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1、華中科技大學2013年TI杯電子設計競賽總結報告 華中科技大學電子與信息工程系2013年TI杯電子設計大賽項目總結報告項目名稱： 基于MSP430F5529的智能小車設計 團隊成員： 通信工程 通信工程 通信工程 指導教師: 2013 年 7 月 3 日 課題名稱：智能小車自動控制系統(tǒng)【摘要】本次課程設計以MSP430超低功耗單片機系列MSP430F5529為主控制器，附加電機、電池、傳感控制模塊等，完成二驅小車自由運動、檢測黑白線實現(xiàn)沿軌道自動運行、能夠避開障礙物、無線控制等功能，F(xiàn)5529的I/O口豐富，使得各個功能模塊之間信息交流快捷方便。在機械結構上，我們選購用一個萬用輪代替兩個前輪的
2、小車，大幅度提高了小車的靈敏度。利用單片機產(chǎn)生PWM波，控制小車速度，選用L298N驅動芯片驅動電路，使用三路紅外對接管檢測黑白線，使用一個超聲波實現(xiàn)測距壁障功能，使小車能夠自動左轉避開障礙物，使用無線控制模塊，可實時控制小車運動?；诳煽康挠布O計和更加優(yōu)化的軟件算法，在實現(xiàn)本課設基本要求的基礎上，可實現(xiàn)部分擴展功能?！娟P鍵詞】：MSP430F5529 循跡 無線控制 超聲波測距壁障Abstract This curriculum project uses MSP430F5529, in the series of MSP430 ultra low power single chip mic
3、rocomputer, as its main controller. In addition, the realization of the controllers function can not leave motor, battery, sensing control template and so on, for example, free movement of the two drive vehicle, and automatic operation along runway by testing black and white lines, avoiding obstacle
4、s, wireless operation and other functions. The quick and easy information exchanging among each functional template has to thank to the abundance of I/O of F5529. On mechanical structure, two front wheels of the mini car are replaced by a universal wheel, so as to improve its sensitivity by large ma
5、rgin. PWM is used to control motor and single chip microcomputer to make PWM wave, in order to control its speed. The car can stop and turn left to avoid obstacles because L298N driving chip drives circuit, three infrared ray on pipes is used to test black and white lines, and an ultrasonic template
6、 is chosen to realize ranging barrier function. With wireless operating template, movement of the mini car can reach real-time control. Besides finishing basic requirement of this curriculum project, some broadening functions can also be achieved based on reliable hardware design and better software
7、 algorithm.Key words: MSP430F5529 tracking wireless control ultrasonic wave ranging counterguard目錄1 概述32 設計目標33 團隊組成與任務分工44 方案論證44.1 電機驅動模塊.44.2 循跡模塊.54.3 無線模塊.54.4 測距壁障模塊.55 系統(tǒng)總體設計75.1 總體設計思路.75.2 主要器件選擇.75.3 主要元器件清單.87 系統(tǒng)各模塊設計與實現(xiàn).157.1 電機驅動模塊.157.2 循跡模塊.167.3 無線模塊.167.4 超聲波測距壁障模塊.179 心得與總結.2610 致謝
8、2711 參考文獻2712 附錄.271. 概述隨著控制技術及計算機技術的發(fā)展，智能車系統(tǒng)將在未來工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中扮演重要的角色。智能小車系統(tǒng)綜合運用了控制技術、傳感器技術、電力電子、計算機、機械等專業(yè)領域的知識，使小車能夠模仿人類的思想完成預定的控制任務，實現(xiàn)智能化。本系統(tǒng)以MSP430F5529為主控芯片，這是一款基于閃存的產(chǎn)品系列，在操作電壓范圍1.8-3.6V內(nèi)，性能達到25MIPS，啟動時為12MIPS，擁有一個優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊，內(nèi)部有電壓穩(wěn)壓模塊，以及更高的存儲能力。我們利用它自身的優(yōu)點，并加入了紅外對接管、無線控制以及超聲波測距模塊，成功實現(xiàn)了循跡黑白線，沿軌道運行
