小车的自动控制系统-通信工程本科生毕业论文

1、1 本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计） 中文题目中文题目 小车的自动控制系统 英文题目英文题目 Smart car automatic control system 学生姓名学生姓名 班级班级 学号学号 学学 院院 通信工程学院 专专 业业 信息工程 指导教师指导教师 职称职称 2 学士学位论文（设计）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教 师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均 已在文中以

2、明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承 担。 学士学位论文（设计）作者签名： 年 月 日 摘 要 1 摘摘 要要 智能小车，也被称为机器人小车，进一步发展为无人驾驶小车，是一个自动的车辆， 它能够满足人类了传统汽车的运输能力，同时也承载了现代发达技术实现自动控制。作 为智能汽车，它能够感知其环境和导航，无需人工输入。机器人小车主要作为原型存在， 但很可能在不久的将来变得更加广泛。 本系统使用了小车作为模型，选用MSP430F169单片机为主控器，外部链接L298N型 驱动芯片驱动，由高速电机配复试减速箱做动力驱动，灵活控制小车的前进与后退，完 成自动控制的功能，利用直流电机完

3、成小车监控运动系统的前进、后退、加速、减速和 转弯等功能，实现精确定位的目的，再加上使用传感器来实现超声测距这个功能；使用 红外对管来完成小车自动寻迹的探测功能；使用光敏二极管来完成光敏测速的功能。再 加上直流电机、单片机等器件的相互联系，完成了小车的智能探测运动的功能，实现了 躲避障碍、自动循轨、速度距离计算的功能。该系统以可靠的硬件设备和软件设计为基 础，实现了小车在行进和检测过和探测过程中的精确控制。整个系统的电路结构简单， 稳定性准确度强。 关键词 msp430单片机 传感器 直流电机 光敏二极管 ABSTRACT 2 ABSTRACT Smart car, also known as

4、 robotic cars, further development of driverless car is an automatic vehicle, it is able to satisfy human conventional automobile transport capacity, but also carries the modern advanced technology to achieve automatic control. As a smart car, it is able to perceive their environment and navigation,

5、 without human input. Mainly exists as a prototype robot car, but it is likely in the near future to become more widespread. The system uses the car as a model, the choice of MSP430F169 microcontroller-based controller, external links L298N driver chip type driven by a high speed motor with gear box

6、 do retest powered, flexible control the car forward and backward, complete automatic control functions, the use of DC motor complete motion system monitoring the car forward, backward, acceleration, deceleration and cornering capabilities, to achieve the purpose of precise positioning, coupled with

7、 the use of ultrasonic ranging sensors to achieve this function; using infrared tube to complete the car automatically tracing the detection function; using photosensitive speed photodiode to complete the function. Plus the DC motor, microcontroller and other devices interconnected to complete the c

8、ar intelligent motion detection function, to achieve obstacle avoidance, automatic tracking, speed, distance calculation function. The system is based on reliable hardware and software design based on realization of the car in the road and detect and precise control of the detection process. Simple

9、circuit structure of the system, stability, strength accuracy. Keywords Msp430 microcontroller Sensor DC motor Photodiode 目 录 1 目目 录录 第一章第一章 背景和意义背景和意义.1 1 1.11.1 智能小车的背景智能小车的背景.1 1.21.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义.2 1.31.3 本设计的内容本设计的内容.3 第二章第二章 方案设计与论证方案设计与论证.4 4 2.12.1 主控系统主控系统.4 2.22.2 循迹模块循迹模块.7 2.32.3

10、 避障模块避障模块.8 2.42.4 超声波测距的选择与论证超声波测距的选择与论证.9 第三章第三章 硬件设计硬件设计.1010 3.13.1 自动寻迹自动寻迹.10 3.23.2 超声测距超声测距.11 3.33.3 光敏测速光敏测速.12 3.43.4 MSP430MSP430 单片机硬件结构及原理单片机硬件结构及原理 .12 3.53.5 最小应用系统设计最小应用系统设计.13 3.63.6 前向通道设计前向通道设计.16 3.73.7 后向通道设计后向通道设计.17 3.83.8 驱动电路驱动电路.19 3.93.9 信号检测模块信号检测模块.20 第四章第四章 软件设计软件设计.23

11、23 4.14.1 系统软件设计说明系统软件设计说明.23 4.24.2 软件总体设计软件总体设计.24 结结 论论.3131 致致 谢谢.3232 参参 考考 文文 献献.3333 第一章 背景和意义 1 第一章第一章 背景和意义背景和意义 1.1 智能小车的背景智能小车的背景 随着各个行业的生产技术不断提高，如今人们已经把智能汽车技术广泛应用，车辆 的自动化已经在汽车生产公司，物流运输公司等有所运用。智能车辆技术的研究和开发 已经成为各大国家大学研究所等机构的研究重点。 智能小车，也被称为机器人汽车，进一步发展为无人驾驶或自驾车，是一个自动的车辆， 它能够满足人类了传统汽车的运输能力，同时

