基于超声波的智能避障小车的研究与设计本科毕业设计说明书(论文).doc

毕业设计基于超声波的智能避障小车的研究与设计基于超声波的智能避障小车的研究与设计摘要 在这个智能普及的时代，智能小车也逐渐吸引着高校学生和研究工作者们的眼球。基于单片机的智能小车制作成本较为低廉，操作起来比较方便，电路简单，程序方便易调试，且其比较考验制作者的细腻及用心程度，趣味性比较强，所以在本设计中的核心就是用单片机控制智能小车并使其搭载超声波测距仪，通过程序的编写以及对硬件各部分的调试，使其最终达到在障碍物小于编程中设定的距离的情况下能够进行自动避障。超声波也是现在时代发展的主流。应用在各个大品牌的汽车上。自动泊车和拐弯都是在基于超声波的测距情况下来完成并实现其功能的。本设计的最初灵感是来自仓库管理机器人，在如今劳动力较为饱和的社会现状下，能够用更小的投资获得最大的收益也成为企业家们更加关注的问题，若本设计能够完成并且能够完美收官，也会被不少企业家们所看重。在本设计中综合运用了在大学四年间学到的单片机程序编写的知识、电路连接、硬件焊接以及电子设计等多种真正在学校学习到的本领。比较考验本人的知识融合能力以及动手操作的实践能力。对将来步入社会都起着举足轻重的作用。关键词：超声波；避障；单片机；程序编写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目录第一章绪论11.1 项目研究背景及意义11.2 国内外发展情况11.2.1 国外发展现状11.2.2 国内发展现状21.3 毕业设计目标与内容31.4 论文结构安排3第二章器材介绍42.1 宝贝车底盘42.1.1 亚克支架底盘配件清单42.1.2 tt变速电机42.1.3 小车车轮2个52.1.4 万向轮 1个52.2 uln200362.3 msp430f149单片机82.4 继电器142.5 超声波测距仪器 us-100模块简介16第三章程序编写203.1 us100超声波测距模块程序203.1.1 超声波测距模块触发方式203.1.2 单片机串口配置213.2 电机驱动方式25第四章硬件平台的搭建274.1 模块接线274.1.1 us-100超声波测距仪器284.1.2 继电器284.1.3 电机294.2 小车运行实际效果30第五章结论34参考文献35致谢36天津理工大学中环信息学院2015届本科毕业设计说明书第一章绪论1.1 项目研究背景及意义世界终将是嵌入式的天下。微软在80年代看到了个人pc，却没有预测到更远的未来。乔布斯重新定义了智能手机，更加贴近人类生活。然而谷歌放眼的是改变世界。开放式的平台才是世界未来的发展主流。时代在变，时代的主流在变，人们心中的定义的流行更新替换的也是越来越快。在进入21世纪以来，世界发展的总体大方向是“智能”。什么是智能呢？职能作为新时代的产物，被定义为“它能够按照人类预先给定的模式，在某个特定的环境和条件下自动运行，不需人为的管理，就可以完成预期所想要达到的或者是更高级的目标。”在本设计中，就体现了小车的智能模式。通过程序的编写和硬件的调试，在单片机控制下，驱动小车底盘上的变速电机的转动，带动小车的前进，通过搭载在小车底盘上的超声波测距仪判断在障碍物距离，并在小车与障碍物的距离小于编程中的设定值时，小车就会自己做出自动的动作，朝着没有障碍物的方向继续前行，完成开始设计时的目标。在当今这个社会的大背景下，所有人力不可及的事情好像都可以通过人类的智慧，让更多的现代高科技产物代替人类去完成。比如在地震之后，检测在废墟下是否还有待拯救人类；在家庭主人忙碌一整天之后，回到家之后看到乱作一团的家里卫生环境，通过简单的一个开关按钮，就可以让吸尘器机器人进行自动动作，帮助打理家庭环境卫生；在阴暗的工厂仓库中，工人们不方便操作，本设计就是工厂仓库搬运机器人的雏形。我国作为世界上的经济大国，在科技领域已经取得不小的成就。但是在汽车制造业，我国跟世界上的顶尖制造国还是有一定的差距。在顶尖的汽车中，都会应用到超声波的智能避障，当汽车与障碍物之间的距离小于一定距离的时候，系统就会提示车主，让车主做出相对应的处理措施。若司机没有采取措施，汽车便会制自行制动，避免发生危险。我国的科研人员也可以参照此方向做研究并进行发展。1.2 国内外发展情况1.2.1 国外发展现状在国外，机器人的发展有如下趋势。一方面机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化，模块化，网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强大，并向着计算机技术和装备成套化的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展，如表演型机器人，服务型机器人，机器人玩具等1。国外研究机构正试图将机器人应用于人类活动的各个领域。