9、，不偏離軌道；實時遙控小車前行，左右轉彎及后退；以及測距壁障等功能，能夠檢測到前方障礙，并在半米的距離內(nèi)左轉，避開障礙物。供電方面，主控器使用兩節(jié)干電池單獨供電，電機等部分使用7.2V充電電池供電。小車可以通過無線控制的D鍵實現(xiàn)循跡和避障功能的切換。本報告以下的內(nèi)容將會按照以下結構來組織： 在第二小節(jié)中我們將會介紹設計的目標，以及小車將實現(xiàn)的基本功能和擴展功能；第三小節(jié)中，我們將會介紹組員分工情況；第四小節(jié)中，我們將按模塊分析方案選取的原因，主要包括電機驅動模塊，循跡模塊、無線模塊、測距壁障模塊等四個主要模塊；第五小節(jié)的內(nèi)容是總體設計方案與應用場景的介紹，其中將詳細介紹總體設計思路，核心器件的
10、選擇，并且列出了主要器件清單；第六小節(jié)里，將按照模塊進行詳細的介紹，其中包括每個小模塊的基礎知識、設計原理、軟硬件設計、性能分析、模塊的最終效果等。我們系統(tǒng)整機測試的過程與結果將會展現(xiàn)在第七小節(jié)。2. 設計目標2.2 基本功能1) 各個電路模塊自行設計完成，機械模塊自行購買2) 具有兩種以上傳感控制模塊3) 能夠控制二驅小車自由運動4) 能夠在規(guī)定的時間內(nèi)控制小車沿著具有直線和弧線的軌跡運動到停止處，5) 不能偏離軌道6) 能夠利用紅外線發(fā)射及接收對管檢測黑白線7) 由電池供電；8) 使用MSP430開發(fā)板作為控制處理器2.2 拓展功能1) 若在運動線路中設置障礙物，小車能夠避開障礙物2) 提
11、高小車的運行速度3) 其他控制方式：如無線控制3. 團隊組成與任務分工本小組分工的指導思想如下：為了最大程度實現(xiàn)并行性，我們按照模塊來劃分任務。不同模塊之間首先需要將相互之間的接口定義好，定義完成以后不同模塊就能夠相對地獨立工作了。我們所劃分的三大模塊為：電機控制及循跡模塊，超聲波測距壁障模塊，無線控制以及主函數(shù)編寫模塊。負責電機控制及循跡模塊程序的設計與調(diào)試；小組分工；小車組裝；整機調(diào)試。負責超聲波測距壁障模塊的電路與程序的設計和調(diào)試；編寫文檔。負責無線控制模塊的設計、實現(xiàn)與調(diào)試；主函數(shù)的編寫；小車組裝；元器件購買。4. 方案論證4.1 電機驅動模塊方案的選擇與論證 方案一：采用電阻網(wǎng)絡調(diào)整
12、電機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻元器件比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻較小，但電流較大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行控制。這個方案的優(yōu)點是電路較簡單，缺點是繼電器的響應時間慢，機械結構易損壞，壽命較短，可靠性不高。方案三：采用由CMOS管組成的H型PWM電路。使用PWM波形來實現(xiàn)電機的調(diào)速。用單片機控制CMOS管使之工作在占空比可調(diào)的開關狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單實現(xiàn)轉速和方向的控制，電子開
13、關的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術。通過比較，本系統(tǒng)需要對電機的速度進行控制，而且方案三對于資源的要求不是很高，可以由單片機自己產(chǎn)生，不需要增加硬件，對軟硬件的要求不是很高，可以很好的滿足本系統(tǒng)的要求。所以需要采用方案三。4.2 循跡模塊 方案一：采用熱探測器。由于溫度變化是因為吸收熱能輻射能量引起的，與吸收紅外輻射的波長沒有關系，即對紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界環(huán)境影響比較大。方案二：使用發(fā)光二極管和光敏三極管組合。這種方案的缺點在于其他環(huán)境的光源會對光敏二極管產(chǎn)生很大的干擾。方案三：采用光敏傳感器，根據(jù)白色背景和黑線的反光程度的不同，光強度的變化引起電阻的
14、變化，但在光線比較的強的情況下誤差會很大。方案四：使用紅外反射式一體化傳感器進行檢測。只要選擇數(shù)量和探測距離適合的紅外傳感器，可以精準的判斷出黑線位置。通過對比，這次設計中由于是近距離探測，故采用方案四來完成數(shù)據(jù)采集。由于紅外光波長比可見光長，因此受可見光的影響較小。同時紅外線系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：尺寸小、質(zhì)量輕，便于安裝。反射式光電檢測器就是其中的一種器件，它具有體積小、靈敏度高、線性好等特點，外圍電路簡單，安裝起來方便，電源要求不高。用它作為近距離傳感器是最理想的，電路設計簡單、性能穩(wěn)定可靠。4.4 測距壁障模塊方案一：采用超聲波技術。利用超聲波傳感器，監(jiān)視測量發(fā)射脈沖和接受脈沖的時間差，計