12、也承载了现代发达技术实现自动控制。作 为智能汽车，它能够感知其环境和导航，无需人工输入。机器人汽车主要作为原型存在， 但很可能在不久的将来变得更加广泛。 智能车辆感知其周围的雷达，激光雷达，GPS，计算机视觉等技术。先进的控制系 统分析感官信息来识别相应的导航路径，以及障碍和相关标牌。一些智能车基于感官输 入，更新他们的地图，让他们找到自己的方式，行驶于未知的环境。 自 2000 年代后期，智能车辆技术已经有了显着的进步。众多大公司和研究机构的工作原 型已经开发自主车型，包括谷歌、大陆汽车系统公司、博世、日产、丰田、奥迪和牛津 大学。2011 年 6 月，内华达州通过一项法律，关于智能汽车的操

13、作是第一个在美国管辖。 内华达州法律 2012 年 3 月 1 日开始生效，并且于 2012 年 5 月，内华达州机动车辆管理 部门发出的第一个智能车许可证。 智能车辆的优点： 较少交通碰撞，由于一个自动控制系统的更高的可靠性，并减少了反应时间，相对 于人力驱动更加准确速度。 提高道路通行能力，减少交通拥堵，能够根据需要减少安全缺口和能力，以更好地管理 交通流量。 导航系统，在例如救灾车辆赶往现场的时刻能够提供最近最方便的行驶路线。 辅助驾驶系统，指的是利用智能感知系统所获得的信息进行处理从而进行决策规划，帮 助驾驶员提出驾驶倡议，甚至可以智能的部分帮助驾驶员进行车辆控制操作。主要包含： 巡航

14、控制系统、车辆追踪系统准确停车系统以及精确机动系统。 多种渠道应用，在公园等旅游景点已经使用了载客方便流通量的智能电瓶车。 也许能够减少物理路标，智能汽车可以得到必要的通信电子体征，实现自动识别。 提高燃油效率。 第一章 背景和意义 2 1.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 现在，全世界上的很多知名院校及研究所都在努力的研制设施开发针对各个方向的 自动控制系统。世界各国在智能小型车领域进行了很多探索，己经应用于各个领域，在 探测和军事领域运用开发特别多。这几年来，我国也开展了很多开发工作，来满足不同 用途的需要。 在20世纪80年代，一个愿景引导下奔驰设计了机器人面包车，设计恩斯特

15、和他的团 队在德国慕尼黑慕尼黑联邦国防军大学，实现转换39英里公里街道上没有交通。随后， 欧洲委员会开始资助800万欧洲委员会ECEUREKA普罗米修斯项目1987年至1995年的自 主车。 在1994年，双胞胎机器人车辆鞋面和Vita-2 戴姆勒奔驰和恩斯特的开车超过 620 公 里在巴黎三车道的高速公路转换在标准的交通繁忙时，速度可达转换81英里每小时公里， 尽管半自主地有人类的干预。他们展示了自主驾驶的免费车道，车队行驶，变更车道， 通过其他半自动汽车。 到了2013年，2014年奔驰S级将可以选择自动转向，制动，加速，停车，车道引导， 避免事故的发生，和疲劳驾驶检测，在城市交通和公路速

16、度可达转换124 MI公里每小时 在2013年，2014年宝马i3将自主转向，加速和制动，在堵车高达转换25英里公里每 小时。到2014年，沃尔沃预计车辆可以自主高达转换31英里公里每小时，预计使用在交 通繁忙。 奥迪计划到2015年，车辆可以自主转向，加速和制动以较低的速度，如在堵车。到 2015年，凯迪拉克计划车辆“超级巡航”：自主转向，制动和行车指南。 到2015年，预计日产汽车自主转向，制动，行车指南，油门，换档，并在法律允许 的，自助停车空置乘客后退出。到2018年，谷歌预计将发布其自主的汽车技术。 到2020年，沃尔沃预计无事故车，和“公路列车”，个别车由司机在铅车辆引导。到 20

17、20年，通用汽车，日产，奥迪和宝马都希望无人驾驶汽车。 本智能小车是作为机器人的发展应用。小车能够进行沿黑线行驶，还可以进行自觉地躲 开障碍物，发觉周围的引导线路和不明物体。 运用单片机的能力来设计完成这个小车智能制控系统，运用智能算法实现小车的智 能循轨并设计小车的监控、驱动和小车的外部电路。使用直流电机，慢慢的学习和了解 相关知识，连接实际电路的设计和在过程中遇到的问题加以解决，在设计之后实现自己 第一章 背景和意义 3 的设计。在实现过程中加强了对自动控制系统的深入理解。 1.3 本设计的内容本设计的内容 1，路面检测规划、精确定位的分析与实现； 2，直流电机驱动模块的电路，以及相应的驱