外太空探索，仓库管理，智能家庭清洁机器人，智能避障小车，航空航天，儿童玩具，以及人们日常所用到的手机，电脑等都充斥着智能，智能是这个社会发展的大方向，是社会发展的必然趋势，国外在这方面的研究早于我国，因此在这方面，我国还是比较落后于欧美及日本等发达国家的。1.2.2 国内发展现状自人类进入科技世纪后，随着各领域的科技技术的迅猛发展，人们对生活、生产、工具使用安全性的要求也越来越高，相比于古代的人力，人们现在更愿意让机器去代替人力来完成一些工作，因此，科学技术的发展必然会改变这一现状，各类高科技产品交替衍生，小则人们的衣食住行，行车安全，智能交通，儿童玩具等，大则到国家的国防安全，航天航空领域，外太空探索等，这些都已成为人们生活必不可少的一部分。机器人是现代社会的发展产物，是人类文明进步的标志，是世界发展史上的一个重要的里程碑。它可以作为人类劳动成产中的主要力量，可以在很大程度上帮助人们减轻工作负担，减小工作量；不会危及到人类的安全，在人类不适宜去到的环境下可以驱使只能小型机器人代替人类涉足，将信息传回人类所能接受到的媒介中，使人总结并得出应有的结论。对于机器人的定义从来都没有一个统一的标准。但是在大多数专家学者看来，所谓机器人就是通过软件编程控制硬件，使其能够实现它应该完成的功能。在1979年，美国的机器人学会对机器人进行了定义：一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是位了执行不同任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。而日本的学者则认为：机器人就是一种自动化的机械。但是在我国的学者眼中，机器人就是一种自动化机器，它能够具有高度的灵活性，并且具备一些和人或生物相似的智能能力的自动化机器2。智能小车就是在这样的前提下演变而成的，智能小车其实就是一种简易的智能机器人，它具有很强的自我组织能力和自我适应能力，可以在没有人操作的情况下完成很多提前规划好的任务。其被开发出的主要目的就是完成一些危险的，费时费力的，一些对人们正常生活有障碍的工作，此时，智能避障小车就能很好的去完成这些工作，并达到预期的目的，障碍物检测是智能移动机器人、智能汽车对周边环境感知技术研究领域中的重要方面。可移动的智能机器人自适应能力强，高度的自规划能力和较强自组织能力使其性能强劲，操作方便，在没有人类的干预和扰动条件下，不用特定环境和外部因素的改变，就能够在初始设定中有效的完成设计时的目标，完成任务。智能避障小车是智能汽车研究的雏形，通过传感器的数据接收能够快速的进行判断并且迅速作出反应，对感知周围环境技术也有一定的研究意义。社会的发展，科技的进步，使得如今技术越来越向利益方向发展，欧美各国及日本等发达国家都对该研究方向做出一定的探索和研究，并且取得了比较可观的成果。我国因为发展起步晚，理论技术不足，基础设施不全，资金分配不够合理等因素，导致我国在这方面的研究领域中取得的成果与发达国家存在较大的差距，只有一些小研究机构能做出一些小的研究成果。在本设计中，通过使用“基于超声波的障碍物检测测距系统”，用单片机msp430f149驱动小车的电机转动，通过装配的单片机程序驱动，负载超声波的测距程序，实现小车在障碍物的距离小于设定距离时能够自动作出判断并执行拐弯动作，向没有障碍物的方向继续前行。此设计可以说是就在机器人的雏形，也可以是仓库搬运机器人的雏形，也可以用于儿童玩具开发，发展前景较为广阔，使用价值比较高。1.3 毕业设计目标与内容研究us-100超声波模块的测距工作原理，学习本模块的使用方法；研究车轮电机的驱动方法，并了解电机的负载及其驱动电压，设计合理的电机驱动电路；用ccs编写程序，实现智能避障小车的控制算法，利用us-100超声波测距模块，测量障碍物和小车之间的距离，通过单片机程序的编写驱动超声波模块反馈的距离，与在设计中的设定值进行比较，当距离小于设定值时，小车能够自动避开障碍物并继续前进。智能避障小车也会在仓库管理等方面有广泛的应用，设计并实现智能避障小车的控制算法，在锻炼学生动手能力、提高学生理论联系实际能力的同时，可以为工程实践积累经验。1.4 论文结构安排第1章，绪论。介绍本设计中的设计研究目的，研究背景、研究意义以及主要研究内容，并对相关技术现状做简要分析；第2章，本设计的相关器件的介绍；第3章，系统软件程序设计，在ccs编程环境中利用c语言对系统编程实现各个功能，包括超声波测距，智能避障等程序的编写；第4章,系统硬件平台的搭建；第5章,本模型的运行效果行调试；第6章,结论。通过对本次设计中的方法和方式进行总结，得出本次设计的结论，并总结设计收获和体会，同时指出再设计工作中的不足之处和需要改进的地方。第二章器材介绍2.1 宝贝车底盘 2.1.1 亚克支架底盘配件清单亚克力底盘1个。