自动往返小车报告.docx
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自动往返小车报告
自动往返小车
指导老师：
赵建
作者：
陈波杜金鑫马洁司芳坤
西安电子科技大学测控技术与仪器教研中心
摘 要
本小车以MSP超低功耗单片机系列MSP430F14为核心，完成检测黑线判断车体位置，检测轨道挡板，测速等功能。
采用PWM驱动芯片控制电机，红外传感器检测黑线，红外LED和一体化接收头来检测挡板。
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、行驶时间等扩展功能。
关键词：
MSP430寻迹避障
1.系统设计
1．1基本要求
（1）车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。
往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。
（2）到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值）。
（3）D～E间为限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，但不允许在限速区内停车。
2．发挥部分
（1）自动记录、显示一次往返时间（记录显示装置要求安装在车上）。
（2）自动记录、显示行驶距离（记录显示装置要求安装在车上）。
（3）其它特色与创新。
1.2方案论证与比较
1.控制系统
方案一控制部分的核心采用传统的数字逻辑芯片来实现。
该系统共有启动、加速前进/后退、限速前进/后退、暂停、等待等几个状态。
各个状态保持或者转移的条件依赖于外部传感器送来的信号。
由于外部传感器数目比较多，需要比较多的传感器接口电路。
系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯数字电路或者小规模的可编程逻辑电路实现该系统有一定的困难，需要用中大规模的可编程逻辑电路。
这样，系统的成本就会急剧上升（相对于方案二）。
因此，本设计未采用这种方案。
方案二该小汽车是一个自动控制系统，这样的系统用单片机来实现比较合适。
选用一片MSP430F149作为MCU，与L298一起控制电机。
还处理光电传感器送来的地面标志信号，该信号主要控制小车的加速、减速、限速、惯性行驶、刹车、倒车等状态；另外，它利用DS1302计时，芯片驱动LCD显示，很方便的就显示行车时间。
由小汽车轮胎后轮旁边的干簧管的导通次数直接送到它的CA0（P2.3）,这样，小车的实际行驶距离就很方便能测量出来。
2.传感器的选择
本实验使用光电传感器和干簧管。
（1）检测黑线的传感器本设计采用红外线光电反射传感器，鉴于车底盘低，采用近距离有效的光电传感器（LTH1550）。
（2）检测挡板的传感器本设计采用反射式红外线光电传感器。
能够检测10cm—20cm距离。
并且找到一种接收头，持续接受能够保持低电平，可以比较准确的分辨出是否走偏。
另外由于用电动小车改装而成，小车行驶基本成直线，更加减少了撞上挡板的可能。
（3）测量车行程、速度传感器我们通过测量小汽车驱动轮转动的圈数来间接换算小汽车的行程，并且记录每圈的时间，换算出速度v，实时显示。
关键就是测量车轮的转动，有几个办法。
首先，可以选择透射式光电传感器或者反射式光电传感器。
这样需要在车轮上做较大的机械加工（打孔或者黏贴白纸），而且市场上能买到的可用光电传感器体积较大，不易安装，故没有采用。
我们采用干簧管，该传感器体积小，可以装在车轮附近的车身上，在车轮上安装一块小磁铁，每转动一圈，闭合一次，并且精度比较高，是个不错的选择。
故选用。
3.执行部件的选择
执行部件分为驱动部件和方向控制部件两个部分。
比较好的方案是在方向控制部分使用步进电机，这样可以由MCU比较精确的控制前轮转向的角度和持续时间，结合传感器传来的信号，便可以非常精确地控制小汽车行驶的方向。
但是，由于该系统的控制对象是由玩具电动车改装，其电动机和变速系统已经无法更换。
故只能使用该玩具汽车自带的两个电动机。
实际使用时，用PWM信号驱动电动机，控制电机的输出功率和转速。
4.电源
由于该系统用电池供电，对电路功耗的要求比较严格。
该电路中耗电量大的就是电动机和MCU。
但是主要是电动机，功耗无法消减。
另一方面，该系统为数字与模拟混合系统，要求使用多档不同的电压供电，比较理想的办法是使用DC-DC变换器来产生系统所需要的各种电压。
但是考虑到小车跑的距离不是很长，干电池可以支撑系统的稳定，再加上成本、体积、效率、噪声干扰一系列随之而来的问题，系统并未采用DC-DC变换的方案，而是直接用干电池供电。
2.硬件电路设计
MCU
本系统以MSP430F14为控制核心。
整个硬件框图如下图所示：
图2.1
主控制模块
本小车实现功能较少，我们选用美国TI公司MSP430系列单片机来实现小车的行动。
由于MSP430单片机具有低功耗、高速实时控制以及数据计算，并且拥有更多的片上资源供设计使用，这使得我们的设计更加简练更加有效。
。
图2.2
黑线探测及处理电路
反射式红外传感器工作原理：
反射式红外传感器1550采用高发射功率红外广电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
检测距离可调整范围为4－15mm；采用非接触检测方式。
图2.3
反射式红外传感器中包含一个发射器LED和一个光探测器（光敏二极光敏三极管）。
