基于MSP430G2553單片機(jī)循跡避撞小車(循跡模塊+超聲波模塊)

1、沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘 要隨著現(xiàn)代科技術(shù)的進(jìn)步，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車流密集化的趨勢。同時(shí)，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的產(chǎn)量和保有量都在急劇增加。但公路發(fā)展、交通管理相對(duì)落后，導(dǎo)致了交通事故與日俱增，城市交通擁堵成為城市管理的難題。 本設(shè)計(jì)在汽車前端放置超聲波檢測裝置，通過對(duì)前方汽車車距的檢測，送到中心控制器作出判斷，進(jìn)行車輛車速控制，從而達(dá)到車輛主動(dòng)安全行駛，避免不必要的碰撞。設(shè)計(jì)利用智能小車來模擬真實(shí)車輛行駛環(huán)境，采用紅外對(duì)管檢測黑線實(shí)現(xiàn)循跡,超聲波傳感器測距實(shí)現(xiàn)避障，采用MSP430G2553作為主控制芯片，電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N芯片，根據(jù)內(nèi)置的程序分別控制小車四個(gè)直流

2、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線循跡行駛，能較有效的控制其在碰上障礙物時(shí)能及時(shí)停車。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，較容易實(shí)現(xiàn)，具有一定的智能性。這個(gè)系統(tǒng)安裝在汽車上，能探測車輛前方的行人、車輛或周圍障礙物，能向司機(jī)提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險(xiǎn)的信號(hào)，促使司機(jī)采取應(yīng)急措施來應(yīng)付特殊險(xiǎn)情，避免損失，在日常交通環(huán)境中提高了車輛行駛安全性，具有一定的市場推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：智能小車；msp430單片機(jī)；L298N；超聲波傳感器；紅外傳感器AbstractAlong with the progress of modern science and technology, the trend of highway transpo

3、rtation is the trend of high speed and traffic flow. At the same time, with the rapid development of the automobile industry, the output and the quantity of the automobile are increasing sharply. However, the development of highway, traffic management is relatively backward, resulting in the traffic

4、 accident growing, urban traffic congestion become the city management problems.The design at the front end of the car placed ultrasonic detection device, through the distance to the front vehicle detection, sent to the central controller to judge, vehicle speed control, so as to achieve vehicle act

5、ive safety driving, avoid unnecessary collision. Design using the smart car to simulate the real vehicle driving environment, using infrared to detect black line pipe to achieve the tracking, ultrasonic ranging sensor to achieve obstacle avoidance and the msp430g2553 as the main control chip, motor

6、drive using L298N chip, built-in procedures according to respectively control car four DC motor running, achieve automatic car identification route tracking driving, can more effectively control the run into obstacles can stop in time. This design is simple and easy to achieve, with a certain intell

7、igence.The system was installed in the car, can detect vehicles in front of the pedestrians, vehicles, or around obstacles., to the driver in advance from the impending collision danger signal, to urge the driver to take emergency measures to cope with the special danger, avoid losses, in daily traf

8、fic environment improves the vehicle driving safety, has a certain market popularization value.Keywords: Intelligent car; MSP430 microcontroller; L298N; ultrasonic sensor; infrared tube目錄1 緒論11.1 課題背景11.2 課題研究意義21.3 超聲波技術(shù)31.3.1 超聲波測距原理31.3.2 超聲波傳感器的分類41.3.3 超聲波測距的特點(diǎn)42 元器件介紹52.1 紅外傳感器TCRT500052.2 比較器

9、LM39362.3 LM7805穩(wěn)壓芯片72.4 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片83 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.1 電源模塊103.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊113.3 循跡模塊123.4 超聲波模塊133.4.1 超聲波測距基本工作原理143.4.2 HC-SR04主要技術(shù)參數(shù)143.5 MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)153.5.1 電源電路153.5.2 晶振電路、復(fù)位電路及接口電路154 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.1 主程序174.2 電機(jī)轉(zhuǎn)向控制程序184.3 紅外循跡控制程序214.4 超聲波測距程序225 常用軟件介紹245.1 Proteus介紹245.1.1 電路圖的繪制 245.1.2 Proteu

10、s仿真建立工程的流程255.2 Code Composer Studio(CCSv5.1)軟件275.2.1 CCSv5.1軟件建立工程的流程285.2.2 CCSv5.1編寫程序及調(diào)試的流程30結(jié)論32致謝33參考文獻(xiàn)34附錄A 英文文獻(xiàn)35附錄B 漢語翻譯38附錄C 源程序41附錄D 硬件原理圖47附錄E 實(shí)物圖48III1 緒論1.1 課題背景 隨著汽車科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車流密集化的趨勢。同時(shí)，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，日常生活中，汽車的產(chǎn)量和保有量都在急劇增加。但公路發(fā)展、交通管理相對(duì)落后，導(dǎo)致了交通事故與日俱增，城市交通擁堵成為城市管理的難題。智能交通系統(tǒng)ITS