本小车底盘的规格为：长为20cm，宽为15cm，头部宽为15cm,中部宽为10cm。底盘实物图如图2.1所示：图2.1 宝贝车底盘fig.2.1 baby car chassis2.1.2 tt变速电机本设计所用的小车电机实物如图2.2所示：图2.2 tt变速电机实物图fig.2.2 tt variable speed motor physical map电机采用扭力强劲抗干扰强磁电机, 超省电，空转电流0.1-0.2a,电机运行稳定，无抖动。本设计中对速度无要求，要稳定巡线，调速运行，用1：120的电机，6v电压，速度约90转/分钟，可以载重1公斤左右。2.1.3 小车车轮2个本设计中小车的车轮如图2.3所示：图2.3 小车车轮实物图fig.2.3 the car wheel physical map2.1.4 万向轮 1个本设计中小车转弯是由如图2.4所示的万向轮控制的：图2.4 小车万向轮fig.2.4 the car wheel亚克力tt电机支架 4个铜柱 4 个与 螺丝3x6mm 8个（固定万向轮）螺丝3x30mm 4个 螺帽3mm 4个 （固定电机）2.2 uln2003复合晶体管iculn2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅npn 复合晶体管组成3。uln2003实物图如图2.5所示：图2.5 uln2003实物图fig.2.5 uln2003 physical mapuln2003的每一对复合三极管都串联一个2700欧姆的基极电阻,在5v 的工作电压下它能与“晶体管-晶体管逻辑电路”和“金属-氧化物-半导体结构的晶体管构成的集成电路”直接相连，它能够处理原本需要用标准逻辑缓冲器来缓冲处理的数据。uln2003晶体管的工作输出电压高，工作输出电流大，灌电流可达500ma，并且能够在关态时承受输入为50v的电压，输出还能在高负载电流并行运行4。uln2003采用dip16或sop16塑料封装。uln2003的内部存在一个二极管可以用来消除线圈的反电动势，所以它可以用来驱动继电器。它是双列16脚封装,npn晶体管矩阵,最大驱动电压是50v,电流是500ma,输入电压=5v,适用于“晶体管-晶体管逻辑电路”和“金属-氧化物-半导体结构的晶体管构成的集成电路”,由复合三极管组成驱动电路。uln是集成复合三极管的集成电路,内部有一个用于消除线圈反电动势的二极管,它输出的电流最大为200ma，饱和压降大约为1v左右，最大承受电压大约为36v。uln2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、plc、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载5。 uln2003的电气特性如表2.1所示：表2.1 uln2003的绝对最大额定值及电气特性table 2.1 the electrical characteristics of the absolute maximum ratings of the uln2003特点符号等级单位输出电流（最大值）iout500毫安工作温度 opr85摄氏度工作温度 opr-40摄氏度储存温度（最大） 英镑150摄氏度储存温度（最小值） 英镑-55摄氏度输出击穿电压v ce（sus）50v特点条件单位等级直流电流增益（最小值） fe-1000单位v in（on）（最大值）vin（on）-24-v in（on）（最小值）vin（on）-2.8v推荐系统电源电压（最大值）v in（推荐）-24v推荐系统电源电压（最小值）v in（推荐）-0v输入5vttl电平，输出可达500ma/50v。 uln2003是高压大电流复合三极管阵列系列产品,它可以使电流变大、工作电压变大、适应温度范围大、带负载能力强等特点,适应于各类要求较大功率速率快的系统6。引脚介绍如表2.2所示：表2.2 uln2003各个引脚功能介绍table 2.2 uln2003 introduced the function of each pin引脚1cpu脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚9是7个续流二极管负极的公共端引脚2cpu脉冲输入端引脚10脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端引脚3cpu脉冲输入端引脚11脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端引脚4cpu脉冲输入端引脚12脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端引脚5cpu脉冲输入端引脚13脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端引脚6cpu脉冲输入端引脚14脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端引脚7cpu脉冲输入端引脚15脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端引脚8接地引脚16脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端 2.3 msp430f149单片机msp430系列单片机是德州公司新开发的一类单片机。