基于MSP430F5529的循迹壁障无线控制智能小车设计报告

华中科技大学2013年TI杯电子设计竞赛总结报告华中科技大学电子与信息工程系2013年TI杯电子设计大赛项目总结报告项目名称：基于MSP430F5529的智能小车设计团队成员：通信工程通信工程通信工程指导教师:2013年7月3日华中科技大学2013年TI杯电子设计竞赛总结报告课题名称：智能小车自动控制系统【摘要】本次课程设计以MSP430超低功耗单片机系列MSP430F5529为主控制器，附加电机、电池、传感控制模块等，完成二驱小车自由运动、检测黑白线实现沿轨道自动运行、能够避开障碍物、无线控制等功能，F5529的I/O口丰富，使得各个功能模块之间信息交流快捷方便。在机械结构上，我们选购用一个万用轮代替两个前轮的小车，大幅度提高了小车的灵敏度。利用单片机产生PWM波，控制小车速度，选用L298N驱动芯片驱动电路，使用三路红外对接管检测黑白线，使用一个超声波实现测距壁障功能，使小车能够自动左转避开障碍物，使用无线控制模块，可实时控制小车运动。基于可靠的硬件设计和更加优化的软件算法，在实现本课设基本要求的基础上，可实现部分扩展功能。【关键词】：MSP430F5529循迹无线控制超声波测距壁障华中科技大学2013年TI杯电子设计竞赛总结报告AbstractThiscurriculumprojectusesMSP430F5529,intheseriesofMSP430ultralowpowersinglechipmicrocomputer,asitsmaincontroller.Inaddition,therealizationofthecontroller’sfunctioncannotleavemotor,battery,sensingcontroltemplateandsoon,forexample,freemovementofthetwodrivevehicle,andautomaticoperationalongrunwaybytestingblackandwhitelines,avoidingobstacles,wirelessoperationandotherfunctions.ThequickandeasyinformationexchangingamongeachfunctionaltemplatehastothanktotheabundanceofI/OofF5529.Onmechanicalstructure,twofrontwheelsoftheminicararereplacedbyauniversalwheel,soastoimproveitssensitivitybylargemargin.PWMisusedtocontrolmotorandsinglechipmicrocomputertomakePWMwave,inordertocontrolitsspeed.ThecarcanstopandturnlefttoavoidobstaclesbecauseL298Ndrivingchipdrivescircuit,threeinfraredrayonpipesisusedtotestblackandwhitelines,andanultrasonictemplateischosentorealizerangingbarrierfunction.Withwirelessoperatingtemplate,movementoftheminicarcanreachreal-timecontrol.Besidesfinishingbasicrequirementofthiscurriculumproject,somebroadeningfunctionscanalsobeachievedbasedonreliablehardwaredesignandbettersoftwarealgorithm.Keywords:MSP430F5529trackingwirelesscontrolultrasonicwaverangingcounterguard华中科技大学2013年TI杯电子设计竞赛总结报告目录1概述………………………………………………………………32设计目标……………………………………………………………33团队组成与任务分工………………………………………………44方案论证………………………………………………………………44.1电机驱动模块…………………………………………………………..……...44.2循迹模块………………………………………………………………..……...54.3无线模块……………………………………………………………..………...54.4测距壁障模块………………………………………………………..………...55系统总体设计…………………………………………………………75.1总体设计思路………………………………………………………………...75.2主要器件选择………………………………………………………………...75.3主要元器件清单……………………………………………………………...87系统各模块设计与实现……………………………………………..157.1电机驱动模块……………………………………………………………..157.2循迹模块……………………………………………………………………...167.3无线模块……………………………………………………………………...167.4超声波测距壁障模块………………………………………………………...179心得与总结…………………………………………………………..2610致谢…………………………………………………………………2711参考文献……………………………………………………………2712附录……………………………………………….………………...27华中科技大学2013年TI杯电子设计竞赛总结报告1.概述随着控制技术及计算机技术的发展，智能车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色。