《智能电动小车》word版.doc

电气与电子信息工程学院2008年电子设计大赛论文报告作品： 智能小车 智能小车摘要：本课题组设计制作了一款具有智能判断功能的小车，功能强大。小车具有以下几个功能：自动避障功能；寻迹功能（按路面的黑色轨道行驶）；自动计算行走路程以及遥控功能。关键字： 智能控制 避障 寻迹行驶 电机驱动 红外线收发 超声波 电磁波 MSP430单片机总体方案：作品以两个直流减速电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元MSP430单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。电机驱动电路采用高电压，高电流，二道驱动集成芯片L298。其中避障采用超声波收发来完成； 寻迹、测速都采用ST168来实现；遥控是用TX-2B/RX-2B电磁波收发模块完成。LCD显示电 机驱 动无线遥控计程脉冲超声波避障红外寻线MSP430单片机 图1 智能车运行基本原理图框图系统原理及理论分析1) 单片机最小系统组成单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。主要是组成是：单片机MSP430、小车驱动系统芯片L298、LCD显及各路的传感器件。2) 避障原理 采用超声波避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对超声波的接收强弱来判断障碍物的远近。在超声波电路中我们还用到了CX20106，NE555芯片。超声波收发管的工作频率在38KHZ-40KHZ,我们采用了NE555产生一个40KHZ的脉冲源，如图2所示。然后我们再经过CX20106把接收的信号放大。CX20106的总放大增益约为80dB，以确保其脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.55V 范围内。总增益大小由脚外接的R1、C1决定，R1越小或C1越大，增益越高。C1取值过大时将造成频率响应变差，通常取为1uf。C2为检波电容，一般取3.3uf。CX20106 采用峰值检波方，当C2容量较大时将变成平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低，C2较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态响应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错而产生误操作。R2为通滤波器中心频率f0的外部电阻，改变R2阻值，可改变载波信号的接受频率，当f0偏离载波频率时，放大增益会显著下降，C3为积分电容，一般取330pf，取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离变短。脚为输出端，CX20106 处理后的脉冲信号由脚输出给后续电路在加工处理推动负载工作，如图3所示。图2 NE555电路 图3 CX20106电路3) 小车循迹原理 该智能小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”黑线。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法红外探测法。红外探测法；即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号。传感器的选择；市场上用于红外探测法的器件较多，可以利用反射式传感器外接简单电路自制探头，也可以使用结构简单、工作性能可靠的集成式红外探头。ST系列集成红外探头价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了ST168反射传感器作为红外光的发射和接收器件，其内部结构和外接电路均较为简单，如图3所示：图4 ST168检测电路ST168采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。ST168的检测距离很小，一般为815毫米，因为8毫米以下是它的检测盲区，而大于15毫米则很容易受干扰。笔者经过多次测试、比较，发现把传感器安装在距离检测物表面10毫米时，检测效果最好。R1限制发射二极管的电流，发射管的电流和发射功率成正比，但受其极限输入正向电流50mA的影响，用R1=150的电阻作为限流电阻,Vcc=5V作为电源电压，测试发现发射功率完全能满足检测需要；可变电阻R2可限制接收电路的电流，一方面保护接收红外管；另一方面可调节检测电路的灵敏度。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号，所以在输出端增加了比较器，先将ST168输出电压与2.5V进行比较，再送给单片机处理和控制。传感器的安装；正确选择检测方法和传感器件是决定循迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是循迹电路好坏的一个重要因素。从简单、方便、可靠等角度出发，同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，将大大提高其循迹的可靠性，具体位置分布如图4所示。 图5 红外探头的分布图 图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持(如图3中所示的行走轨迹黑线)在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动进行纠正，从而提高了小车循迹的可靠性。4)智能车驱动电路因为小车电机装有减速齿轮组，考虑不需调速功能，采用市面易购的电机驱动芯片L298，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。智能车驱动电路实现如图6所示。 图6 智能车驱动电路 L298为单块集成电路，高电压，高电流，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)，和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小6V，最大可达24V；Vs电压最大值也是24V，经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。表1是其使能输入引脚和输出引脚的逻辑关系。 5)计程原理通过计算车轮的转数间接测量距离，在车轮贴上黑白均匀相间的纸环，用ST168的检测原理，当车轮转动时，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来。