15、算超聲波和物體之間的距離。并在適當?shù)木嚯x內(nèi)采取壁障措施。方案二：采用反射式紅外發(fā)射接收管。紅外線測距傳感器利用的就是紅外線信號在遇到障礙物其距離的不同則其反射的強度也不同，根據(jù)這個特點從而對障礙物的距離的遠近進行測量的。其優(yōu)點是成本低廉，使用安全，制作簡單，缺點就是測量精度低，方向性也差，測量距離近以上兩種方案中，第一種精度較高，抗干擾能力強，有較短的反應時間，應用廣泛，所以采用第一種超聲波方案。4.5 供電方案 方案一： 采用兩個電源供電，將電動機驅動電源以及其周邊電路與單片機電源分別供電，由于單片機的電壓較低，而電機需要的電壓較高，容易使單片機電壓過高而損壞，使用兩個電池供電，可以提高系統(tǒng)
16、穩(wěn)定性，但是多一組電池，增加了小車的質(zhì)量，同時也增加了小車的慣性，降低了靈敏度。方案二：采用單一電源供電。電源直接給單片機供電，通過單片機的IO口連接到電動機上，這樣輸出的電壓穩(wěn)定，同時也減輕了小車的質(zhì)量，使小車更加靈活。但是加高的電壓提高了損壞單片機的風險。從安全性考慮，我們選擇方案一。5 系統(tǒng)總體設計5.1 硬件電路設計 整個電路系統(tǒng)分為黑線檢測、障礙檢測、控制、驅動四個主要部分。主控單元是小車的核心部分，它所要完成的任務有：處理輸入信號，啟動/停止小車、控制電機轉速、完成距離檢測、做出壁障判斷等。首先利用紅外對接管對路面信號進行檢測，然后將檢測結果送入主控芯片，輸出相應的信號給驅動芯片，
17、驅動電機轉動，從而控制整個小車的運動，與此同時，超聲波模塊檢測前方是否有障礙物，并將搜集到的信息實時送到主控芯片，及時避開障礙。無線控制模塊也可以通過I/O中斷控制電機驅動，控制小車運動。主控芯片MSP430F5529超聲波測距時鐘電路復位電路電機驅動無線控制紅外對接管循跡電源電路超聲波壁障圖1 系統(tǒng)硬件框圖5.1.1 超聲波模塊功能框圖 如圖3-2所示可以通過超聲波模塊得到小車與障礙物的距離，將數(shù)據(jù)交給單片機判斷是否需要避開障礙物，隨即單片機控制電機，驅動小車運動。超聲波模塊返回信號單片機驅動電路電動機圖3-2 超聲波模塊功能框圖5.1.2 無線控制模塊功能框圖 如圖3-3所示 ，無線控制模
18、塊發(fā)出控制信號，經(jīng)單片機處理，控制電機運動?？刂菩盘?無線控制 單片機驅動電路 電機圖 無線控制模塊功能框圖5.1.3 電機驅動調(diào)速模塊 用于控制小車的前進，后退，停止等基本功能，并且實現(xiàn)PWM波對于轉速的控制。如圖3-4所示單片機驅動電路電動機圖3-4 電機驅動調(diào)速模塊功能框圖PWM波 小車的基本機構如下：5.1.4 尋跡模塊 用于小車的循跡黑線。如圖3-5所示檢測電路信號單片機驅動電路電動機圖3-5 循跡模塊功能框圖5.1.5 開發(fā)板管腳分配：引腳號引腳功能硬件連接電機模塊P2.0TA1CCR1電機模塊ENA（輸出）P2.1TA1CCR2電機模塊ENB（輸出）P4.0I/O電機模塊IN1（
19、輸出）P4.1I/O電機模塊IN2（輸出）P4.2I/O電機模塊IN3（輸出）P4.3I/O電機模塊IN4（輸出）循跡模塊P7.0I/O左循跡模塊OUT（輸入）P7.1I/O中循跡模塊OUT（輸入）P7.2I/O右循跡模塊OUT（輸入）無線控制模塊P4.4I/O無線解碼模塊D1（輸入）P4.5I/O無線解碼模塊D2（輸入）P4.6I/O無線解碼模塊D3（輸入）P4.7I/O無線解碼模塊D4（輸入）P2.6I/O中斷無線解碼模塊VT（輸入）避障模塊P7.7I/O超聲波測距模塊Trig（輸出）P1.0I/O中斷超聲波測距模塊Echo（輸入）5.2 系統(tǒng)軟件結構設計根據(jù)不同路段的控制要求，單片機系統(tǒng)
20、主要由電機調(diào)速和換向子程序，測距避障子程序，無線控制子程序和循跡子程序構成。總體流程如圖36所示：開始循跡編輯電機模塊的IN1IN4引腳號以及使能端ENA和ENB，定義左轉、右轉、前進、停止函數(shù)有左轉前進右轉右壓線中壓線左壓線判斷三個循跡模塊的輸出無左轉前進信號夠短信號過長判斷信號長短等待無信號有信號判斷有無Echo信號定時發(fā)出測距脈沖停止右轉左轉前進DCBA判斷按鍵5.3 主要器件選擇5.3.1 電機驅動芯片：L298NL298N芯片可以驅動兩個二相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號，而且電路簡單，使用比較方便。通過單片機的I/O輸
21、入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉，停止的操作。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達25 A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。將其OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別接2個電機，IN1、IN2、IN3、IN4引腳從單片機接輸入控制電平，控制電平的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。邏輯功能如下：接線方式如下：L298N可以直接對電機進行控制，無須隔離電路，亦能夠滿足直流減速電機的大電流要求，調(diào)試時，
22、可以用程序輸入對應的碼值，能夠實現(xiàn)對應的動作。對電機的調(diào)速，采用PWM調(diào)速的方法。5.3.2 無線控制模塊：SC2262接收模塊的七根引腳分別為D3、D2、D1、D0、GND、VT、VCC，其中VCC為DC5V的供電端，GND為接地端，VT端為解碼有效輸出端，只要發(fā)射器的數(shù)據(jù)碼有輸出，VT都能同步輸出高電平；D3、D2、D1、D0是2262解碼芯片的四位數(shù)據(jù)輸出端，有信號時能輸出5V左右的高電平，驅動電流約2mA，與發(fā)射器的四位數(shù)據(jù)碼輸出一一對應。接收模塊不焊天線也能接收信號。各管腳功能如下：1.技術參數(shù)工作電壓(V)： DC5V靜態(tài)電流(mA)： 4.5MA調(diào)制方式：調(diào)幅（OOK）工作溫度：