它集成度较高，操作比较简便，价格低廉，性能强劲，因此高校学生和科研开发人员比较青睐。它的传输速度比较快，因为具有16位总线，操作简便，因为外部设备和内部存储都可以进行统一编址，寻址范围达到64kb，并且可以进行外扩展存储器。单片机的实物图如下图2.6所示：表2.3 msp430f140单片机的片内部构成table2.3 msp430f140 mcu internal structure片内构成数量/片16位定时器2个比较器1个看门狗1个p口6路dco内部晶体振荡器1个异步通信端口2路外部时钟2个图2.6 msp430单片机实物图fig.2.6 msp430 mcu physical mapmsp430f149单片机的规格如下表2.4所示，功能框及模块复位电路如下如2.7和2.8所示：表2.4 msp430单片机规格table2.4 msp430 microcontroller specifications程序存储器类型flash工作电源电压1.8 v to 3.6 v程序存储器大小60 kb最大工作温度+ 85 c数据 ram 大小2 kb封装 / 箱体lqfp接口类型spi or uart or usart封装tube最大时钟频率8 mhz最小工作温度- 40 c可编程输入/输出端数量48片上 adc8-chx12-bit定时器数量2图2.7 msp430f149功能框图fig.2.7 msp430f149 functional block diagram图2.8 单片机复位模块电路fig.2.8 mcu reset circuit modulemsp430系列单片机具有一种活动模式和五种软件可选的低功耗运行模式。一个中断事件可以将芯片从五种低功耗模式中的任何一种模式中唤醒，请求服务并在从中断程序返回时恢复低功耗模式7。表2.5列出了六种运行模式由软件配置下的运行模式：表2.5 单片机的运行模式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关闭cpu关闭cpu关闭cpu关闭cpu关闭aclk、smclk活动aclk、smclk活动mclk、fll+，dcoclk关闭mclk、fll+，dcoclk关闭aclk、mclk、fll+，dcoclk关闭mclk关闭mclk关闭dco的直流发生器保持活动，aclk保持活动若未使用dco，则自动关闭aclk保持活动co的直流发生器关闭，晶体振荡器停止msp430f149单片机的地址分配如下表2.6所示：表2.6 单片机地址分配table 2.6 mcu address allocation地址7654321000hutxieurxieaccvienmiieofiewdtierw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0wdtie：看门狗定时器中断使能信号。ofie： 振荡器故障中断使能信号。nmiie：非屏蔽中断使能信号。wdtifg：溢出，或安全键违例，或vcc上电复位，或rst/nmi有复位条件时，置位。ofifg：振荡器发生故障时标志置位。msp430f149单片机的内部时钟模块电路图如下图2.9所示：图2.9 单片机时钟模块电路图fig.2.9 mcu clock module circuit diagrammsp430系列单片机存储器组织如下表2.7表2.7 msp430系列单片机存储器组织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引导程序装载程序的目的是把数据下载到闪速存储器中。各种读，写和擦除操作都必须在正确的下载环境中完成。引导装载程序只能在f版本的器件上使用。引导装载程序的功能：将外部设备寄存器或存储器中的数据施加并发送到引脚p1.1上(bsltx)。写定义：写进闪速存储器的数据是从引脚p2.2(bslrx)中读取的。其端口功能如下表2.8所示：表2.8 msp430单片机端口功能table2.8 scm msp430 port function端口功能p1、p2i/o、中断功能、其他片内外设功能p2、p3、p4、p5、p6i/o、其他片内外设功能s、comi/o、驱动液晶闪速存储器有n段主存储器和每段128字节的两段。