11、（Intelligent Transport System）是目前世界上交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)的高新技術(shù)，它在充分著發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施的潛力，提高運(yùn)輸效率，保障交通安全，緩解交通堵塞，改善城市環(huán)境等方面有著卓越的效能，已得到各國政府的普遍關(guān)注。中國政府也高度重視智能交通系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用。汽車主動(dòng)安全防撞系統(tǒng)作為ITS 發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)，它的成功與否對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著很大的作用。從傳統(tǒng)上說，汽車的行駛安全可以分為兩個(gè)主要研究方向：一是主動(dòng)式安全技術(shù)，即防止事故的發(fā)生，該種方式是當(dāng)前汽車安全研究領(lǐng)域的最終目的；二是被動(dòng)式 安全技術(shù)，即事故發(fā)生后對(duì)乘員的保護(hù)。目前汽車安全領(lǐng)域被動(dòng)安全的方向研究較多，主要從安全

12、氣囊、ABS(防抱死系統(tǒng))和懸架等方面著手，以保證駕乘人員的人身安全。從經(jīng)濟(jì)性和安全性兩方面來說，這些被動(dòng)安全措施是在事故發(fā)生時(shí)刻對(duì)車輛和人員進(jìn)行的保護(hù)，有很大的局限性，因而車輛的主動(dòng)安全性研究尤為重要，引出了本課題研究的基于單片機(jī)汽車主動(dòng)安全防撞系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是一種在事故發(fā)生前主動(dòng)向司機(jī)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并同時(shí)主動(dòng)降低汽車行駛速度的控制裝置。它安裝在汽車上，能探測車輛前方的行人、車輛或周圍障礙物；能提前向司機(jī)發(fā)出即將發(fā)生撞車危險(xiǎn)的信號(hào)，提醒司機(jī)采取應(yīng)急措施來應(yīng)付特殊險(xiǎn)情，避免損失。 現(xiàn)今社會(huì)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基

13、本功能，這幾界的電子設(shè)計(jì)大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)循跡避障這兩個(gè)功能。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)制作基于MSP430單片機(jī)智能小車的過程，在智能小車的自動(dòng)循線、避障、檢測、控制、顯示等方面提出一些觀點(diǎn)和見解。1.2 課題研究意義隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，汽車作為交通工具正為越來越多的人所用，但是隨之而來的問題同時(shí)也顯而易見。隨著車輛的增多，交通事故的頻繁發(fā)生，由此導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失數(shù)目驚人。對(duì)于汽車交通事故的分析表明，70%以上的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員反應(yīng)不及時(shí)所引起的。超過60%的車輛相撞屬于追尾相撞，其余則屬于側(cè)面相撞。奔馳汽車公司對(duì)各種

14、交通事故的研究表明：若駕駛員能夠提前1s意識(shí)到有事故危險(xiǎn)并采取相應(yīng)的正確措施，如果現(xiàn)有汽車能安裝主動(dòng)安全避撞系統(tǒng)，則絕大多數(shù)的交通事故都能夠避免。因此，研究開發(fā)汽車防撞裝置等主動(dòng)式保護(hù)汽車輔助安全裝置，減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和錯(cuò)誤判斷，對(duì)于提高交通行駛安全將起到重要的作用?？梢姡祟惍a(chǎn)品的研究開發(fā)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場前景。汽車主動(dòng)防撞安全產(chǎn)品最早出現(xiàn)在1989年；奔馳于1997年開始對(duì)自身品牌進(jìn)行防撞的配置， 隨后通用、福特、OPEL、SAAB 以及VOLVO 跟進(jìn)。目前在歐盟、美國和日本等地，汽車主動(dòng)防撞安全產(chǎn)品已競相采用。在中國，部分進(jìn)口車中也已嶄露頭角，而汽車生產(chǎn)廠家目前都還沒有推出