23、-10+70接收靈敏度(dBm)： -105DB工作頻率(MHz)：315、433.92MHz（266-433MHZ頻率段可任選）編碼方式：焊盤編碼（固定碼）工作方式：M4（點動：按住不松手就輸出，一松手就停止輸出）、L4（互鎖：四路同時只能有一路輸出）、T4（自鎖：四路相互獨立輸出、互不影響，按一下輸出再按一下停止輸出）尺寸(LWH)： 41*23*7mm2.產(chǎn)品特點： 超再生接收模塊采用LC振蕩電路，內(nèi)含放大整形，輸出的數(shù)據(jù)信號為解碼后的高電平信號，使用極為方便，并且價格低廉，所以被廣泛使用。帶四路解碼輸出（同時也可改為六路點動或互鎖輸出），使用方便；頻點調(diào)試容易，供貨周期短；產(chǎn)品質(zhì)量一致
24、性好，性價比高。 接收模塊有較寬的接收帶寬，一般為10MHz，出廠時一般調(diào)在315MHz或433.92MHZ（如有特殊要求可調(diào)整頻率，頻率的調(diào)整范圍為266MHz433MHz。）。接收模塊一般采用DC5V供電，如有特殊要求可調(diào)整電壓范圍。4.應用環(huán)境（應用領域）無線遙控開關、遙控插座、數(shù)據(jù)傳輸6.備注VCC電壓要與模塊工作電壓一致，且要做好電源濾波；天線對模塊的接收效果影響很大，最好接1/4波長的天線，一般采用50歐姆單芯導線，天線的長度315M的約為23cm，433M的約為17cm；天線位置對模塊接收效果亦有影響，安裝時，天線盡可能伸直，遠離屏蔽體，高壓，及干擾源的地方；使用時接收頻率、解碼
25、方式應與發(fā)射匹配。、遙控玩具、防盜報警主機、車庫門、卷閘門、道閘門、伸縮門等門控業(yè)及其遙控音響領域等。5.3.3 超聲波模塊：HC-SR04實物如下圖。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響號輸出等四支線。主要參數(shù) 電器特性。HC-SR04超聲波的供電電壓為DC5V。MSP430的供電電壓為3.3V。其他電氣參數(shù)如下：最遠射程4m最近射程2cm測量角度15輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例5.3.4 循跡模塊：74HC04D 該芯片主要為智能小車、機器人等自動化機械裝置提供一種多用途的紅外線探測系統(tǒng)的解決方
26、案。在循跡模塊中我們使用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，并使用LM339 電壓比較器（加入了遲滯電路更加穩(wěn)定）做為核心器件構成中控電路。發(fā)射器是一個紅外發(fā)光二極管，接收器是一個高度靈敏度、平面光電三極管，兩者集為一體，使探測器結構緊湊，易于單片機接口。該模塊易于安裝，使用簡便，各路循跡分別獨立工作，工作時不受數(shù)量限制。 主要參數(shù)如下：模塊高度10 毫米 安全工作電壓范圍在 3伏特至 6 伏特之間 各路全開工作電流 30 毫安至 55 毫安之間 各管腳的作用：VCC、GND:電源接線端IN（14）、OUT：探頭與中控板連接端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4: 對應輸出端LED1、L
27、ED2、LED3、LED4: 對應輸出指示R1、R2、R3、R4: 對應比較電壓調(diào)節(jié)輸出端為集電極開路，板載 5.1 千歐上拉電阻 實驗之前，我們測試下，模塊是否是好的：1）測試探頭：移開探頭前面的所有物體，且探頭不要指向陽光的方向。將探頭板接上電源后用萬用表測最輸出端電壓。此時的電壓應當在1 伏特左右。用白紙擋在探頭前。用萬用表測輸出端電壓應當接近電源電壓。2）測試中探板：將測試好的探頭按板上所標示的接入輸入端子，移開探頭前面的所有物體，且探頭不要指向陽光的方向，將中探板接上電源后用萬用表測輸出端子，此時輸出端輸出的電壓應當接近電源電壓，用白紙擋在探頭前，萬用表測輸出端電壓應當接近0 伏特。
28、5.5 主要元器件清單 主控芯片：SEED-EXP430F5529；智能小車底盤（二輪驅動）；電機驅動（L298N）；智能小車循跡模塊（74HC04D）；超聲波模塊（HC-SR04）；杜邦線若干。5.6 應用場景 該智能小車應用廣泛，不僅可家用清潔衛(wèi)生，也可以提供功率，承載力等之后用于餐飲等服務行業(yè)。7.系統(tǒng)各模塊的設計與實現(xiàn)7.1 電機驅動7.1.1 模塊概述：電機驅動芯片選用L298N，電機的調(diào)速，采用PWM調(diào)速算法。電機由電池供電，信號由單片機的端口提供。L298N的連接方法為：PWM的原理是開關管在一個周期內(nèi)的導通時間為t，周期為T，則電機兩端的平均電壓為U=Vcc*（t/T）=a*V
29、cc。其中a=t/T為占空比，Vcc是電源電壓，電機的轉速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快。在硬件電路的連接上，引腳號引腳功能硬件連接電機模塊P2.0TA1CCR1電機模塊ENA（輸出）P2.1TA1CCR2電機模塊ENB（輸出）P4.0I/O電機模塊IN1（輸出）P4.1I/O電機模塊IN2（輸出）P4.2I/O電機模塊IN3（輸出）P4.3I/O電機模塊IN4（輸出）按照如上引腳連接后，我們可以通過改變端口的高低電平變化以控制小車的前進方向，通過改變端口的高低電平的占空比以控制電機的轉速。7.1.2 定