智能小车系统综合运用了控制技术、传感器技术、电力电子、计算机、机械等专业领域的知识，使小车能够模仿人类的思想完成预定的控制任务，实现智能化。本系统以MSP430F5529为主控芯片，这是一款基于闪存的产品系列，在操作电压范围1.8-3.6V内，性能达到25MIPS，启动时为12MIPS，拥有一个优化功耗的创新电源管理模块，内部有电压稳压模块，以及更高的存储能力。我们利用它自身的优点，并加入了红外对接管、无线控制以及超声波测距模块，成功实现了循迹黑白线，沿轨道运行，不偏离轨道；实时遥控小车前行，左右转弯及后退；以及测距壁障等功能，能够检测到前方障碍，并在半米的距离内左转，避开障碍物。供电方面，主控器使用两节干电池单独供电，电机等部分使用7.2V充电电池供电。小车可以通过无线控制的D键实现循迹和避障功能的切换。本报告以下的内容将会按照以下结构来组织：在第二小节中我们将会介绍设计的目标，以及小车将实现的基本功能和扩展功能；第三小节中，我们将会介绍组员分工情况；第四小节中，我们将按模块分析方案选取的原因，主要包括电机驱动模块，循迹模块、无线模块、测距壁障模块等四个主要模块；第五小节的内容是总体设计方案与应用场景的介绍，其中将详细介绍总体设计思路，核心器件的选择，并且列出了主要器件清单；第六小节里，将按照模块进行详细的介绍，其中包括每个小模块的基础知识、设计原理、软硬件设计、性能分析、模块的最终效果等。我们系统整机测试的过程与结果将会展现在第七小节。2.设计目标2.2基本功能1)各个电路模块自行设计完成，机械模块自行购买2)具有两种以上传感控制模块3)能够控制二驱小车自由运动4)能够在规定的时间内控制小车沿着具有直线和弧线的轨迹运动到停止处，5)不能偏离轨道6)能够利用红外线发射及接收对管检测黑白线7)由电池供电；8)使用MSP430开发板作为控制处理器2.2拓展功能1)若在运动线路中设置障碍物，小车能够避开障碍物2)提高小车的运行速度3)其他控制方式：如无线控制华中科技大学2013年TI杯电子设计竞赛总结报告3.团队组成与任务分工本小组分工的指导思想如下：为了最大程度实现并行性，我们按照模块来划分任务。不同模块之间首先需要将相互之间的接口定义好，定义完成以后不同模块就能够相对地独立工作了。我们所划分的三大模块为：电机控制及循迹模块，超声波测距壁障模块，无线控制以及主函数编写模块。负责电机控制及循迹模块程序的设计与调试；小组分工；小车组装；整机调试。负责超声波测距壁障模块的电路与程序的设计和调试；编写文档。负责无线控制模块的设计、实现与调试；主函数的编写；小车组装；元器件购买。4.方案论证4.1电机驱动模块方案的选择与论证方案一：采用电阻网络调整电机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻元器件比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻较小，但电流较大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行控制。这个方案的优点是电路较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案三：采用由CMOS管组成的H型PWM电路。使用PWM波形来实现电机的调速。用单片机控制CMOS管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单实现转速和方向的控制，电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。通过比较，本系统需要对电机的速度进行控制，而且方案三对于资源的要求不是很高，可以由单片机自己产生，不需要增加硬件，对软硬件的要求不是很高，可以很好的满足本系统的要求。所以需要采用方案三。4.2循迹模块方案一：采用热探测器。由于温度变化是因为吸收热能辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境影响比较大。方案二：使用发光二极管和光敏三极管组合。这种方案的缺点在于其他环境的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。方案三：采用光敏传感器，根据白色背景和黑线的反光程度的不同，光强度的变化引起电阻的变化，但在光线比较的强的情况下误差会很大。方案四：使用红外反射式一体化传感器进行检测。只要选择数量和探测距离适合的红外传感器，可以精准的判断出黑线位置。华中科技大学2013年TI杯电子设计竞赛总结报告通过对比，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案四来完成数据采集。由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。同时红外线系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。4.4测距壁障模块方案一：采用超声波技术。利用超声波传感器，监视测量发射脉冲和接受脉冲的时间差，计算超声波和物体之间的距离。并在适当的距离内采取壁障措施。方案二：采用反射式红外发射—接收管。红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。其优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近以上两种方案中，第一种精度较高，抗干扰能力强，有较短的反应时间，应用广泛，所以采用第一种超声波方案。4.5供电方案方案一：采用两个电源供电，将电动机驱动电源以及其周边电路与单片机电源分别供电，由于单片机的电压较低，而电机需要的电压较高，容易使单片机电压过高而损坏，使用两个电池供电，可以提高系统稳定性，但是多一组电池，增加了小车的质量，同时也增加了小车的惯性，降低了灵敏度。方案二：采用单一电源供电。电源直接给单片机供电，通过单片机的IO口连接到电动机上，这样输出的电压稳定，同时也减轻了小车的质量，使小车更加灵活。但