18、动程序； 3，自动寻轨功能系统的选择与实现； 4，复位电路模块； 5，循线轨迹，速度距离检测功能电路及程序； 6，实现小车的智能化探测，完成距离与速度检测、避障的功能 第二章 方案设计与论证 4 第二章第二章 方案设计与论证方案设计与论证 根据设想，确定如下方案，在智能小车的现有知识上，增加检测黑线器，能够在小 车运行的时候监控小车的速度，行进情况道路情况等信息。再使用单片机接收处理再输 出信号和数据，小车被单片机的这些数据信号控制行进方向速度调控，实现智能控制。 在沿着黑线进行自动循轨，躲避障碍等智能化功能，人们在控制过程中使用容易，简单 易懂，而且还很精确，对不同环境和系统的适应力非常高。

19、 2.1 主控系统主控系统 方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对外围避障信号，本方案电路复 杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理也比较困难。 方案二：选用MSP430F169单片机为主控器，外部链接L298N型驱动芯片驱动，由高 速电机配复试减速箱做动力驱动，灵活控制小车的前进与后退，在复试减速箱的齿轮上 配上双光栅测速可以及时把采集到的小车运行数据送给单片机分析，随时控制他的运行 状态。由红外对管来检测信号，让MSP430F169单片机控制小车左右轮的旋转方向来实现 车的拐弯，及自动寻迹。总的来说，所有模块都是以MSP430F169单片机为平台，建立间

20、接通信，实现小车的智能性功能。 比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要 求，因此采用方案二来实现系统。系统框图如图2-1 第二章 方案设计与论证 5 图2-1 系统框图 根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了下 面两种方案并综合的进行了比较论证，具体如下， 关于使用超低功耗微处理器MSP430F169的方案 方案一： 选取STC51单片机来成为主要的控制器。STC51单片机的特点是操作简单，它可以在 空闲和掉电两种不同的模式下工作，当处于掉电模式的状态外部晶振停止振动，同时 CPU、定时器串行口全部停止工作。基于考虑到51单片

21、机只有32个IO口，而且只有3组定 时器，2个外部中断IO口，比较缺少，所以我们放弃此方案。 方案二： 这一次，我们选择了AVR单片机作为主控制器。 AVR单片机是一个高速嵌入式微控 制器，其中有1MIPS/ MHz的高速运算处理能力，因为有一个锁锁位加密技术，所以我们 不能被破解，但在安全位单片机，片单元深没有看到，用电子显微镜。当看门狗定时器 的安全保护，也出现同期相比更成熟的51系列，AVR系列单片机的接口功能更强大，片 内资源较为丰富。 方案三： 选取MSP430F169单片机作为主控制器。MSP430F169属于多功能超低功耗混合信号 处理器，功耗非常低，且具有丰富的外围模块：48k

22、flash，2048BRAM；8 通道12bit A/D；双12bitD/A；DMA；48个I/O口；16自动避障功能，自动寻轨的功能（按路面的黑 色轨道行驶），计算并显示所走的路程和行走的时间同时显示速度和超声波测距位 WDT；1个16位Timer_A(3个捕获比较寄存器）；1个16位Timer_B（7个捕获/比较寄存器） ；2个USART接口；I2C；MPY；比较器_A；温度传感器。此外，他还低电压供电： 1.83.3V；16精简指令结构；125ns指令周期；在线编程等。 选型理由： 1，由于系统需要进行A/D 转换和数据运算处理，如果采用传统的微处理器8051单片 机，则需要在外部扩展A

23、/D 转换模块，所以导致电路复杂化，而且很难达到较高的精准 度。所以在此使用MSP430F169多功能超低功耗混合信号处理器就能解决以上的问题， MSP430F169内置8通道12bit高精度A/D，电路简单易懂，且精准度很高； 2，MSP430F169内置256B Flash Memory能够方便的保存重要数据，特色是突然停电 不丢失； 第二章 方案设计与论证 6 3，在此系统中，所需要的数据接口比较多，而MSP430F169刚好拥有较丰富的I/O口 资源，无需在外部进行扩展。综上所述我选取了多功能超低功耗混合信号处理器 MSP430F169。 2.2 电机驱动模块 方案一： 选用 L293