着两个元件被封装在同一个塑料壳体中，并且排列成适合他们工作的理想位置。
LED发出的一束光被一个表面反射后又回到探测器中。
图2.3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2.4
反射式传感器在高度受控的理想环境下的工作性能更好，因为影响它输出的外界因素有很多，如环境光的变动、传感器与被探测物体之间的距离，以及被探测物体的反射率等。
为了减少环境光的干扰，首先需要调整传感器的方位使环境光不能直接射到探测器。
反射式红外传感器1550的最佳探测距离为6-14mm。
所以在安装时应与地面保持10mm左右的距离，可以用铜柱和垫圈来改变其与地面的距离。
设计如下图所示：
图2.5
考虑到本系统不需要精确定位黑线的位置，所以我们采用前后各装两个传感器，再经过或门将两路信号采集到单片机中，此目的在于不管小车在行进中遇到黑线时是什么姿态都可以以最短的时间检测到黑线，发送出数据。
挡板检测
红外线光电传感器的工作原理：
图2.6
一体化接收头内部集成有带通滤波器，它只允许大约38kHz的红外信号通过。
这种仅对38KHz敏感的特性，有助于消除环境光对遥控器接收的影响。
如图，当红外线发射管IRLED）发出的38KHz的红外线被一体化接收头接收时，接收头输出“0”。
当没有侦测到红外线，或非38KHz红外线（如日光灯干扰），输出“1”。
利用一体化红外接收头在38KHz附近灵敏度的衰减的特性，可以实现测距功能。
图五.一显示的是某品牌的红外线探测器（PanasonicPNA4602M）在38KHz附近的灵敏度如果红外LED发送频率为42kHz，接收头的灵敏度是频率为38.5kHz的20%左右。
在非38KHz频率下，探测器的灵敏度下降，为了让探测器探测到红外线的反射，物体必须离探测器更近，才能使反射的红外光更亮。
图2.7
本设计所要检测的距离不是很远，所以在设计中用不到测距，仅仅只用到其壁障功能。
用Msp430f149的TA定时器产生38kHZ左右的开关频率，直接驱动三极管的导通与截止，是发光管发射出38kHZ左右的红外光。
实现对轨道当班的检测。
设计原理图如下所示：
图2.8
路程、速度测试电路
干簧管工作原理：
图2.9
若干簧管置于磁场中时，干簧管的两极就会吸合，而使其导通。
如果在其两端加上限流电阻和电极，就可以实现脉冲输出到单片机进行计数处理，可以换算成路程，速度等物理量。
原理图如下：
图2.10
时间显示电路
考虑到单片机管脚的使用和占地面积，我们使用了LCD1602。
普通的LED显示需要更多的I/O口，这回是单片机资源急剧下降，同时也会占去电路板的大部分地方，1602则不会产生这样的问题，而且其价格便宜，电路简单使用方便。
在电路设计中我们加入了74ls245总线驱动器，加强I/O口的驱动能力，其中一片为数据驱动，另一片为控制信号驱动和壁障电路信号的驱动。
电路原理图如下：
图2.11
电机驱动电路
考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活专性，我们选用了电机专用驱动芯片。
为了能控制车轮的转速，可以采取PWM调速法，即由单片机的TAi和TBi输出一系列频率固定的方波，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。
左右两轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、等功能。
L298N工作时，ISENA接地，IN1为1或0从ENA输入PWM怎可以控制电机正转或者反转。
我们的设计中将IN1和IN2分别接到I/O口和一个非门从而可以用一个口来控制电机的正反转。
具体电路如下：
图2.12
L298的工作原理：
图2.13
电源模块
图2.14
其中Vin接4节.5V电池，经TLV1117-3.3稳到3.3V，分别给传感器和控制芯片提供电源。
3软件设计
1.主程序流程图
开始
初始化
是否检测到挡板
转向
前进
2.黑线检测中断3.轮圈计数中断
开中断
开中断
是否中断
等待
N
等待
是否中断
N
Y
判断是否抖动
Y
轮圈数加一
黑线数加一
相应行驶状态及显示
标志位清零
标志位清零
退出中断
退出中断
4．系统测试
1.测试用仪表：
序号
仪器名
数量
备注
1
数字万用表
1
--
2
稳压电源：
HY1711-2
1
--
3
双踪示波器：
YB4320G
1
--
4
5
秒表
米尺
1
1
--
--
2.测试数据：
次数
总时间（S）
总路程（M）
前进时减速区内耗时（S）
返回时减速区内耗时（S）
1
49
21.3
8
9
2
54
22.1
9
9
附录
附件1：
使用TI芯片
器件型号
数量
用途
MSP430F149
1
主控芯片
TLV1117-3.3
1
电源电路
附件2：
元器件清单
名称
数目
MSP430F149
1
1602
1
TLV1117-3.3
1
L298N
1
4148
8
32.768晶振
1
1550
4
红外LED
4
发光LED
2
9013
2
电阻1K
7
电阻2K
1
电阻100
4
电阻4.70K
1
电容104
6
电容106
2
电容22p
2
电容4.7U
4
74HC245
2
74HC04
1
排线，接插件
若干
附件三实物图及PCB
原理图：
PCB图：
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