【正文】 華中科技大學(xué) 2020 年 TI 杯電子設(shè)計競賽總結(jié)報告 華中科技大學(xué)電子與信息工程系 2020 年 TI 杯電子設(shè)計大賽項目總結(jié)報告 項目名稱： 基于 MSP430F5529 的智能小車設(shè)計 團隊成員： 通信工程 通信工程 通信工程 指導(dǎo)教師 : 2020 年 7 月 3 日 華中科技大學(xué) 2020 年 TI 杯電子設(shè)計競賽總結(jié)報告 課題名稱： 智能小車自動控制系統(tǒng) 【 摘要 】 本次課程設(shè)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(qū)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， F5529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(jié)構(gòu)上，我們選購用一個萬用輪代替兩個前輪的小車，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(qū)動芯片驅(qū)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(zhuǎn)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(shè)計和更加優(yōu)化的軟件算法，在實現(xiàn)本課設(shè)基本要求的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)部分?jǐn)U展功能。 【關(guān)鍵詞】： MSP430F5529 循跡 無線控制 超聲 波測距壁障華中科技大學(xué) 2020 年 TI 杯電子設(shè)計競賽總結(jié)報告 Abstract This curriculum project uses MSP430F5529, in the series of MSP430 ultra low power single chip microputer, as its main controller. In addition, the realization of the controller’s 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 obstacles, 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 margin. PWM is used to control motor and single chip microputer 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 is chosen to realize ranging barrier function. With wireless operating template, movement of the mini car can reach realtime control. Besides finishing basic requirement of this curriculum project, some broadening functions can also be achieved based on reliable hardware design and better software algorithm. Key words: MSP430F5529 tracking wireless control ultrasonic wave ranging counterguard 華中科技大學(xué) 2020 年 TI 杯電子設(shè)計競賽總結(jié)報告 目錄 1 概述 ……………………………………………………………… 3 2 設(shè)計目標(biāo) …………………………………………………………… 3 3 團隊組成與 任務(wù)分工 ……………………………………………… 4 4 方案論證 …………………… ………………………………………… 4 電機驅(qū)動 模塊 ………………………………………………………… ..…… ...4 循跡 模塊 ……………………………………………………………… ..…… ...5 無線 模塊 …………………………………………………………… ..……… ...5 測距壁障 模塊 ……………………………………………………… ..……… ...5 5 系統(tǒng)總體設(shè)計 ………………………………………………………… 7 總體設(shè)計思路 ……………………………………………………………… ...7 主要器件選擇 ……………………………………………………………… ...7 主要元器件清單 …………………………………………………………… ...8 7 系統(tǒng) 各模塊 設(shè)計與實現(xiàn) …………………………………………… ..15 電機 驅(qū)動模塊 …………………………………………………………… ..15 循跡模塊 …………………………………………………………………… ...16 無線模塊 …………………………………………………………………… ...16 超聲波測距壁障模塊 ………………………………… …………………… ...17 9 心得與總結(jié) ………………………………………………………… ..26 10 致謝 ………………………………………………………………… 27 11 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………… 27 12 附錄 ……………………………………………… .……………… ...27 華中科技大學(xué) 2020 年 TI 杯電子設(shè)計競賽總結(jié)報告 1. 概述 隨著控制技術(shù)及計算機技術(shù)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(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子、計算機、機械等專業(yè)領(lǐng)域的知識，使小車能夠模仿人類的思想完成預(yù)定 的控制任務(wù)，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 內(nèi)，性能達(dá)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，不偏離軌道；實時遙控小車前行，左右轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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 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(jié)構(gòu)來組織： 在第二小節(jié)中我們將會介紹設(shè)計的目標(biāo)，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(qū)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(shè)計方案與應(yīng)用場景的介紹，其中將詳細(xì)介紹總體設(shè)計思路，核心器件的選擇，并且列出了主要器件清單；第六小節(jié)里，將按照模塊進(jìn)行詳細(xì)的 介紹，其中包括每個小模塊的基礎(chǔ)知識、設(shè)計原理、軟硬件設(shè)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(jié)果將會展現(xiàn)在第七小節(jié)。 2. 設(shè)計目標(biāo) 基本功能 1) 各個電路模塊自行設(shè)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(qū)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 拓展功能 1) 若在運動線路中設(shè)置障礙物，小車能夠避開障礙物 2) 提高小車的運行速度 3) 其他控制方 式：如無線控制 華中科技大學(xué) 2020 年 TI 杯電子設(shè)計競賽總結(jié)報告 3. 團隊組成與 任務(wù) 分工 本小組分工的指導(dǎo)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(wù)。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(fù)責(zé)電機控制及循跡模塊程序的設(shè)計與調(diào)試；小組分工；小車組裝；整機調(diào)試。 負(fù)責(zé)超聲波測距壁障模塊的電路與程序的設(shè)計和調(diào)試；編寫文檔。 負(fù)責(zé)無線控制模塊的設(shè)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 電機驅(qū)動 模塊 方案的選擇與論證 方案一： 采用電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整電機的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)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(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)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(yīng)時間慢，機械結(jié)構(gòu)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(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和方向的控制，電子開關(guān)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(shù)。 通過比較，本系統(tǒng)需要對電機的速度進(jìn)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。 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(guān)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(jìn)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(zhǔn)的判斷出黑線位 置。 華中科技大學(xué) 2020 年 TI 杯電子設(shè)計競賽總結(jié)報告 通過對比，這次設(shè)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(shè)計簡單、性能穩(wěn)定可靠。 測距壁障模塊 方案一： 采用超聲波技術(shù)。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，計算超聲波和物體之間的距離。并在適當(dāng) 的距離內(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(yuǎn)近進(jìn)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