24、D 驱动。L293D 器件是单片集成的高电压，大电流的四通道驱 动器设计接受标准 DTL 或 TTL 逻辑电平驱动感性负载（如继电器 solenoides，直流和步 进电机）和开关电源晶体管。使用，或更多，以满足整体设计，大小，薪酬也更适合本 系统的不足，该电路的缺点是功率较低； 方案二：选用 L298N 驱动芯片。L298N 芯片内部包含 4 通道逻辑驱动电路可以驱动 两个二相电机，也能够驱动一个四相电机，输出电压高达 50V，可以直接通过电源来调 节输出电压，能够直接使用，提供信号单片机 IO 口，随着其输出电流增大，功率也会增 大，电路简单，使用更方便； 方案三：脉冲信号经 74LS14

25、 反相后进入 9014，经 9014 放大后控制光电开关，光电 隔离，功率晶体管 TIP122 将脉冲信号驱动步进电机的电压和电流放大，方法很简单，但 电路较为麻烦，电路板的生产和小车装配工序衔接总是会遇到一些实际的问题。 选型理由： 综合以上分析，出于功率和稳定性的考虑，我们选用 L298N 芯片，其特点是输入端 可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制，只需改变输入端的逻辑电平，就 可以实现电机正转与反转，有很好的稳定性。 一个智能电动小车整体的运行性能，首先取决于它的电池系统和电机驱动系统，本 系统选用的是L298N驱动芯片，L298N可接收标准TTL逻辑电平信号Vss，Vss可接

26、4.57V 电压4脚Vs接电源电压，Vs电压范围VIH为+2.5 46V。输入电源可达2.5A，可驱动电感 性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信 号。5,7,10,12脚输入控制电平，控制电机的正反转。ENA,E NB接控制使能端，控制电机 的停转。L298N工作电路图如图2-2 第二章 方案设计与论证 7 图 2-2 L298N 工作电路图 图 2-3 L298N 2.2 循迹模块循迹模块 方案一：使用光电传感器，设计电路，合理摆放位置，运用传感器的功能测量计算。 但是做出来效果其实并没有达到理想效果，这是因为传感器对于小车的行进环境需求是 第二章

27、 方案设计与论证 8 很大的，在不平稳的路面或者有光线干扰等干扰的存在下，小车无法平稳的行驶，就很 容易造成误差，同时传感器也较为昂贵抗损坏性也不高，有可能颠簸两下就坏了。所以 不采用。 方案二：用 2 个红外对管寻迹，放在小车的左侧和右侧，优点对管少，电路简单， 但是只有两个红外对管的情况对于稍微的偏移或者些微现象容易出现寻迹不准的现象。 方案三：用 4 个红外对管寻迹，优点 4 个对管形成两组寻迹系统，相对于方案二， 更加精确，4 个红外管保证了多个方向的能正确的检测到，直线路段准确度很高，解决 了当一组对管出现失误后无法正常寻迹的问题。使过程更加精确。 选型理由：这个选取的关键是在于红外

28、对管的采取数量问题，所以在方案中只凭自 己的想象来完成并没有什么可靠的依据，于是我就先在一个方块盒子上面放置了红外对 管进行小型的试验。在进行不同环境，不同角度，不同速度的测试过程中，我发现了其 实红外对管的检测范围是有限的，经常会遇到一些盲区，导致没有检测到障碍物，而且 就想方案三所说的，当设备发生故障的时候，较少的红外对管就导致实验功能无法实现 了，所以我觉得 4 个红外对管还是较为合理的。通过以上三个方案的优缺点比较，结合 小车的性能要求，我们最终选择方案三。 2.3 避障模块避障模块 避障模块的原理跟循轨的原理是一样的，都是利用红外对管来完成检测的功能，但 是红外对管放在哪里是个问题。

29、如果把红外对管放在小车的中间部分，这样做的好处是 保证了红外对管的稳定性，不容易受到外界条件的干扰。但是这样做的缺点是，红外对 管的视野比较小，在探测地区会有很多盲点，这样就无法使实验变得精确，然而避障模 块的目的就是在遇到障碍物的时候能够及时做出判断和调节，所以我不采用这种做法。 接下来我把红外对管放在小车的前段一个后端一个，一共使用了两个红外对管，这样我 感觉精确值可以达到了最大化，但是这样做的缺点是，使用两组红外对管的性价比其实 并不高，很多时候前端的红外对管和后端的红外对管都会同时检测到障碍物的存在，所 以我就突发奇想，只使用一个红外对管，放在了小车的右侧，这样做了实验。结果我发 现，

30、用一个放在小车右侧的红外对管可以良好的检测到前后方向和右侧的障碍物信息， 性价比要比两个红外对管要高一些，同时也能满足自动避障这样一个功能，但是有个缺 点是小车左侧的障碍物可能检测不到。然而，在小车正常行进的时候，最大的障碍物是 处于小车前后方向的，而左右两侧的障碍物其实并无大碍，所以左后我选择了这种放在 第二章 方案设计与论证 9 小车右侧的方法来实现避障功能。 由于在红外对管检测到了障碍物的同时要发出信号，进而单片机也要作出判断，再 来进行调节，这是需要有一个反应时间的，在这段反应时间内，小车需要完成转向来调 节自己不被障碍物撞上，所以，我们需要给小车减速来延长这段调整的时间。所以我就 防