30、時器基礎知識介紹：定時器A功能模塊主要包括：（1）計數(shù)器部分：輸入的時鐘源具有4種選擇，所選定的時鐘源又可以1、2、4或8分頻作為計數(shù)頻率，Timer_A可以通過選擇4種工作模式靈活的完成定時/計數(shù)功能。 （2）捕獲/比較器：用于捕獲事件發(fā)生的時間或產(chǎn)生時間間隔，捕獲比較功能的引入主要是為了提高I/O 端口處理事務的能力和速度。不同的MSP430單片機，Timer_A模塊中所含有的捕獲/比較器的數(shù)量不一樣，每個捕獲/比較器的結構完全相同，輸入和輸出都取決于各自所帶控制寄存器的控制字，捕獲/比較器相互之間完全獨立工作。 （3）輸出單元：具有可選的8種輸出模式，用于產(chǎn)生用戶需要的輸出信號，支持PW
31、M輸出。 定時器工作模式 ：（1）停止模式：停止模式用于定時器暫停，并不發(fā)生復位，所有寄存器現(xiàn)行的內(nèi)容在停止模式結束后都可用。當定時器暫停后重新計數(shù)時，計數(shù)器將從暫停時的值開始以暫停前的計數(shù)方向計數(shù)。例如，停止模式前，Timer_A工作于增/減計數(shù)模式并且處于下降計數(shù)方向，停止模式后，Timer_仍然工作于增/減計數(shù)模式，從暫停前的狀態(tài)開始繼續(xù)沿著下降方向開始計數(shù)。如果不需這樣，則可通過TACTL中的CLR控制位來清除定時器的方向記憶特性。 （2）增計數(shù)模式：捕獲/比較寄存器CCR0用作Timer_A增計數(shù)模式的周期寄存器，因為CCR0為16位寄存器，所以該模式適用于定時周期小于65536的連
32、續(xù)計數(shù)情況。計數(shù)器TAR可以增計數(shù)到CCR0的值，當計數(shù)值與CCR0的值相等(或定時器值大于CCR0的值)時，定時器復位并從0開始重新計數(shù)。增計數(shù)模式的計數(shù)過程如圖4-2所示。通過改變CCR0值，可重置計數(shù)周期。圖 增計數(shù)模式示意圖（3）連續(xù)計數(shù)模式：在需要65536個時鐘周期的定時應用場合常用連續(xù)計數(shù)模式。定時器從當前值計數(shù)到單增到0FFFFH后，又從0開始重新計數(shù)如圖4-3所示。圖 連續(xù)計數(shù)模式（4）增/減計數(shù)模式 需要對稱波形的情況經(jīng)常可以使用增/減計數(shù)模式，該模式下，定時器先增計數(shù)到CCR0的值，然后反向減計數(shù)到0。計數(shù)周期仍由CCR0定義，它是CCR0計數(shù)器數(shù)值的2倍。計數(shù)器的計數(shù)過
33、程如圖4-4所示。 圖 增/減計數(shù)模式 7.1.2 PWM信號的產(chǎn)生 使用定時器可以產(chǎn)生定時中斷、定時脈沖和 PWM（脈寬調(diào)制）信號。PWM信號是一種具有固定周期T和不定占空比t的數(shù)字信號，如果PWM信號的占空比隨時間變化，那么會產(chǎn)生不同的模擬信號。定時器的PWM輸出一共有8種模式： 在輸出模式7下，每次TA計數(shù)值超過TACCRx時，TAx引腳會自動置低，當TA計數(shù)至TACCR0時，TAx引腳會自動置高。因此實際的輸出波形就是PWM調(diào)制方波。只需要改變TACCR0的值即可改變PWM方波周期，改變TACCRx即可改變從TAx引腳輸出信號的占空比：TACCRx越大，占空比越大。7.1.2 差速轉向
34、控制 該控制的基本原理是：轉向時，智能小車的外側小輪的轉速增加，內(nèi)側下輪的轉速降低，并且增加的量和減少的量大小相等，小車的中心速度保持原直線行駛時的速度不變。7.2 循跡模塊7.2.1 模塊綜述：作為小車自主循跡的主要部分，該部分必須完成小車精確地按照預定軌跡行駛的任務，確保不偏離軌跡較遠。該模塊采用一體式紅外對接管檢測黑線。本實驗中采用三路循跡，當檢測到黑線時，紅外接收管接收到反射回來的紅外光，其輸出立即發(fā)生高低電平轉換，該信號經(jīng)放大器放大后送到單片機進行處理。然后將處理后的結果發(fā)送到電機驅動模塊進行校正。為了保證小車沿著黑線行駛。我們將三路檢測器進行并行排列，當左（右）邊檢測到黑線時，小車
35、左（右）轉，當中間一個檢測到黑線時，小車直行，使得控制精度得以提高。傳感器的安裝位置如圖所示：7.2.2 邏輯設計：開始 前方是否有障礙物 YN右邊檢測到黑線 中間檢測到黑線左邊檢測到黑線左轉前行右轉7.2.3 7.2 超聲波測距壁障模塊6.1 模塊概述 超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實現(xiàn)方便，計算簡單，易于做到實時控制，測量精度也能達到實用的要求，在未來汽車智能化進程中必將得到廣泛應用。我國作為一個世界大國，在高科技領域也必須占據(jù)一席之地，未來汽車的智能化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波在智能車避障上的應用具有深遠意義，這將對我國未來智能汽車的研究在世界高科技領域占
36、據(jù)領先地位具有重要作用。本模塊選用了超聲波測距模塊HC-SR04，它可以提供2cm到400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。本設計中，采用一個超聲波模塊，面對正前方，超聲波在距離檢測方面能夠較準確定位。該傳感器主要發(fā)射高頻超聲波，在遇到障礙物時發(fā)生像光一樣的反射和散射，從而通過發(fā)送和接受信號的時間得出距離，判斷是否要躲避前方的障礙物。6.2 主要芯片介紹：HC-SR04實物如下圖。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響號輸出，OUT口不使用。圖5 超聲波模塊 器件的主要主要參數(shù)如下：HC-SR