15、此類產(chǎn)品。目前國內(nèi)汽車主動(dòng)防碰撞技術(shù)方面的研究，主要在一些大型汽車企業(yè)和科學(xué)研究所開展，如：長春一汽大眾、上海大眾、東風(fēng)汽車、交通部科學(xué)研究院、武漢汽車研究院、清華大學(xué)汽車系、北京理工大學(xué)機(jī)械系等，但只是初步的探索性研究，還沒有可以使用的產(chǎn)品，可以說汽車主動(dòng)防撞智能安全系統(tǒng)在中國的市場才剛剛起步，這個(gè)市場具有巨大的開發(fā)潛力和升值空間。該設(shè)計(jì)的實(shí)際意義是通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在研究的過程中，熟悉以單片機(jī)為核心的控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用算法實(shí)現(xiàn)小車的精確控制。靈活運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)的理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)際電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論和實(shí)際的統(tǒng)一

16、。在此過程中，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。且該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、娛樂等許多方面。尤其是在玩具機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際生活相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)。 在智能小車中，傳感器起到舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器等都在實(shí)際生活中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價(jià)格低，被廣泛地應(yīng)用于智能小車測距的傳感器，能實(shí)現(xiàn)避障、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能?？紤]到實(shí)際情況，傳感器檢測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的CCD傳感器而考慮使用價(jià)廉物美的紅外反射式傳感器和超聲波傳感器來替代。智能小車

17、的執(zhí)行部分，是用直流電機(jī)來充當(dāng)?shù)?，從而控制小車的行進(jìn)方向和速度。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機(jī)資源，直接選擇有PWM功能的單片機(jī)，這樣可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機(jī)資源，且難以精確調(diào)速，但單片機(jī)選擇型號(hào)的余地較大。 TI公司的MSP430單片機(jī)廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。MSP430單片機(jī)可以說是單片機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，其應(yīng)用如此廣泛，所以有必要學(xué)習(xí)和應(yīng)用該單片機(jī)，以滿足產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)際需求，同時(shí)是適應(yīng)社會(huì)智能化、以MSP430為控制核心，采用超聲波傳感器來檢測道路上的障礙，控制小車

18、的自動(dòng)避障，速度調(diào)節(jié)，以及自動(dòng)停車，并可以自動(dòng)記錄行車時(shí)間、里程和速度，自動(dòng)尋跡等功能。CPU使用MSP430單片機(jī)，配合軟件編程實(shí)現(xiàn)。MSP430是一款十六位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。1.3 超聲波技術(shù)1.3.1 超聲波測距原理 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中可傳播的機(jī)械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種方式，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，而且其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路設(shè)計(jì)，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中得到廣泛應(yīng)用。作為超聲波傳感器的材料，主

19、要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。通過超聲波的發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到的超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以計(jì)算出距離了。這與雷達(dá)測距原理相似。 超聲波發(fā)射器向某一物體發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的馬上開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即折返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。（超聲波在空氣中傳播的速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄下的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即：s=340t/2）1.3.2 超聲波傳感器的分類為了研究和利用超聲波，人們已

20、經(jīng)設(shè)計(jì)和制造了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電式、磁致伸縮型和電動(dòng)型等。機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性不相同，因而用途也也不相同。目前，常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器是利用壓電陶瓷晶體的諧振來工作的。它內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電芯片和一個(gè)共振板。當(dāng)兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，壓電芯片將會(huì)發(fā)生共振，并且?guī)?dòng)共振板振動(dòng)，便可以產(chǎn)生超聲波。如果兩電極間沒有外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電芯片做成共振，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)

21、，這時(shí)就形成了超聲波接收器。1.3.3 超聲波測距的特點(diǎn)超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以采用超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能夠達(dá)到工業(yè)實(shí)際的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。由于超聲實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，且周圍環(huán)境對(duì)于超聲波的影響也不大，所以超聲波避障成為智能小車常用的避障方法。從國內(nèi)外研究情況來看，超聲波裝置主要用作測距，通過測量聲源與目標(biāo)物之間的往返傳播時(shí)間，求得目標(biāo)物的距離。但是在有些情況下，超聲波傳感器是光學(xué)系統(tǒng)無可比擬的。超聲波傳

22、感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)如下： 1、對(duì)于黑暗的環(huán)境和物體，超聲波傳感器幾乎不受惡劣環(huán)境的影響，仍然能實(shí)時(shí)獲得準(zhǔn)確的探測障礙物信息，并反饋給信息處理設(shè)備。 2、和光學(xué)傳感器相比，超聲波傳感器不僅能探測到障礙物的存在，而且能夠得到障礙物與智能小車的距離，以便于做出正確的決策。3、雖然光傳播速度比聲音快，但計(jì)算機(jī)控制器延時(shí)和電機(jī)響應(yīng)速度等特點(diǎn)將限制機(jī)器執(zhí)行任務(wù)的速度，因此光速快的優(yōu)勢并不明顯。2 元器件介紹2.1 紅外傳感器TCRT5000TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000芯片設(shè)計(jì)的一款紅外反射式光電開關(guān)。傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出的信號(hào)經(jīng)施密特電路