信息存储器(a和b)。主存储器每个段长为512字节8。段0到n可以一步擦除，也可以每段分别擦除。段a和b可以分别擦除，或与段0到n作为一组擦除。安全熔丝烧断是不可逆的;然后对jtag进一步的访问完全不可能。编程/擦除电压的内部产生：无须使用任何外部元件，但是vcc需求的电源电流增大。编程和擦除定时由闪速存储器中的硬件控制，无需软件干涉。在首次使用之前,用户应该执行一次对信息存储器的擦除。单片机的存储设备图注如下图2.10所示：图2.10 msp430f149单片机的存储设备图注fig.2.10 msp430f149 microcontroller storage device map外围设备:外设通过数据、地址和控制总线连接到cpu，并能容易地用内存操作指令处理。数字i/o有6个已实现的8位端口-p1到p6。端口p1和p2用个控制寄存器，端口p3，p4，p5，p6仅使用4个寄存器，为应用提供数字输入/输出的最大灵活性：所有单i/o口可独立编程。任何输入输出和中断条件的组合都是可能的。端口p1和p2的所有8位对外部事件的中断处理完全实现。利用所有指令对所有寄存器的读/写访问都是可能的。msp430f149单片机特点：低电压、超低功耗。工作电压3.6v1.8v ，正常工作模式280a1mhz，2.2v，待机模式1.6a，ram数据保存的掉电模式下0.1a。五级节电模式。快速苏醒，从待机模式下恢复工作，只需要不到6s时间。16位精简指令集mcu，命令周期125ns。12位adc，具有内部参考电压源，并且具有采样、保持、自动扫描等功能。具有12位的模数转换器可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦。2个16位计数器。具有捕获、门限功能。具有片内比较器。支持isp（在线系统编程），方便开发和项目升级。支持序列号，熔丝位烧写。方便简单。双串口支持超小型封装：64p-qfp、64p-qfn。2.4 继电器在本设计中采用的是hk4100f型继电器。因为单片机的输出电压不足以驱动电机，所以采用输出为5v的继电器作为中间变压器来驱动。本设计中继电器与uln2003同时焊接在一块pc板上，方便接线。hk4100f继电器的实物图如图2.11所示：图2.11 继电器实物图fig.2.11 relay physical map本型号的继电器基本参数如下表2.9和2.10所示：表2.9 hk4100f继电器的基本参数table 2.9 the basic parameters of hk4100f relay触点形式1c1a1b触点材料silver alloy触点负载3a 250vac/3a 30vdc最大转换电压300vac/60vdc最大转换电流3a最大转换功率750va/90w接触电阻100m（at 1a 6vdc）电器寿命1105ops(30ops/min)机械寿命1107ops(300ops/min)表2.10 hk4100f继电器的基本性能参数table 2.10 the basic performance parameters of hk4100f relay绝缘电阻100m 500vdc触点与线圈间耐压1000vac 1min触点间耐压500vac 1min吸合时间max.10ms释放时间max.5ms温度范围-25 to +70稳定性98m/s2强度980m/s2振动10 to 55hz 1.5mm湿度35% to 85%rh重量approx 3.5g安规认定cul tuv cqchk4100f继电器的外形图，接线图，及安装孔尺寸如下图2.12所示：图2.12 hk4100f继电器的外形图、接线图、及安装孔尺寸fig.2.12 hk4100f relay figure, wiring diagram, and mounting hole sizehk4100f继电器的电气特性曲线如下图2.13所示：图2.13 hk4100f继电器电气特性曲线fig.2.13 the electrical characteristics of hk4100f relay curve2.5 超声波测距仪器 us-100模块简介us-100超声波测距仪器可实现0.02到0.045m的非接触测距功能，它拥有比较宽的电压输入范围，大约在2.45.5v之间，静态功耗低于2ma，自带温度传感器，可以对测量距离的结果进行校正,同时，它具有多种通信方式，如gpi0，串口等通信方式。它内部自带看门狗，工作稳定可靠。