37、04超聲波的供電電壓為DC5V。MSP430的供電電壓為3.3V。其他電氣參數(shù)如下：最遠射程4m最近射程2cm測量角度15輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例6.3工作原理6.3.1 HC-SR04的工作原理給最少10us的高電平信號，采用IO口TRIG觸發(fā)測距;模塊自動發(fā)送 8個40KHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速）/2。 時序特性 從以上時序圖中可知，只需要提供一個10us以上的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40KHz周期
38、電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式：距離=(高電平時間*聲速）/2。6.3.2 開發(fā)板的中斷原理 首先查找數(shù)據(jù)手冊，了解單片機的端口情況： 其中與定時器相關的端口有： TA0：P1.0（Timer）TA1：P2.0（CCR1）、P2.1（CCR2）TA2：P2.3（CCR0）、P2.4（CCR1）TB0：P7.7（Timer）、P7.5（CCR3） 與I/O中斷相關的端口有： P1口：P1.0P2口：P2.0、P2.1、P2.3、P2.4、P2.6 MSP430F5529總共有
39、四個定時器，TA0、TA1、TA2、TB0，其中TA0有CCR0CCR2，TA1有CCR0CCR2，TA2有CCR0CCR4，TB0有CCR0CCR6。我們可以使用TASSEL_x語句選擇時鐘，若為 2，則代表的是選擇內(nèi)部時鐘源SMCLK，其頻率為1MHz；當數(shù)字為1時，選擇內(nèi)部時鐘源ACLK，其頻率為32768Hz；當數(shù)字為0和3時選擇的是外部時鐘。 此外我們使用MC_x語句選擇計數(shù)器的計數(shù)方式，當為增計數(shù)時，TA0定時器內(nèi)部的計數(shù)器TA0R計到CCR0時歸零；0為停止計數(shù)；2為連續(xù)計數(shù)，指的是TA0R 計數(shù)到0xFFFF時歸零；3為增減計數(shù)，指的是TA0R增計數(shù)到CCR0后進行減計數(shù)，減到
40、零后進行增計數(shù)。波形圖分別為：圖6 計數(shù)器計數(shù)模式CCR的值取值范圍為065535。我們使用ID_x語句，設置定時器的分頻；引腳輸出有7種模式控制。使用語句OUTMOD_x選擇，代表含義如下：OUTMODEx輸出控制模式說明000(模式0)電平輸出TA0x管教輸出電平由OUT控制位的值決定001(模式1)延遲置位當主計數(shù)器計至TA0CCRx值時，TA0x管腳置1010(模式2)取反/清零當主計數(shù)器計至TA0CCRx值時，TA0x管腳取反當主計數(shù)器計至TA0CCR0值時，TA0x管腳置0011(模式3)置位/清零當主計數(shù)器計至TA0CCRx值時，TA0x管腳置1當主計數(shù)器計至TA0CCR0值時，
41、TA0x管腳置0100(模式4)取反當主計數(shù)器計至TA0CCRx值時，TA0x管腳取反101(模式5)延遲清零當主計數(shù)器計至TA0CCRx值時，TA0x管腳置0110(模式6)取反/置位當主計數(shù)器計至TA0CCRx值時，TA0x管腳取反當主計數(shù)器計至TA0CCR0值時，TA0x管腳置1111(模式7)清零/置位當主計數(shù)器計至TA0CCRx值時，TA0x管腳置0當主計數(shù)器計至TA0CCR0值時，TA0x管腳置1 對于定時器的中斷：其中包括溢出中斷、IO中斷等。在比較模式下，當主計數(shù)器計至TA0CCRx時，計數(shù)滿標志位置1。在捕獲模式下，當捕獲條件發(fā)生，相應的標志位置1。CCIFG標志會在中斷執(zhí)行
42、后自動清零，其余模塊共用了中斷入口，他們的CCIFG標志位會根據(jù)TA0IV寄存器的值在知行相應的中斷后自動清除。中斷語句格式為#pragma vector=Timer0_A1_VECTOR/Timer0代表的是TA0或者TB0，A1代表/的是處理的中斷由非CCR0的寄存器產(chǎn)生/否則A0指的是由CCR0產(chǎn)生_interrupt void TA0_ISR(void)/void后面的名稱隨意，聲明是中斷服務程序 對于I/O中斷：可以使用I/O中斷的I/O口有P1.x和P2.x。與I/O中斷有關的標志位有：PxIE寄存器用于設置每一位I/O的中斷允許，PxIES寄存器用于選擇每一位I/O的中斷觸發(fā)沿。
43、在使用I/O口中斷之前，需要先將I/O口設為輸入狀態(tài)，并允許改為I/O的中斷，再通過PxIES寄存器選擇觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。PxIFG寄存器是I/O中斷標志寄存器：0=中斷條件不成立 1=中斷條件曾經(jīng)成立過。無論中斷是否被允許，也不論是否正在執(zhí)行中斷服務程序，只要對應I/O滿足了中斷條件，PxIFG中的相應位都會立即置1并保持，智能通過軟件人工清除。這種機制的目的在于最大可能的保證不會漏掉每一次中斷。在MSP430系列單片機中，P1口的8個中斷和P2口的8個中斷各公用了一個中斷入口，因此該寄存器另一個重要作用在于中斷服務程序中用于判斷哪一位I/O產(chǎn)生了中斷。 IO中斷的語句格式