31、止了一个三级减速齿轮在直流电机和车轮之间，在减速的时刻，有可能倒是小车不不 平稳，所以为了保证小车自身的稳定性，我选择吧小车的底盘减低，加强稳定性，同时 把电动机和电池部分放在小车的的后方，这是靠近驱动的地方，同时就保证了更加稳定 的效果.。 2.4 超声波测距的选择与论证超声波测距的选择与论证 方案一：选用红外测距，跟小车的循迹避障的原理一样，红外测距的优点是采用红 外对管器件简单、操作容易，缺点是红外对管的发光较为分散，导致精确度不准，稍微 远一点精确度也会大打折扣。 方案二：激光测距。通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离，激光测距 的精确度是毋庸置疑的，但是在实验中激光对人的伤害

32、还是不容小视的，如果不小心眼 睛知识了激光就会照成很严重的危险，而且激光设施相对于其他设施也比较昂贵。 方案三：使用超声波测距，超声波在空气中的传播速度为 340m/s，超声测距使用的 是超声波，抗环境干扰能力非常强，而且速度也不是很慢、方便、计算简单、易于做到 实时控制，可以在较差的环境中使用。 选型理由：综上所述，比较了以上观点，考虑到了也许智能小车所处的实验环境可 能能会很恶劣，故我们选择方案三。利用超声波指向性强，能量消耗缓慢，以使小车及 时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）实现测距避障功能。而且在后期的实验中， 我发现了红外对管的抗干扰性真的不好，在做避障模块的时候同时使用了 4

33、个红外对管 才达到对近距离的避障检测，而且在一些特殊角度的障碍物的出现，红外对管并不能范 围性的发出光源并且接收。相对于恶劣的环境来说，超声波就会好一些，根据这些我就 选择了方案三来实现超声波测距的方案。 第三章 硬件设计 10 第三章第三章 硬件设计硬件设计 3.1 自动寻迹自动寻迹 采用光电传感器进行寻迹，利用红外线在不同物体表面有不同的反射性质的特点， 在智能小车行驶过程中红外发射管不间断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质 地面时发生漫反射，反射光被装在小车上的红外接收管接收，就会输出低电平。如果光 发射到了黑线上面，红外光被吸收，不会产生反射，接收管接受不到红外光，电平拉高， 通

34、过处理器比较，当传感器检测到黑线，比较器输出高电平。检测到白色输出低电平， 再通过单片机来判断小车是否偏离引导线，如果偏离就马上复位，光电传感采用 ST168。我使用了 4 个红外对管进行试验，正常实验的时候 3 个红外对管进行运作，当有 仪器故障的时候剩下的一个红外对管就会接替他们来保证继续工作。 循迹功能模块 完成小车自动循轨的功能。自动循轨功能指的是小车行驶路线是沿着在白纸上的黑 线行进的。这个设计的原理是：在光线照射下白纸与白纸上的黑线对光的反射系数不一 样，白纸反射光能力强，黑线反射能力较弱，这样就可以通过光感器件通过判断光的强 弱再确定黑线的位置。 在这次设计中我采用了红外探测法来

35、完成这项功能。因为这种方法模块简单，容易 实现，方便而且廉价。红外探测法指的是，在小车上放置红外光的发射和接收设置。由 于红外线在白纸和黑线上面反射情况是不一样的，红外线在白纸上漫反射，反射的光会 被接收装置接收;而红外光会被黑线吸收，不会被接收设备接收到。使用lm393比较器来 分辨高低电平，当传感器检测到黑线，比较器输出高电平；检测到白色输出低电平，再 通过单片机来判断小车是否偏离引导线，如果偏离就马上复位，也有将模拟量转化为开 关量的功能，容易信号处理，完成对信号的检测，这样单片机就可以通过接收的信号得 知小车是否沿着黑线行驶进而做出调节。完成自动循轨的功能。红外探测器的分辨距离 比较短

36、，这是一个缺点，但也可以最大不能超过3cm这个数据来调控小车的行进速度，并 无坏处。小车的避障原理也相似。电路图如图3-1 第三章 硬件设计 11 图 3-1 自动寻迹原理图 具体设计：我拿取两个检测器平行放置，为了能使小车行进转动的功能，左右转动 都能够调节，这样能更准确的控制小车沿黑线行驶。小车行进的时候，通过单片机的程 序来控制方向，如果小车偏离了黑线，那么另一个方向的探测头会因为红外线被黑线吸 收而发出信号。单片机接收到信号，来进行调节，使其相反方向运动，至不被黑线吸收， 这样就保持了小车沿着轨迹运动。 为了能让小车在恶劣的环境下能够实现自动循轨，我在实验中选则了能调节灵敏度 的可调电