23、整形，反應(yīng)迅速，穩(wěn)定可靠?？蓱?yīng)用場合：（1）電度表脈沖數(shù)據(jù)采樣。（2）傳真機(jī)碎紙機(jī)紙張檢測。（3）障礙檢測。（4）黑白線檢測。傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射出紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來的強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅的狀態(tài)；當(dāng)被檢測的物體出現(xiàn)在可檢測范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮。如下圖所示。圖2.1 TCRT5000實(shí)物圖圖2.2 TCRT5000引腳圖2.2 比較器LM393LM393是雙電壓比較器的集成電路，輸出負(fù)載電阻能夠銜接在可允許電

24、源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，而不受Vcc端電壓值的限制。此輸出能夠作為一個(gè)簡單的對(duì)地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻時(shí)沒被運(yùn)用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動(dòng)和器件的值所限制。當(dāng)達(dá)到極限電流(16mA)時(shí)，輸出的晶體管將退出且輸出的電壓將很快上升。LM393的輸出部分是集電極開路，發(fā)射極接地的NPN輸出晶體管，可以用多集電極輸出提供或OR ing功能。此輸出能作為一個(gè)簡單的對(duì)地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒被運(yùn)用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動(dòng)和器件的值所限制。當(dāng)達(dá)到極限電流(16mA)時(shí)，輸出晶體管將退出而且輸出電壓會(huì)很快上升。輸出飽和電壓被輸出晶體管大約60ohm 的SAT限制。當(dāng)負(fù)載電

25、流很小時(shí),輸出晶體管的低失調(diào)電壓(約1.0mV)允許輸出箝位則在零電平。LM393內(nèi)部采用雙列直插8腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8 腳塑料封裝（SOP8），如下圖所示。圖2.3 LM393比較器實(shí)物圖圖2.4 LM393比較器引腳圖2.3 LM7805穩(wěn)壓芯片三端穩(wěn)壓集成電路LM7805。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路中有正電壓輸出的lm78 ×× 系列和負(fù)電壓輸出的lm79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓電路用的集成電路，有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO-220的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有l(wèi)m9013樣

26、子的TO-92封裝。當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個(gè)1.5A，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路電子元器件應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致性。另外在輸出電流上應(yīng)該留有一定的余量，以避免個(gè)別集成穩(wěn)壓電路失效時(shí)導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。LM7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等功能，這能使它的性能更加穩(wěn)定，從而能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。該器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍十分廣泛。可以運(yùn)用本地調(diào)節(jié)來消除噪聲的影響，解決了與單點(diǎn)調(diào)節(jié)有關(guān)的分散問題，輸出電壓的誤差精度分為

27、77;3%和±5%兩種。7805三端穩(wěn)壓IC在電路運(yùn)用中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：輸入輸出壓差不能太大,太大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率急速下降，而且容易使元件擊穿損壞。最高輸入電壓不能超過35V; 輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。由于有大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則溫度過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿; 同時(shí)，輸入輸出壓差也不能太小,低于2V時(shí)，穩(wěn)壓效率急速下降。7805引腳正確的順序：1腳接輸入，2腳接地，3腳接輸出。如下圖所示。圖2.5 LM7805實(shí)物圖2.4 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每個(gè)H橋可以單獨(dú)提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.

28、5-48v，邏輯部分5v供電，接受5v的TTL電平。一般情況下，功率部分的電壓應(yīng)當(dāng)大于6V，否則芯片可能不能正常工作。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的參數(shù)：(1)邏輯部分輸入電壓：67V  (2)驅(qū)動(dòng)部分輸入電壓Vs：4.846V (3)邏輯部分工作電流Iss：36mA (4)驅(qū)動(dòng)部分工作電流Io：2A (5)最大耗散功率：25W（T=75） (6)控制信號(hào)輸入電平：高電平：2.3VVinVs，低電平：-0.3VVin1.5V  (7)工作溫度：-25130  (8)驅(qū)動(dòng)形式：雙路大功率H橋驅(qū)動(dòng)

29、0;L298N的使用方法：L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接457V的電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH在2546V。輸出電流可達(dá)到25A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。一個(gè)L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)。實(shí)際運(yùn)用中我們控制一個(gè)電動(dòng)機(jī)，只需控制5，7，10，12腳的輸入電平，從而來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。如下圖所示。圖2.6 L298N實(shí)物圖圖2.7 L298N引腳圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 電源模塊在本系統(tǒng)中，