44、為：#pragma vector=PORT1_VECTOR_interrupt void P1_ISR(void)/聲明一個中斷服務程序，名為P1_ISR()6.4 模塊方案設計 6.4.1 硬件設計：超聲波的指向性很強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，并且利用超聲波檢測距離設計比較方便，計算處理較簡單。總體方案的設計圖為：障礙物 超聲波模塊 MSP430驅動電路圖 超聲波模塊總體方案 6.4.2 軟件設計： 已知電機的IN1-IN4使用單片機上的P4.0-P4.3四個端口，兩個使能端對應的端口分別為P2.0對于使能端ENA，P2.1對應使能端ENB。PWM使用定時器TA1，TA1CCR
45、0設定周期，TA1CCR1、TA1CCR2用來設置兩個電機的轉速。該超聲波程序在一直執(zhí)行PWM驅動的同時持續(xù)進行。使用端口P7.7（TB0 Timer）輸出信號到Trig，使用P1.0（TA1 Timer）連接到Echo。將定時器TB0設置為增量計數(shù)模式，SMCLK為時鐘，為分頻，設置TB0CCR0=65536-1;TB0CCR1=60000;用于溢出中斷，當中斷發(fā)生時P7.7端口輸出高，并使其保持30個時鐘周期（為了得到大于10us的高電平），隨后將其變?yōu)榈?，觸發(fā)Trig。將定時器TA2設置為增量計數(shù)模式，SMCLK為時鐘，無分頻處理，設置為IO中斷。首先將計時器TA2R清零，等待計數(shù)，設置
46、為上升沿采樣，當P1.0中斷發(fā)生時，暫停計時器，保存該值，若果該值大于1470，說明障礙距離還較遠忽略，否則發(fā)生壁障處理。流程圖如下：圖 超聲波模塊軟件流程圖 算法設計中選擇了一個IO中斷和普通IO的原因是：該程序中沒有選用普通IO（IO口分為普通IO和IO中斷）6.5 測試中的問題以及解決方案6.5.1 測試的儀器儀表示波器：用于測試超聲波模塊trig和echo端口是否能夠發(fā)送和接受信號波形。信號發(fā)生器：給trig端口提供一個周期大于50KHz的方波，觸發(fā)trig發(fā)送信號。6.5.2 測距功能測試及結果分析 測距是該模塊的核心功能，首先測試超聲波模塊是否是好的。依據(jù)該模塊的原理，測試方法如下
47、：用信號發(fā)生器給Trig端口提供周期大于50KHz的方波（單個脈沖的時間小于10us），然后再Echo端口用示波器觀察波形，若Echo端口也有脈沖出現(xiàn)，說明超聲波模塊是完好的。觀察到的示波器波形如下圖： CH2 接收到的Echo端 CH1 發(fā)射端Trig有觀察到的現(xiàn)象可知：當CH1為低電平時，輸出端CH2輸出周期性的脈沖。6.5.4 模塊效果展示及分析前方有障礙時能夠很好的壁障并向左轉，但是由于小車上只有一個壁障模塊，并且架在高處，所以較低處的障礙不能感應到，會卡在某處不能轉彎。 無線控制模塊8.無線模塊硬件連接根據(jù)以上測試結果，無線模塊總共7個接口，分為Vcc、GND接電源和地，D0、D1、
48、D2、D3解碼輸出接普通IO口，可選的范圍很廣，為方便代碼編寫，直接將它們放在一起，因此選擇P4.4、P4.5、P4.6、P4.7，VT作為I/O中斷接口，可用的有P1.0、P2.0、P2.1、P2.3、P2.4、P2.6，其中的P2.0、P2.1、P2.3、P2.4可能作為其他時鐘中斷輸出，因此這里選用P1.0作為I/O中斷。D1D2D3D4VTP4.4P4.5P4.6P4.7P1.0調(diào)試故障、產(chǎn)生原因及排除方法1. 測試工具：l 信號發(fā)生器l 數(shù)字萬用表l 雙蹤示波器l 穩(wěn)壓電源電機模塊測試及結果分析測試過程：由于我們需要用到的智能小車的邏輯功能僅有前進、停止、左轉、右轉，因此并沒有對全部
49、的邏輯進行測試，通過編程通過msp430f5529向IN1、IN2、IN3、IN4輸入信號，電機上相應的D1、D2、D3、D4發(fā)光二極管發(fā)光并得到以下結果IN1IN2IN3IN4小車運動方向1010前進0000停止1000右轉0010左轉0101后退與前文所述的L298N資料進行比較得到相符的結果。另外，L298N端口還提供ENA和ENB兩個使能端，分別控制兩個電機的使能。在軟件端向兩個使能端輸入PWM波形，調(diào)節(jié)CCR0與CCR1的比，最終結果發(fā)現(xiàn)可以進行調(diào)速。結果分析：電機部分工作正常，可以通過ENA和ENB來實現(xiàn)轉彎、前進等的速度調(diào)節(jié)。無線模塊測試及結果分析測試方法：直接將無線解碼模塊XD
50、-YK04的D1、D2、D3、D4口接在已測試完畢的電機模塊IN1、IN2、IN3、IN4上，由于之前已經(jīng)測試得到電機未發(fā)生損壞，因此可以通過觀察電機模塊上D1、D2、D3、D4的發(fā)光情況來確定最終解碼的結果。外部有按鍵ABCD，分別按鍵觀察電機上面發(fā)光二極管的發(fā)光情況，得到以下結果。（“1”代表亮，“0”代表滅）D1D2D3D4A1000B0100C0010D0001另外，通過杜邦線連接VT與示波器CH1，可以觀察得到當解碼結果出現(xiàn)的時候出現(xiàn)短暫的高電平，其他情況均為低電平。結果分析：通過外部無線發(fā)送器的按鍵控制可以得到不同的解碼結果，解碼完成輸出信號正常，因此可以通過編程，將解碼結果作為I