37、阻。这样可以根据不同环境所造成的影响，手动的调节电阻的大小，能有效的 减少恶劣环境所造成的影响。为了接受红外线的精确度得到提高，我把接受对管放在了 小车底部，再在接收对管上面套一个塑料管，这样就能挡住外界的光线，配合可调节的 电阻，就把控制的精准度大大提高。 3.2 超声测距超声测距 超声波测距包括两个部分，即发射与接收部分。本系统中所要设计的接收电路实际 上是检波电路，它需要一个集成电路 CX20106A 和超声波接受传感器来实现接收检波， 集成电路 CX20106A 本是专门用来接收红外线的专门芯片，由于红外线和超声波的频率 极为接近，红外线的频率大约为 38.5kHz，而我们所使用的超声

38、波为 40kHz，所以使用此 集成电路完全可以实现接收检波的功能。 通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距 离了。超声测距离的原理跟高中所学习的物理知识一样，利用声音的反弹，通过发送端 第三章 硬件设计 12 和接收端的时间差，和声速来计算这段时间内几次声音走过的距离，借此来判断小车走 过的距离。利用第一次超声波的来回时间能够计算出第一次小车所在的位置，在利用第 二次超声波的来回又得到了一个新的小车的位置，把这两个得到的位置数据做差比较一 下，就会得到小车在这两次器件走动了的距离。 3.3 光敏测速光敏测速 光敏电阻就是当光照射在光敏电阻上的时候，电阻的阻值发

39、生改变，时刻得到光源 照射在电阻上，进行光电计数，就能计算出时间。在复试减速箱中的一齿轮上打一过孔， 过孔左右分别安置一发光二极管和光电管，保持两个器件互相正对。齿轮在转的过程中， 每当赚到了有孔的地方，就会有光从孔中照射出来，他们的正中心刚好在一条线上，所 以发光二极管发出的光刚好照着到光电管上，导致了光敏电阻的电阻减小，就会发出信 号给单片机，再通过小车轮子和该齿轮的周长比，以及光电管相邻两次电阻改变的时间， 就能计算出小车的速度。这次我直接拿取了一个光敏测速的模块硬件，使得实验更为简 便。 3.4 MSP430单片机硬件结构及原理单片机硬件结构及原理 可用于低功率的嵌入式设备的MSP43

40、0。在待机模式下吸取的电流可小于1A。顶级 CPU速度是25兆赫。它可以被节流更低的功耗。 MSP430还可使用六种不同的低功耗模 式，它可以禁用不需要的时钟和CPU。此外，MSP430的唤醒时间小于1微秒，能够使微 控制器能够留在睡眠模式下较长，其平均电流消耗最小化。该器件采用平常的外设：内 部振荡器，定时器，包括PWM，看门狗，USART，SPI，IC，10/12/14/16-bit型ADC， 和掉电复位电路的各种配置。一些不太常用的外设选项，包括比较器（可以用定时器做 简单的ADC），片上运算放大器进行信号调理，12位DAC，LCD驱动器，硬件乘法器， USB，和DMA ADC结果。除了

41、一些较旧的EPROM（MSP430E3xx）和高容量掩膜ROM 版本（MSP430Cxxx），所有的设备都在系统可编程通过JTAG（全四线或Spy-Bi系线） 或建在引导加载程序（BSL）使用RS-232。 有但是排除它的使用的限制，在更复杂的嵌入式系统。 MSP430不具有外部存储总 线，所以它是有限的片上存储器（高达256 KB闪存和16 KB RAM），这可能是太小了， 需要大的缓冲区或数据表的应用。此外，虽然它有一个DMA控制器，它是很困难的，用 它来关闭芯片的由于缺乏一个DMA输出选通到移动数据。 MSP430 x1xx系列：该的MSP430 x1xx系列是没有一个嵌入式LCD控制器

42、的基本代。 第三章 硬件设计 13 他们一般都比较小比3 XX代。这些闪光灯或基于ROM的超低功耗MCU提供8 MIPS1.8- 3.6 V操作，高达60 KB闪存，以及广泛的模拟和数字外设。 电源规格概述：0.1ARAM保留的，0.7A实时时钟模式，200A/ MIPS活跃。特点，从 待机模式快速唤醒小于6微秒。 设备参数： 闪光灯选项：1-60 KB ROM选项：1-16 KB 内存选项：128 B-10 KB GPIO选项：14，22，48脚 ADC选项：斜坡，10位和12位SAR 其他集成外设：12位DAC，2个16位定时器，看门狗定时器，掉电复位， SVS，USART模块（UART，