30、需要用到的電源有單片機(jī)的5V，L298N芯片的電源5V和電機(jī)的電源715V。所以需要提供正確和穩(wěn)定可靠的電源。 方法1：用9V的鋅電源給前、后輪電機(jī)供電，然后使用7805穩(wěn)壓管來把高電壓穩(wěn)成5V分別給單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電。這種接法比較簡單，但小車的電路功耗過大會(huì)導(dǎo)致后輪電機(jī)動(dòng)力不足。 方法2：采用雙電源。為了確保單片機(jī)控制部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的部分的電壓不會(huì)互相影響，要把單片機(jī)的供電和驅(qū)動(dòng)電路分開來，即：用直流可調(diào)電壓源10V來驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片，然后用7805穩(wěn)壓管來穩(wěn)成5V供給單片機(jī)，這樣有助于消除電機(jī)干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谝陨戏治觯x擇方法2。以下為電源模塊圖。圖3.1 電源模塊實(shí)物圖 圖

31、3.2電源模塊3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N是ST公司生產(chǎn)的芯片。該種型號(hào)的特點(diǎn)是：最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；并且可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓。L298N芯片采用15腳封裝。其芯片的特

32、點(diǎn)是：工作電壓較高，最高工作電壓可高達(dá)46V，并且可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的I/O口提供控制信號(hào)，而且電路設(shè)計(jì)簡單，使用比較方便。經(jīng)實(shí)驗(yàn)比較，L298N驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)行可靠，取得效果較好，而且電路的電氣性能和散熱性能較好，本設(shè)計(jì)選用L298N驅(qū)動(dòng)模塊。下圖為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖。圖3.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖 圖3.4 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3.3 循跡模塊小車循跡功能的原理是小車在畫有黑線的白紙“路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷“道路”黑線。本設(shè)計(jì)采用的是紅外探測法，選用TCRT5000，在小車行駛過程

33、中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光能夠被裝在小車上的接收管所接收；如果遇到黑線時(shí)則紅外光被黑線所吸收，則小車上的接收管則接收不到信號(hào)，再通過LM393作比較器來采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測，然后再發(fā)送信號(hào)到單片機(jī)。如下圖所示。圖3.5 循跡模塊實(shí)物圖 圖3.6 循跡模塊電路圖3.4 超聲波模塊本設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波測距模塊，為非接觸式距離感測功能，測量精度可高達(dá)到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。如下圖所示。 圖3.7 HC-SR04模塊實(shí)物圖3.4.1 超聲波測距基本工作原理（1） 采用IO口控制TRIG來觸發(fā)測距，給至少10us的高

34、電平信號(hào)；（2） 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，并且自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；（3） 當(dāng)有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，則高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2）。3.4.2 HC-SR04主要技術(shù)參數(shù) 表3.1 HC-SR04電氣參數(shù)電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC5V工作電流15mA工作頻率40kHZ最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號(hào)10us的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL電平信號(hào)規(guī)格尺寸45*20*15mm表3.2 HC-SR04各pin接口定義從左到右依次編號(hào)1.2.3.4.5各自定義

35、1號(hào)Pin接VCC電源（2.4V5.5V2號(hào)Pin為電平觸發(fā)時(shí)接Trig端 3號(hào)Pin為電平觸發(fā)時(shí)接Echo端4號(hào)Pin接外部電路的地注意事項(xiàng)：1：此模塊不適合帶電連接，如果要帶電連接的話，則先讓模塊的Gnd端先連接，否則會(huì)影響超聲波模塊正常工作。 2：測距時(shí)，被測物體的面積要不少于0.5平方米并且要盡量平整，否則會(huì)影響測試結(jié)果。3.5 MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)3.5.1 電源電路MSP430G2553單片機(jī)為3.3V供電，整個(gè)系統(tǒng)大部分都是采用3.3V電源，應(yīng)該考慮到系統(tǒng)對(duì)電源要求應(yīng)具有穩(wěn)定的電壓和紋波小等特點(diǎn)，另外也應(yīng)考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn)，為了與其他模塊的引腳電壓相匹配

36、，因此該硬件系統(tǒng)采用LT1086電源芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片能很好的滿足該硬件系統(tǒng)的要求，另外該芯片具有很小的封裝，因此能有效的節(jié)約PCB板的面積，為了使輸出的電源紋波小，再輸出部分用了幾個(gè)電容，另外在芯片的輸入端也放置一個(gè)10uF的濾波電容，減少輸入端受到的干擾。3.5.2 晶振電路、復(fù)位電路及接口電路MSP430單片機(jī)時(shí)鐘模塊包括了數(shù)控振蕩器4(DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等3個(gè)時(shí)鐘源。這是為了解決系統(tǒng)對(duì)處理數(shù)據(jù)要求速度和低功耗要求的矛盾，通過設(shè)計(jì)多個(gè)時(shí)鐘源為時(shí)鐘設(shè)計(jì)提供各種不同工作模式，才能解決某些外圍部件實(shí)時(shí)應(yīng)用的時(shí)鐘要求。如低頻通信、LCD顯示、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。由于數(shù)字控制振蕩