51、/O輸入，將解碼完成輸出信號作為外部中斷來處理與其他模塊的沖突。超聲波測距模塊測試及結果分析6.5.3 壁障功能測試及結果分析編程過程，我讓小車在沒有障礙物時是直行，當遇到障礙物時左轉，編號程序并燒寫之后，發(fā)現(xiàn)小車一直直行，不能壁障。雖然之前檢測過模塊，但為了排除操作錯誤將模塊燒壞，我又檢測了一次模塊，反復測試后，發(fā)現(xiàn)該模塊時好時壞，偶爾接收不到回波信號。所以換了一個模塊繼續(xù)測試。首先我編碼測試，發(fā)現(xiàn)右側電機是好的，排除電機的問題。然后我通過單步調(diào)試，發(fā)現(xiàn)程序中斷方面存在問題，不能跳進中斷，看來中斷處完全出錯了。后來我仔細看了很久的書，修改了中斷，換了程序使用的端口，使用端口P7.7（TB0
52、Timer）輸出信號到Trig，使用P1.0（TA1 Timer）連接到Echo。更改后程序可以進入中斷了，燒寫后執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)仍然一直直行。這次我分別檢測超聲波的Trig和Echo端口，將示波器連接到P7.7端口，發(fā)現(xiàn)能夠檢測到波形，說明有周期性脈沖產(chǎn)生，那么就能夠觸發(fā)Trig信號，然后將單片機上連接到echo的P1.0端口，接到示波器上，通過示波器檢測Echo端口，發(fā)現(xiàn)能夠檢測到回波信號。那么問題會是什么？為了進一步確定，程序本身沒有問題，我將一個燈亮滅加入代碼中，每次中斷標識符清零之前，改變燈的狀態(tài)，最后發(fā)現(xiàn)當改變障礙物的距離時燈閃的速度會發(fā)生改變。再做了更進一步的檢測后，發(fā)現(xiàn)應該是單片機的
53、端口壞了，同組同學通過編碼幫我檢測了幾個單片機的端口，最后發(fā)現(xiàn)確實是單片機端口壞了，所以換了新的回來。安裝新的板子，燒寫代碼，擋著前方，左輪停止轉動，拿開障礙物，兩個輪子同時轉動。放到地上測試，又不能成功壁障了，按下復位鍵后，第一次能夠壁障，這說明只能跳入一次中斷，程序單步調(diào)試，發(fā)現(xiàn)只能進入一次中斷，不能跳出中斷，調(diào)試發(fā)現(xiàn)，那個端口一直是高電平。一切關閉，從頭開始，發(fā)現(xiàn)又可以了。反復試驗，發(fā)現(xiàn)模塊又是時好時壞。把代碼拿到別人的車上測試，能夠成功壁障。換新之后，能夠壁障了，但是由于速度太快，還沒來得急避開障礙物就撞上了。所以修改程序，添加語句，使得檢測到障礙物時先停止大約1s，然后再左轉。最后成
54、功了。循跡模塊測試及結果分析測試方法：硬件連接完成后，向各循跡模塊通電，在模塊下方放置白紙和黑膠布，觀察指示燈的亮滅，通過msp430f5529編程，軟件內(nèi)部switch語句來實現(xiàn)小車的運動方式選擇，可以通過觀察電機上面D1、D2、D3、D4的發(fā)光情況來判斷模塊是否工作正常。隨后實際操作，在白板上貼上黑線，讓小車對其循跡，開始時循跡效果不好，通過觀察，我們發(fā)現(xiàn)在實際的小車運動過程中，紅外接收管的接收效果并不理想，調(diào)整接收管的間距和高度后，有很好的改善。但是小車速度較低，所以我們修改PWM的設置，逐步提高PWM的占空比，知道小車的速度最佳且循跡良好。整機測試及結果分析5.4整機兼容性調(diào)整我們在各
55、模塊代碼實現(xiàn)完成之后，需要對各代碼進行整合，會遇到以下問題：1.確定各管腳的復用情況，在各模塊可用方案中選擇兼容性最好的方案。2.完善各代碼的功能，使小車在整體跑的過程中能夠做到最佳的應對。3.將各代碼寫入主函數(shù)，確定先后關系，編寫兼容的各相關代碼。5.4.1硬件兼容性問題確認各管腳的復用情況，確定下來各模塊最終使用的方案。我自己負責的是無線模塊，需要用到的端口是一個I/O中斷端口和四個普通I/O口。一開始確定下來的引腳號是P1.0和P4.4P4.7，進行整合之后，需要弄清楚到底有哪幾種方案可以使用，最好多使用普通I/O口，畢竟所有的時鐘口和中斷口只有6個，就結果而言：電機模塊需要ENA和EN
56、B實現(xiàn)PWM波調(diào)速，這里必須用到時鐘中斷口，也就是說P2.0、P2.1、P2.3、P2.4中需要兩個端口，而且最好是P2.0和P2.1或者P2.3和P2.4，在一個定時器內(nèi)節(jié)省資源。另外還需要四個普通I/O口連接IN1、IN2、IN3、IN4，為編寫代碼方便，最好直接使用端口號連在一起的端口，這里可以使用的有P4.0、P4.1、P4.2、P4.3、P4.4、P4.5、P4.6、P4.7和P7.0、P7.1、P7.2、P7.3。循跡模塊需要三個I/O口，提供的方案有通過時鐘中斷口定時掃描循跡、中斷I/O口實現(xiàn)循跡和普通I/O口直接寫入主函數(shù)while循環(huán)進行循跡。最終確定的方案是使用普通I/O口
57、，直接將循跡函數(shù)寫入while循環(huán)，這樣可以節(jié)省中斷口和時鐘口，以防出現(xiàn)其他模塊會使用很多時鐘口或者中斷口的情況。而且也最好使用連續(xù)的端口便于編寫代碼，最終確定下來使用P7.0、P7.1、P7.2。超聲波測距模塊需要兩個I/O口，提供的方案有兩個普通I/O口或者一個普通I/O口和一個中斷I/O口或者一個時鐘中斷口和一個中斷I/O口。最終確定的方案是使用一個普通I/O口和一個中斷I/O口。最終確定下來使用P7.7和P2.3。5.4.2軟件兼容性問題上述硬件問題解決后實際上的大部分兼容性問題就已經(jīng)解決完成了，剩下所需要的是解決軟件的兼容性問題。首先是主函數(shù)的編寫。雖然組員已經(jīng)將幾個模塊編寫完成，引腳的輸入輸出問題也解決了，但是就整機上面來說存在各種各樣的問題，譬如說，主函數(shù)運行的while語句需要運行哪一個模塊，外部按鍵的時候需要執(zhí)行的是按鍵功能還是循跡或者避障功能，這些都是需要考慮的問題。首先，確定下來整體的流程。我們的小車總共需要實現(xiàn)的功能有3樣，無線、避障
基于MSP430F5529的循跡壁障無線控制智能小車設計報告139256283