43、SPI），DMA，1616位乘法器，比较器，温度传感器。 3.5 最小应用系统设计最小应用系统设计 单片机运用了最小应用系统，MCU,电源、复位、时钟、JTAG构成了这个系统。在 下图具体的描述出了这个系统的构造时钟电路调试电路等。 图3-2 最小应用设计 时钟模块：MCU提供了JTAG接口用于调整方案的微控制器的模拟时钟源，通过 MAX232电平转换模块运用了串口0（USART0），接着把它连在电脑上进行嵌入式软件 测试，电源模块为每个MCU和外围电源模块供电。 电源模块： 由于这个系统不同模块使用的电压需求是不一样的，正常的元器件部分使用5v电压， 第三章 硬件设计 14 而msp单片机和

44、外部的一些电路需要用到的是313v的电压，想到此我就选择了一个电压转 换器，只要能把5v电压转换为313v的电压就可以了，因为5v电压最为输入电压用干电池 进行，简单容易操作，还很廉价。于是我拿取了LM1117-313这个电压转换器把5v的电压 转换成了313v的电压。又接着拿取了一个二极管DN4148，它的任务是完成接通电源之后 的电源定向，定向之后就可以输出313v的电源了。同时考虑到稳压的问题，按照通常的 做法，我拿了3个电容，起到了绿薄荷稳压的作用。如下图所示，图中的LED灯的作用是 检测是否通电。 复位电路模块： 复位电路是必不可少的，在这里我用的是一种通用的复位电路，数字电路，监视

45、两 个时钟脉冲和直流电压，并且能够提供了一个复位命令，就会检测到一个低的直流电压 或缺少时钟脉冲。该装置使用两个比较器和一个RC电路，这样就形成了一个脉冲的定时 电路，该电路监视时钟脉冲。低DC电压由电桥电路和基准电压进行监测，第三个比较器 接收信号的脉冲定时电路的电桥电路和亲 - 产生一个复位命令。复位命令可以重新初始 化一个微处理器芯片或一台主计算机系统的输入控制器。 图3-3 时钟电路 这个复位电路的工作原理是：系统通电之后，电流通过r4流过c7，c7充电。当7的电 压还没达到门限电压的时候，rst不能输出高电平，输出低电平。反之rst就输出高电平。 下面复位情况，按下s1，刚才充电的c

46、7的电压就变为0，本来是高电位的rst端也会慢慢 变成低电平，就跟最开始一样了，达到了复位的效果。 晶振电路设计： MSP430单片机的时钟模块里面就有晶体振荡器、DCO和其他三个时钟源。这是通过在快 速处理和低功耗要求的设计多个时钟源或设计各种不同的操作模式，用来解决某些实时 第三章 硬件设计 15 应用程序的时钟周部的冲突，也解决系统的数据要求如低频通信，液晶显示器，定时器， 计数器等晶体振荡器电路已集成数字控制振荡器DCO 。MSP430晶振电路如下图两个部 分组成。 低频晶体振荡器： 低功耗，是为了满足所需321k768Hz晶体。 LFXT1默认工作在低频振荡模式频率 321768kH

47、z即，它可以连接到一个高速的外部的450kHz8MHz的震荡器，在高频模式下 运转，我们使用这个电路中，在低频模式下，在段的输入和输出的两个22PF电容的外部 振荡器连接到MCU以上。 高速晶体振荡器： MSP430F169在高频模式提供了时钟，XT2可高达8MHz。系统中使用4MHz振荡器XT2连 着两个22PF电容，电容连接到MCU通过在XT2输入输出。如图3-4所示 图3-4 晶体振荡器 JTAG接口设计 介绍下硬件连接的MSP430器件的JTAG接口相关引脚的功能，在编程时使用。此外， 描述信息的软件的宏例程用于编程MSP430目标和JTAG用来沟通与说明通过JTAG接口控 制目标详细

48、的MSP430系列支持在线编程的闪存通过JTAG端口，适用于所有MSP430器件。 所有设备都支持JTAG4线接口。此外，一些设备还支持下一代优化的2线JTAG接口。使 用这些信号，接口连接访问MSP430 JTAG端口使用的PC或其他控制器可以成立的。选择 一个JTAG寄存器和控制CPU是通过使用在JTAG指令移位在上一节所述的IR_SHIFT的宏。 下面的说明，可以被写入到JTAG IR使用，指标闪存编程。所有的指令首先发送到目标 MSP430通过JTAG寄存器传输LSB。 JTAG管脚的意义：测试数据输出是TDO，数据在JTAG接口输出经由了TDO引脚， 测试数据的输入是tdi； 经由T