37、器DCO已經(jīng)集成在MSP430內(nèi)部，在系統(tǒng)中只需設(shè)計(jì)高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。低速晶體振蕩器(LFXTl)滿足了低功耗及使用32.768kHz晶振4的要求。LFXTl振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即32.768kHz，也可以通過外接450kHz8MHz的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，高速晶振也稱為第二振蕩器XT2，它為MSP430G2553工作在高頻模式時(shí)提供時(shí)鐘，XT2最高可達(dá)8MHz。在系統(tǒng)中XT2采用4MHz的晶體，XT2外接2個(gè)22pF的電容經(jīng)過XT2IN和XT2OUT連接到MCU。在本設(shè)計(jì)中我們使用低頻模式，晶振外接2個(gè)22pF的電容3經(jīng)過XIN和XOUT連接

38、到MCU。如下圖所示。圖3.8 晶振電路圖3.9 復(fù)位電路圖3.10 接口電路4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 主程序 中斷服務(wù)程序里始終使用超聲波測距模塊檢測距離，并且送回主程序內(nèi)實(shí)時(shí)判斷這個(gè)值與設(shè)置值的大小，當(dāng)這個(gè)值小于設(shè)定值時(shí)，電機(jī)馬上停止運(yùn)轉(zhuǎn)，小車停車。當(dāng)這個(gè)值大于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行循跡程序與電機(jī)控制程序。從達(dá)到小車的循跡及避障功能。通過下面的程序及流程圖2，可以看到主程序的運(yùn)行流程。圖4.1 主程序流程圖void main(void)WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /關(guān)閉看門狗BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; /基本時(shí)鐘系統(tǒng)DCOCTL = CALDCO_1MHZ; /采用

39、DC晶振，時(shí)鐘為1MHZP1DIR |=(BIT0+BIT1+BIT3+BIT4+BIT5+BIT6+BIT7);/設(shè)置IO口為輸出P2DIR |=(BIT0+BIT1+BIT2); /設(shè)置IO口為輸出 P2DIR &=(BIT3+BIT4+BIT5); /設(shè)置IO口為輸入 P1DIR &=BIT2; /設(shè)置P12為輸入腳 P1SEL |=BIT2; /TA0.1，超聲波的信號(hào)腳echo TACTL|=TASSEL_2+ID_0+MC_2+TAIE+TACLR; /定時(shí)器A /子系統(tǒng)時(shí)鐘，不分頻，連續(xù)計(jì)數(shù)，定時(shí)器中斷允許，定時(shí)器清除位 TACCTL1=CAP+CCIS_0+CM

40、_3+CCIE+SCS; /捕獲比較控制器1 /捕獲模式，選擇CCIxA，上升下降沿都捕獲，使能捕獲，同步捕獲 TACCR1=0; /定時(shí)器初始值 _EINT(); /使能定時(shí)器中斷while(1) send_15us(); /送15us給trig控制腳if(distance<17) /如果距離小于17cm,電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，小車停止motorstop(); else xunji(); /否則小車就運(yùn)行循跡程序4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)向控制程序通過控制兩個(gè)L298N的使能端和控制端來控制四個(gè)電機(jī)，從而控制小車的停止、行駛以及轉(zhuǎn)向的控制。void motorstop(void) P1OUT &

41、=EN; /小車總使能腳為0時(shí)，電機(jī)停止void motorrun(void) /小車前進(jìn) P1OUT |=EN; /使能腳為1 P1OUT |=C1_1; P1OUT &=C1_2; /motor1 正轉(zhuǎn) P1OUT |=C2_1; P2OUT &=C2_2; /motor2 正轉(zhuǎn) P1OUT |=C3_1; P1OUT &=C3_2; /motor3 正轉(zhuǎn) P2OUT |=C4_1; P2OUT &=C4_2; /motor4 正轉(zhuǎn)void motorretreat(void) /小車后退 P1OUT |=EN; /使能腳為1 P1OUT &=C1_