超声波测距仪的基本参数如下表2.11所示：表2.11 us-100超声波测距仪的基本电气参数table 2.11 basic electrical parameters of us-100 ultrasonic range finder工作电压dc 2.4v5.5v静态电流2ma工作温度-20+70度输出方式电平或uart（跳线帽选择）感应角度小于15度探测距离2-450cm探测精度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，数据位8位，无奇偶校验，无流控制。us-100的实物图如下图2.14和2.15所示：图2.14 us-100正面图fig.2.14 us-100 front view图2.15 us-100背面图fig.2.15 on the back of the us-100 map下图2.16为us-100超声波测距仪的五个管脚及模式选择跳线接口图2.16 模式选择跳线接口fig.2.16 mode selection jumper interface本模块的尺寸：45mm*20mm*1.6mm。板上有两个半径为 1mm的机械孔，如图2.17所示:图2.17 us-100超声波测距模块尺寸图fig.2.17 us-100 ultrasonic ranging module size map从左到右依次编号1，2，3，4，5。它们的定义如下：1号pin：接vcc电源（供电范围2.4v5.5v）。2号pin：当为异步收发接收器模式时，接外部电路异步收发接收器的tx端；当为电平触发模式时，接外部电路的trig端。3号pin：当为异步收发接收器模式时，接外部电路异步收发接收器的rx端；当为电平触发模式时，接外部电路的echo端。4号pin：接外部电路的地端。5号pin：接外部电路的地端。us-100超声波测距仪器的电平触发测距的时序如图2.18所示：10us8 40k图2.18 us-100 测距时序图fig.2.18 us-100 ranging sequence diagram在此模式下测得的距离值为：(高电平时间*340m/s)/2。注：不管温度是多少，只需将声速看作是340m/s即可。串口触发测距工作原理在模块上电前，首先插上模式选择跳线上的跳线帽，使模 块处于串口触发模式。输出的距离值共两个字节，第一个字节是距离的高8位（hdate），第二个字节为距离的低8位（ldata），单位为毫米9。即距离值为（hdata*256 +ldata）mm。第三章程序编写3.1 us100超声波测距模块程序void sendchar(unsigned char data)while(!(ifg1&utxifg0);/等待发送寄存器为空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 超声波测距模块触发方式1、 电平触发第一步：采用单片机io口触发模块trig(控制端），给至少10us的高电平信号。第二步：触发trig端之后，模块自动发送8个40khz的方波，模块再自动检测是否有信号返回10。第三步：如果有信号返回，模块echo端输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间11。第四步：单片机计算echo端高电平的时间，计算距离并显示。测试距离=(高电平时间*声速(340m/s)/2;2、 串口触发输出格式说明：模块每次输出一帧，含4个8位数据，帧格式为：0xff+h_data+l_data+sum第一步：0xff：为一帧开始数据，用于判断。第二步：h_data：距离数据的高8位。第三步：l_data：距离数据的低8位。第四步：sum:数据和，用于效验。其0xff+h_data+l_data=sum（仅低8位）。3.1.2 单片机串口配置一、msp430的串口通讯模块（usart）由于本设计解决的是串口通讯问题，所以通信的基本原理是利用msp430的串口通讯模块（usart）来实现单片机和pc机之间的串口通信12。1、usart的硬件构成：msp430f149的串行通讯模块的作用主要是实现对外通信，它可以实现异步通信和同步通信两中通讯功能。图3.1是usart的通讯模块。图3.1 usart的控制寄存器和工作模式fig.3.1 usart control register and work mode串口通讯的控制寄存器是其八个寄存器之中的一个，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个有效控制位，通过对这些控制位的设置可以对工作模式，通信协议，校验位等进行选择13。用户对usart的所有操作都是通过操作该寄存器的控制位来完成的。下面图3.3是各个位的简单功能描述,知道这些控制位的功能,有助于我们在后面进行硬件连接和软件设计。单片机的主电路图如下图3.2所示,单片机的引脚图如下图3.3所示：图3.2 单片机电路图fig.3.2 microcontroller circuit diagrampenv：校验使能位。