49、DI引脚输入数据输入到了JTAG接口， 测试时钟的输入是 TCK；测试模式选择称作TMS，我们用TMS来设置JTAG接口处于各种指定的的测试方式; 第三章 硬件设计 16 TEST是测试复位，在低电平输入管脚有用。 MSP430F169是60KB的FLASH存储器，它是可以电可擦除型的MCU，它包含JTAG调试 接口，运用先通过JTAG调试出来的程序连接到flash，用电脑下载，然后通过JTAG接口 控制程序实现，获得芯片内部CPU状态和内存内容等信息，交给设计师调整，所有开发、 编译，整合，可以集成在相同的软件环境，没有特殊的仿真器和编程。 JTAG调试接口设计 只需要把单片机的根据标准引线

50、片上调试接口，JTAG调试器调试时购买连接线，就 能够测试程序。 展现的JTAG有14条线连接的接口,我们选取了当中的5个接口，剩下的引脚没用，跳 线P2拿做选择JTAG内部使用JTAG调试器，然后再选择使用外接电源还是内部电源。如 果外围电路的功率略有高，就用外接电源；如果外围电路功率比较低,就用JTAG内部电源。 3.6 前向通道设计前向通道设计 如果在测控系统之中使用了单片机的话，一定需要一个前向通道跟被测的对象紧密 连接。所以，被测对象的形态、特点、所在的环境决定了前向通道的设计方法。所以设 计前向通道的时候要关注传感器或敏感元件的一些特征。也要同时兼顾通道的结构、电 源选取、信号采集

51、、抗干扰能力等。在这实验的设计制造之中，用到大学所学习的模拟 电路的一些知识点。 前向通道的意义是：如果在测控系统之中运用了单片机，一定会有被测信号的输入 通道在系统之中，电脑也会收到信息。测试核心的任务是要求被测物体需要取得原始物 的参量信号在控制系统中，控制对象的状态的一个重要组成部分是测试的检测和监测控 制条件。 传感器或传感元件的主要作用是测量被测物体的状态，有密切的关系，得到被测物 体，因为数据往往是某些物理量，如温度，距离，非电动的物理量。但是，该计算机系 统是一个数字电路。因此，前向信道，听起来感光器件，传感器和模拟电路占据不可撼 动的地位。 最准确地反映被测物体的测量对象的真实

52、情况的重点是信号的采集，其中包含兼容的检 测精度的特点。当然也应该满足信号和节奏这两之间电压保持相符。 第三章 硬件设计 17 我们对信号输入、输出、传递、变换在单片机应用系统中应该想的开阔一些。具有 TTL 电平的状态开关就是一个是最为简单的开关量输入通道，例如温度控制器，开关等。 所以只要是反映了外界数据的信号的输入通道都可称之为前向通道。 但是并非所有单片机应用系统都具有前向通道，比如说定时控制系统，较高级别的 主计算机和现场测量，控制命令，各子站的电脑，数据传输之间的分布式控制系统智能 控制。系统里这些应用程序在没有进行测量时，它就没必要前向通道。 3.7 后向通道设计后向通道设计 为

53、了满足单片机的输出和控制对象能够控制信号的功能而设计，后向通道具有以下 特点： (1)根据电流限制输出功率芯片，不能够输出所需的功率控制目标信号。所以采用小信号 输出、大功率控制的方法； (2)后向通道是一个输出通道。输出的控制信号在伺服驱动系统之中，但是前向通道的检 测信号输入一般是伺服驱动系统中的状态反馈信号； (1)功率驱动。为了完成伺服驱动的功率要求，来放大单片机的输出信号的功率； (2)干扰防治。在实现过程中经常会遇到主控制伺服驱动系统通过对 cpu 系统的信号路径， 功率和空间会进行电磁干扰。所以通常采用把信号和电源隔离开来和对功率开关进行过 零切换一些方法来防御各种干扰。 双极式

54、 PWM 变换器的优点如下： (1)电流处于时刻连续； (2)能够电动机在四象限中运行； (3)在低速情况平稳性良好，调速范围在 20000 上下； (4)在低速的情况，每一个晶体管的驱动脉冲也稍微宽，有帮助保证晶体管顺利的导通； (5)在低速的情况平稳性良好，电机停止时有微振电流，能够减去静摩擦盲点。 1、脉宽调制原理 脉冲宽度调制(PWM)是一个强大的技术来控制模拟电路与微处理器的数字输出。采 用 PWM 在各种各样的应用程序,这些程序从测量、通信到功率控制与变换许多微控制器 包括 PWM 控制器。其中每一个有一个可选择的时间和周期。占空比是准时期间的比例， 调制频率是逆期内。要启动 PWM 操作，数据表建议软件应设置期间在片上定时器/计数 器，它提供了方波调制，设置上的时间在 PWM 控制寄存；设置 PWM 输出的方向，这 第三章 硬件设计 18 是一个一般用途的 I / O 引脚；启动定时器；使用 PWM 控制器。 简而言之，PWM 是来给数字信号或者模拟信号进行编码