42、1; P1OUT |=C1_2; / motor1 反轉(zhuǎn) P1OUT &=C2_1; P2OUT |=C2_2; / motor2 反轉(zhuǎn) P1OUT &=C3_1; / motor3 反轉(zhuǎn) P1OUT |=C3_2; P2OUT &=C4_1; / motor4 反轉(zhuǎn) P2OUT |=C4_2;void motorleft(void) /左轉(zhuǎn) P1OUT |=EN; /使能腳為1 P1OUT &=C1_1; P1OUT |=C1_2; /motor1 反轉(zhuǎn) P1OUT |=C2_1; P2OUT &=C2_2; / motor2 正轉(zhuǎn) P1OUT |=C

43、3_1; P1OUT &=C3_2; / motor3 正轉(zhuǎn) P2OUT |=C4_1; P2OUT &=C4_2; / motor4 正轉(zhuǎn)void motorbigleft(void) /大左轉(zhuǎn) P1OUT |=EN; /使能腳為1 P1OUT &=C1_1; P1OUT |=C1_2; /motor1 反轉(zhuǎn) P1OUT |=C2_1; P2OUT &=C2_2; / motor2 正轉(zhuǎn) P1OUT &=C3_1; P1OUT |=C3_2; / motor3 反轉(zhuǎn) P2OUT |=C4_1; P2OUT &=C4_2; / motor4 正轉(zhuǎn)

44、void motorright(void) /右轉(zhuǎn) P1OUT |=EN; /使能腳為1 P1OUT |=C1_1; P1OUT &=C1_2; /motor1 正轉(zhuǎn) P1OUT &=C2_1; P2OUT |=C2_2; /motor2 反轉(zhuǎn) P1OUT |=C3_1; P1OUT &=C3_2; /motor3 正轉(zhuǎn) P2OUT |=C4_1; P2OUT &=C4_2; /motor4 正轉(zhuǎn)void motorbigright(void) /大右轉(zhuǎn) P1OUT |=EN; /使能腳為1 P1OUT |=C1_1; P1OUT &=C1_2; /mo

45、tor1 正轉(zhuǎn) P1OUT &=C2_1; P2OUT |=C2_2; /motor2 反轉(zhuǎn) P1OUT |=C3_1; P1OUT &=C3_2; /motor3 正轉(zhuǎn) P2OUT &=C4_1; P2OUT |=C4_2; /motor4 反轉(zhuǎn)4.3 紅外循跡控制程序循跡模塊始終檢測線路信號(hào)，并把這個(gè)信號(hào)送回單片機(jī)IO寄存器，單片機(jī)處理檢測到的信號(hào)，運(yùn)行相關(guān)的電機(jī)控制程序。在下面的循跡流程圖1可看出。圖4.2 紅外循跡控制程序流程圖void xunji(void) /P2.3, P2.4, P2.5為循跡模塊的信號(hào)輸出腳 switch(P2IN&0x38)

46、/switch程序入口 case 0x38: /0011 1000 motorrun(); /小車前進(jìn) break; case 0x30: /0011 0000 motorleft(); break; /小車左轉(zhuǎn) case 0x20: /0010 0000 motorbigleft(); break; /小車大左轉(zhuǎn) case 0x18: /0001 1000 motorright(); break; /小車右轉(zhuǎn) case 0x8: /0000 1000 motorbigright(); break; /小車大右轉(zhuǎn) case 0: /0000 0000 motorretreat(); /小車后退

47、break; default: /如果是其它情況時(shí) motorstop(); /小車停止 break; 4.4 超聲波測距程序 超聲波測距程序放在中斷服務(wù)程序里執(zhí)行，采用IO口控制TRIG來觸發(fā)測距，給至少為10us的高電平信號(hào), 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回, 有信號(hào)返回，通過IO口ECHO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。則距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2）。超聲波測距程序的流程圖由下圖所示。圖4.3 超聲波測距流程圖#pragma vector =TIMER0_A1_VECTOR /定時(shí)器1_interrupt void

48、 Timer_A(void)switch(TA0IV) /Timer0_A CC1產(chǎn)生的中斷,P12上升下降都能產(chǎn)生中斷case 2: /CCR1捕獲寄存器中斷入口,上升沿下降沿都能產(chǎn)生中斷if(TACCTL1&CCI) /捕獲比較器輸入信號(hào)位P12result_start=CCR1; /置1時(shí)記錄此時(shí)CCR1的數(shù)據(jù)break;elseresult_end=CCR1; /置0時(shí)記錄此時(shí)CCR1的數(shù)據(jù)temp=result_end-result_start;/temp為其間間隔的差值distance=temp*0.0175; /將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成距離 break;case 4: break;

