起排列為環(huán)狀結(jié)構(gòu)。方案選擇：雖然超聲波測距有其性能上的優(yōu)勢，但其價格過高，且通過算法上的優(yōu)化紅外測距完全可以滿足設(shè)計要求，故采用方案一。2.2.6測距模塊方案一.采用斷續(xù)式光電開關(guān)測距方案二.利用磁鋼和干簧管，在車輪上均勻粘貼若干磁鋼。每當車輪上磁鋼轉(zhuǎn)動至干簧管處，單片機進行一次計數(shù)，結(jié)合車輪半徑就能求出小車行進距離。方案選擇：考慮到小車的實際機械結(jié)構(gòu)，如果采用方案一必然會對小車結(jié)構(gòu)有較大的改變。方

11、案二結(jié)構(gòu)簡單、市場上的磁鋼、干簧管體積小巧，易于在我們的小車上很好的固定安裝。而且軟件上也易于實現(xiàn)。3硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)以msp430f149 和msp430f425為控制核心。整個硬件框圖如下圖所示： 圖2.1系統(tǒng)硬件框圖3.1 主控制模塊msp430系列單片機是美國ti公司1996年開始推向市場的一種16位的超低功耗的混合信號處理器。其之所以稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。msp430單片機更適合于低功耗、高速實時控制以及數(shù)據(jù)計算，它擁有更多的片上資源供設(shè)計使用，是設(shè)計的不錯選擇。由于本小車實現(xiàn)

12、功能較多，因此我們選擇了msp430f149和msp430fe425為雙核心的系統(tǒng)。通過編寫通信協(xié)議，完成其之間的串行通信。msp430f149主要完成電機驅(qū)動、尋跡、避障、尋光等功能。如圖2.2：圖2.2msp430f149原理圖msp430fe425主要完成金屬檢測、測速、液晶顯示等功能。如圖2.3：圖2.3 msp430fe425原理圖3.2 電機驅(qū)動模塊電機的驅(qū)動芯片選用l298n 作為驅(qū)動芯片。工作穩(wěn)定電機驅(qū)動信號由單片機提供，信號經(jīng)過光耦隔離后，傳至pwm 控制芯片l298n，通過l298n的輸出與兩個電機相連。l298n的連接方法如圖2.4所示 圖2.4 l298n的連接方法芯片

13、控制方法如下圖2.5，11腳為高時，當10腳電平高于12腳時，13腳，14腳端電機正轉(zhuǎn)；12腳電平高于10 腳時，電機倒轉(zhuǎn)；11腳為低時，電機自由控制。圖2.5 l298n控制電機方法3.3 尋跡模塊當小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，輸出端將輸出低電平；當小車行駛到黑線時，紅外線信號被黑色吸收后，將輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機的i/o 口，當i/o 口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑線吸收了，表明小車處在黑色的引線上；同理，當i/o 口檢測到的信號為低電平時，表明小

14、車行駛在白色地面上。反射式紅外傳感器st188 采用高發(fā)射功率紅外廣電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。檢測距離可調(diào)整范圍為415mm；采用非接觸檢測方式。圖2.6 反射式紅外傳感器工作原理圖2.6 是反射式紅外傳感器的工作原理圖。封裝在矩形殼體中的是發(fā)射器led（由左側(cè)的白色方塊表示）和探測器裝置（在右側(cè)）。虛線表示光線從發(fā)射器led 中發(fā)出并反射回探測器；探測器檢測到的光強大小取決于物體表面的反射率，而這一光強就是傳感器的輸出值。如圖所示，選通信號（高電平）經(jīng)過三極管擴流后送到傳感器的k 腳，如果檢測到黑線，傳感器c腳輸出高電平；否則輸出為低電平。圖2.7 尋跡模塊電路原理圖為了提高控制精度

15、，要求傳感器排列緊密，越緊越好。但傳感器排列緊密，傳感器發(fā)射管的光線可能會從地面反射進入臨近傳感器的接收管。所以不能同時開啟這些傳感器。其分布如圖2.8 所示：圖2.8 傳感器安裝圖3.4 金屬檢測模塊采用市售的接近開關(guān)，無信號時，探頭輸出高電平。檢測到金屬時，電平跳變?yōu)榈停瑔纹瑱C再進行相應(yīng)處理。相應(yīng)金屬傳感器型號為lj18a3 型。3.5 尋光避障模塊尋光避障模塊均設(shè)計為環(huán)狀傳感器結(jié)構(gòu)，共排布若干個傳感器組，每個傳感器組包含紅外收發(fā)模塊和光敏電阻。如下圖所示，共有五個傳感器組：圖2.9 傳感器的排布光源檢測模塊，光敏電阻a組到e組從不同方向采光，每個光敏電阻的電壓信號入單片機片內(nèi)adc，利用