该位为0不允许校验；为1时，允许校验，且在发送时产生校验位，在接收时希望接收到校验位。在地址位多机模式中地址位包括在校验计算中。pev：奇偶校验位。为0时，奇校验，为1时进行偶校验。sp：停止位。接收时停止位只有一个。发送时，该位为0，只有一个停止位；该位为1时，有两个停止位14。char：字符长度位。该位为0表示发送的数据为7位，该位为1时表示发送的数据为8位。图3.3 单片机引脚图fig.3.3 pin diagram二、通讯方式1、异步模式（uart）的选择msp430f149单片机支持两种不同的串行协议，异步通信（uart）协议和同步通信（spi）协议。这两种协议的选择是通过控制寄存器中的sync位来决定的。本设计中主要是利用msp430的异步通信（uart）模式原理实现单片机与pc机之间的串口通信的。msp430控制寄存器内的信息决定了usart的基本操作，选择异步模式（uart）需要通过设置sync=0来实现；本设计中对于其他控制位的设置还有：设置char=1，选择字符长度为8位；设置sp=0，选择停止位1位；设置pev=0，选择奇校验；设置mm=1，选择地址位多机模式协议。控制位的选择基本上决定了系统的通信方式和通信格式。2、uart模块的特点由于msp430单片机具有两个片内的uart：串口0和串口1，实现两个串口通信相当容易，只需要设置适当的寄存器就可以使串口工作起来，两个串口都采用中断方式，当接收有数据时，设置一个标志通知主程序有数据到来，当主程序有数局要发送时，设置一个中断标志进入中断发送数据15。本设计选用串口1与上位机进行通信。单片机的主流程序如下图3.4所示：图3.4 单片机主流程序图fig.3.4 the main mcu program diagram下面是uart通信的一些特点：（1）异步通讯模式，包括线路空闲/地址位通信协议。（2）有两个单独的移位寄存器，输入/输出移位寄存器。（3）传输7位或8位数据，可采用奇偶或无校验。（4）可编程实现波特率调整。（5）分别发，收单独中断。（6）有效地检测到起始位实现从低功耗唤醒。（7）状态标志检测错误或者地址位。三、基本通信协议：在pc机和多台单片机的通讯中，确定一个明确而合理的通讯协议是关键，包括对数据格式、通讯方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定。数据格式采用数据包的形式，一次传输一组数据。数据包格式如表3.2所示：表 3.2 数据包格式fig.3.2 packet format起使标志位下位机地址操作命令数据长度数据内容和校验结束标志起始标志位:1 个字节分机地址: 1 个字节命令/ 数据: 1 个字节数据长度: 1 个字节数据内容: n 个字节 和检验: 2 个字节结束标志位: 1 个字节 3.2 电机驱动方式电机主要分交流电机和直流电机两大类，驱动方式有直流直接驱动，交流直接驱动，直流变频驱动和交流变频驱动。直流直接驱动即为在电机上加额定的直流电压，使电机能够正常工作。交流直接驱动即为在电机上加交流电压220v，电机能够正常工作，切工作频率是50hz。直流变频驱动即为在电机上加直流电压，改变电机的供电频率，是电机能够正常工作。交流变频驱动即为在电机上加交流电压，再转换为直流电压之后，再转换成电机的额定交流电压，使电机进行正常工作。电机的驱动方式机器运行特点如表3.3所示：表3.3 电机驱动方式及其特点table3.3 the way and characteristics of motor drive低电压高电压定义电机绕组工作过程中只用一个方向电压对绕组进行供电在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，在前沿过后用低电压维持绕组的电流特点电路简单，元件少、控制也简单，实现起来比较简单。但是在使用时必须提供足够大的电流的三极管来进行开关处理，电机运转速度比较低，电机震动比较大，发热大。且危险系数较高。高低压控制在一点程度上改善了震动和噪音，第一次提出细分控制步进电机的概念，同时也提出了停止时电流减半的工作模式。电路相对恒电压驱动复杂，对三极管高频特性要求提高，电机低速仍然震动比较大，发热仍然比较大。在本次设计中，采用的是直流变速电机，该电机采用扭力强劲抗干扰强磁电机，超省电，空转电流0.1-0.2a,电机运行稳定，无抖动。本设计中对速度无要求，要稳定巡线，调速运行，用1：120的电机，6v电压，速度约90转/分钟，可以载重1公斤左右。第四章硬件平台的搭建4.1 模块接线本设计在最开始的时候是打算直接用单片机驱动小车的变速电机来实现小车的行驶并进行后续的工作。msp430f149单片机的各个引脚功能如下表4.1所列。但是后来在实验中发现msp430单片机的p34端口的输出电压不足以驱动电机转动，影响后续工