49、 /CCR2捕獲寄存器中斷入口，該中斷沒有用到case 10:break; /定時(shí)器A在滿16位時(shí)將產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷5 常用軟件介紹5.1 Proteus介紹PROTEUS軟件是由英國Labcenter electronics公司所研發(fā)的EDA工程軟件。它是一個(gè)集模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路以及多種微控制器系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)。是目前同類型軟件中最先進(jìn)、最完整的電子設(shè)計(jì)類仿真平臺(tái)之一。其真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從原理圖、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能測試到PCB板生成的完整的電子產(chǎn)品研發(fā)過程。5.1.1 電路圖的繪制 運(yùn)行的程序后,進(jìn)入

50、該仿真軟件的主界面,作圖步驟： （1）繪圖前,為了便于作圖,可作一些設(shè)置。如設(shè)置柵格、柵格捕捉精度、圖形界面顏色、大小等。（2）通過對(duì)象選擇按鈕P,利用其搜索引擎,將所需元器件加入到對(duì)象選擇器窗口。列元件清單，如下表所示。 表5.1 元件清單元件名稱型號(hào)數(shù)量Proteus中的名稱單片機(jī)芯片MSP4301MAP430晶振12MHz1CRYSTAL電容22PF2CAP電解電容22uF1CAP-ELEC發(fā)光二極管Led1LED-RED電阻2208RES（3）放置元器件至圖形的編輯窗口,并調(diào)整合適位置。（4）可以修改屬性，如電阻上可以設(shè)置電阻值大小。 （5）可以放置總線至圖形編輯窗

51、口。 （6）元器件之間連線以及元器件與總線的連線。 （7）給與總線連接的導(dǎo)線附上標(biāo)簽,以便于系統(tǒng)正確識(shí)別。5.1.2 Proteus仿真建立工程的流程 圖5.1 打開Proteus界面 圖5.2 在搜索欄可以搜索所需要的元器件 圖5.3 輸入所需要元器件的名字 圖5.4 得到所需要的元器件 圖5.5 根據(jù)各元器件得到的總仿真 圖5.6 燒錄所需要的文件 圖5.7 點(diǎn)擊左下角可以進(jìn)行仿真5.2 Code Composer Studio(CCSv5.1)軟件CCS（Code Composer Studio）是TI公司所研發(fā)的一款具有環(huán)境配置、源文件編輯、程序

52、調(diào)試、仿真跟蹤和分析等功能的集成開發(fā)環(huán)境，能夠幫助用戶在一個(gè)軟件環(huán)境下完成編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作。CCSv5.1為CCS軟件的最新版本，功能更強(qiáng)大、性能更穩(wěn)定、可用性更高，是MSP430軟件開發(fā)的非常實(shí)用的工具。5.2.1 CCSv5.1軟件建立工程的流程 圖5.8 打開CCS軟件圖5.9 新建工程圖5.10 選擇建立工程的路徑 圖5.11 選擇芯片型號(hào) 圖5.12 選擇單片機(jī)與電腦連接的方式 圖5.13 選擇空的工程文件 圖5.14 點(diǎn)擊Finish便完成新工程的建立5.2.2 CCSv5.1編寫程序及調(diào)試的流程 圖5.15 新建的工程的界面 圖5.16 輸入代碼得到完整的程

53、序 圖5.17 點(diǎn)擊此兩鍵進(jìn)行編譯和仿真 圖5.18 進(jìn)入仿真界面 圖5.19 點(diǎn)擊這幾個(gè)鍵可進(jìn)行仿真及調(diào)試結(jié)論歷時(shí)三個(gè)月的設(shè)計(jì)過程中，我一邊查閱資料，一邊在實(shí)驗(yàn)室焊接小車的線路板。在焊接過程中，我感覺到即使是一個(gè)簡單的電路，要想很輕松的焊好，也不是很容易的事情。有時(shí)可能是電路“虛焊”的原因，有時(shí)可能是阻值選錯(cuò)。這使我深深感受到理論與實(shí)際間的差距。通過這樣的設(shè)計(jì)，提高了我自身的動(dòng)手能力。每天在實(shí)驗(yàn)室除了焊接線路板，而且進(jìn)行上機(jī)編程，使我軟件上的編寫以及調(diào)試的能力也提高了不少。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)制作智能循跡避障小車過程中，完成了智能小車的硬件設(shè)計(jì)與軟件調(diào)試工作。在實(shí)踐的過程中，熟悉了以MSP430G2553單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、循跡等外圍電路，采用算法實(shí)現(xiàn)小車的智能控制。靈活運(yùn)用了所學(xué)到的相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到了理論和實(shí)際的統(tǒng)一。在此過程中