16、f149系列內(nèi)置的adc12模塊，實現(xiàn)了對五個方向光強的采集。由adc的值，判斷光強不同來確定小車的趨光方向；同理，可設(shè)定一個閾值比較，得出一開關(guān)信號調(diào)節(jié)最終小車停在車庫內(nèi)。避障模塊，利用單片機定時器發(fā)出可調(diào)制的38khz 紅外線，利用一體化接收頭判斷，再由小車執(zhí)行相應(yīng)的避障動作。圖2.10 尋光避障模塊原理圖3.6 測距和顯示模塊利用磁鋼和干簧管，在車輪上均勻粘貼若干磁鋼。每當車輪上磁鋼轉(zhuǎn)動至干簧管處，單片機進行一次計數(shù)，結(jié)合車輪半徑就能求出小車行進距離。顯示模塊采用段碼液晶來實現(xiàn)，fe425上有專門的液晶接口，可以很方便地實現(xiàn)電路。液晶采用4-mux輸入方式的7位半段碼液晶。圖2.11液晶

17、顯示模塊原理圖3.7電源模塊小車采取單電源供電，由于傳感器需采用5v 供電，主控制芯片采用3.3v供電故電源模塊的電路如圖2.12，圖2.13所示：圖2.12電源模塊1圖2.13 電源模塊2 其中vin接5節(jié)1.5v 電池，經(jīng)tlv1117-5可穩(wěn)到5 v，經(jīng)tlv1117-3.3穩(wěn)到3.3v，分別給傳感器和控制芯片提供電源。 注意系統(tǒng)在單片機去電機驅(qū)動的連接部分要使用光耦進行隔離。4軟件設(shè)計本系統(tǒng)采用“雙核”結(jié)構(gòu)，一片采用msp430f149，一片采用msp430f425，功能上主要用f149做運動控制芯片，f425做檢測金屬，計算距離，液晶顯示，計時等功能。之所以采用msp430 單片機，

18、主要時因為該系列單片機有許多優(yōu)秀的特點，非常適合用于本系統(tǒng)。首先，msp430 單片機引入了時鐘系統(tǒng)的概念，將cpu、外圍功能模塊、休眠喚醒機制三者相互獨立，這就可以通過軟件設(shè)置時鐘分頻實現(xiàn)系統(tǒng)不同程度的休眠，讓系統(tǒng)以間歇方式工作最大限度的節(jié)省電力，我們小車系統(tǒng)的f425就是使用basic timer 定時喚醒。其次，msp430單片機內(nèi)核時16 位risc 處理器，單指令周期，運算能力，處理能力都具有一定的優(yōu)勢，完全可以滿足我們小車尋線、避障、尋光等多個功能的實現(xiàn)，cpu可以在1.8-3.3v寬電壓供電。第三，msp430 系列單片機采用模塊化的結(jié)構(gòu)，每一種模塊（內(nèi)部資源）都具有獨立而完整的

19、結(jié)構(gòu)，在不同型號的結(jié)構(gòu)中，同一種模塊的使用方法和寄存器都時相同的。這為學(xué)習(xí)和開發(fā)msp430 單片機提供了便利。比如說我們的雙核系統(tǒng)內(nèi)部都用到了ta定時器，uart0 串口，這樣的話開發(fā)時就可以只對底層程序稍作修改用于不同型號的msp430單片機。第四，msp430 內(nèi)置資源非常地強大，它不僅僅只是一個微處理器系統(tǒng)，還包含了模擬電路、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、顯示接口等豐富的外設(shè)。要完成對小車的巡線，尋光，避障，顯示距離，計時等功能，除了必要的傳感器和電機驅(qū)動芯片以外，一個完整系統(tǒng)所需的所有外設(shè)都集成在了430 芯片上。兩片mep430單片機幾乎提供小車的soc 解決方案。4.1 尋跡算法采用pid

20、(pd)控制算法，如果某時刻檢測到黑線偏左，就要向左轉(zhuǎn)彎；如果檢測到黑線偏右，就要向右轉(zhuǎn)。偏得越多，就要向黑線方向打越大的轉(zhuǎn)角。這就是比例控制（p）。遺憾的是，因為小車有慣性。假設(shè)黑線偏左，說明小車偏右了，需要左傳舵，等到小車回到中心的時候，停止轉(zhuǎn)舵，可是小車的慣性會使車身繼續(xù)左轉(zhuǎn)，直到?jīng)_過黑線，黑線又偏右。然后控制過程反復(fù)，車身是在左右搖擺中向前行走的。這種搖擺叫做“超調(diào)”，超調(diào)越大，控制越不穩(wěn)定，容易出軌。為了克服慣性，我們除了位置信息之外，還需要知道軌跡的變化趨勢。我們可以用黑線位置的微分值來提前得到變化趨勢。用本次位置減去前次位置求出差值，就大致知道偏移量的變化趨勢。將該差值和比例相加

21、后一起作為控制量，即可實現(xiàn)提前控制。這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; /聲明三個變量，用于存放p、id量的運算結(jié)果三量的運算結(jié)果(i沒用上)if(position=-128) return (no_black); /錯誤處理(值得改進的地方)elsetemp_i=position;for(k=0;k5000) temp_pid=5000; /防止控制量溢出if(temp_pid= rxbuf_size) rx_index

22、r = 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系統(tǒng)測試5.1測試用儀表：5.2測試數(shù)據(jù)：結(jié)論按照要求，小車已經(jīng)基本完成了所有題目要求的任務(wù)。本作品涉及到了一系列光機電一體化的技術(shù)。其中機械結(jié)構(gòu)是小車能否穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，硬件電路決定了小車實現(xiàn)的功能，而軟件部分則是控制的靈魂，算法的好壞直接決定了完成任務(wù)的質(zhì)量。整個設(shè)計過程中，