6)显示部分 显示我们采用的是应用广泛的LCD1602，它无需外接译码芯片，只需一个驱动显示程序就可使其正常工作，且连线简单。7）电源部分小车上电源主要分为控制电源和驱动电源。控制电源由四节充电池为各传感模块提供4.8V电压，再由AM1117给单片机提供一个3.3V电压。驱动电源由9V电池直接提供给L298对电机进行驱动。小车运行程序#include #include 1602.h#define uchar unsigned char#define unInt unsigned int#define Chao_T_1 P1OUT |=BIT0#define Chao_T_0 P1OUT &=BIT0/*全局变量*/uchar timers=0 ;/50ms计数器uchar second=0 ;/秒计数uchar minute=0 ;/分计数float dTime =0 ;/超声波发送与接收的时间差unInt left =0 ;/左轮计数unInt right =0 ;/右轮计数float Dis =0 ;uchar DATA3 ;/存放两位十进制数的ASCII码uchar Dis_ASII =S,:,0,0,0,0,.,0,c,m, ,0;/距离的ASII码void Init_Sys() unsigned int i; BCSCTL1&=XT2OFF ;/打开XT2振荡器 do IFG1 &= OFIFG ;/清除振荡器失效标志 for (i = 0xFF; i 0; i-) ;/延时，等待XT2起振while (IFG1 & OFIFG) != 0) ;/判断XT2是否起振BCSCTL2 =SELM_2+SELS ;/选择MCLK、SMCLK为XT2/*类型转换(将字符型数据转换成相应的ASCII码*/ void CharToStr(unsigned char t) DATA0=(t/10)%10+0 ; /取十位，并转换成相应的ASCII码 DATA1=t%10+0 ; /取个位，并转换成相应的ASCII码 DATA2=0 ; /字符串结束符 /*主程序*/void main(void) unsigned int i ; WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD ;/关看门狗 IFG1=0x00 ;/清中断标志寄存器 _BIS_SR(OSCOFF) ;/关LFXT1 BCSCTL3=0x84 ;/XT2的范围为316MHz,LFXT1的范围来32768KHz Init_Sys() ;/切换XT2为MCLK时钟 uchar receive ;/遥控接收信号 uchar check ;/红外对管检测信号 uchar mode=0 ;/运行模式,0为遥控模式,1为寻迹模式 P1DIR=0xE3 ;/P1.1超发送,P1.2超接收,P1.3,P1.2左右轮计数 P1SEL=0x04 ;/ P1IFG=0x00 ;/清P1口中断标志 P1IES=0x00 ;/设P1口为上升沿中断 P1IE =0x30 ;/允许P1.4,P1.5中断 P1OUT=0x00 ;/P1口清零 P2DIR=0xE0 ;/P2口低四位为遥控信号输入 P3DIR=0xFF ;/P3口为电机控制输出 P4DIR=0x0F ;/P4口低四位为红外对管信号输入端 P6DIR=0xFF ;/P6口为液晶屏数据口 LCD_Initial() ;/液晶屏初始化 TACTL=TASSEL1+ID1+ID0+TACLR ;/TimerA时钟源为MCLK,8分频 TACCTL0=CCIE ;/允许TimerA的CCR0中断 TACCTL1=CM1+SCS+CAP ;/TimerA的CCR1设为同步下降沿捕获模式 CCR0=50000 ;/TimerA的周期为50ms CCR1=0 ;/CCR1清零 TACTL |=MC0 ;/启动TimerA,增计数模式 _EINT() ;/开启所中断 while(1) receive=P2IN&0x1F ;/读遥控输入信号 check=P4IN&0xF0 ;/读检测信号 if(receive&0x10) while(P2IN&0x10) ;/等待模式转换键释放 mode=mode ;/运行模式转换(P2.5) if(mode) /寻迹模式 LCD_GoToXY(10,1) ;/定位到显示屏的第一行第10列 LCD_Print(XunJi) ;/指示寻迹状态 switch(check) case 0x10: case 0x30: case 0x70: case 0xB0:P3OUT=0x26;break ;/前进,左拐弯 case 0x80: case 0xC0: case 0xD0: case 0xE0:P3OUT=0x62;break ;/前进,右拐弯 default:P3OUT=0x66 ; else LCD_GoToXY(10,1) ;/定位到显示屏的第一行第10列 LCD_Print(YaoKo) ;/指示遥控状态 switch(receive) /识别遥控信号 case 0x01:P3OUT=0x33;break ;/前进 case 0x02:P3OUT=0x66;break ;/后退 case 0x05:P3OUT=0x23;break ;/前进,左拐弯 case 0x09:P3OUT=0x32;break ;/前进,右拐弯 case 0x06:P3OUT=0x26;break ;/后退,左拐弯 case 0x0A:P3OUT=0x62;break ;/后退,右拐弯 default:P3OUT=0x00 ;/无遥控信号,停止 LCD_GoToXY(1,1) ;/时间显示 CharToStr(minute) ; LCD_Print(DATA) ; LCD_Print(:) ; CharToStr(second) ; LCD_Print(DATA) ; LCD_GoToXY(3,2) ;/路程显示 LCD_Print(Dis_ASII) ; for(i=0;i1000;i+) ;/延时 /*TIMERA的CCR0中断服务程序*/#pragma vector=TIMERA0_VECTOR_interrupt void TIMERA_CCR0(void) timers+ ;/50ms计数器加1 if(timers=1)Chao_T_0 ;/半秒钟后关闭超声波发送 if(timers=20) /判断1秒到否 timers=0 ;/1秒到,50ms计数器清零 second+ ;/秒加1 /Chao_T_1 ;/启动超声波发送 if(second=60) /判断1分是否已到 second=0 ;/1分到,秒清零 minute+ ;/分加1 /*TIMERA的CCR1中断服务程序*/#pragma vector=TIMERA1_VECTOR_interrupt void TIMERA_CCR1(void) if