【正文】 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。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。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。在機械結構上，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。 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。 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(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。 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)絡調(diào)整電機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。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。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。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。 方案四： 使用紅外反射式一體化傳感器進行檢測。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。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。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。但是加高的電壓提高了損壞單片機的風險。 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(qū)動芯片，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)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 單片機 驅(qū)動電路 電機 圖 無線控制模塊功能框圖 電機驅(qū)動調(diào)速模塊 主控芯片 MSP430F5529 超聲波測距 時鐘 電路 復位 電路 電機驅(qū)動 無線控制 紅外對接管循跡 電源 電路 超聲波壁障 超聲波模塊 返回信號 單片機 驅(qū)動電路 電動機 圖 32 超聲波模塊功能框圖 控制信號 華中科技大學 2020 年 TI 杯電子設計競賽總結報告 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(zhuǎn)速的控制。 通過單片機的 I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作。 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。 無線控制模塊： SC2262 接收模塊的七根引腳分別為 D D D 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；D D D 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(qū)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 有較寬的接收帶寬，一般為 177。 境 （應用領域） 無線遙控 開關、遙控插座 、數(shù)據(jù)傳輸 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、解碼方式應與發(fā)射匹配。 主要參數(shù) ? 電器特性。 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 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)的解決方案。 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（ 1— 4）、 OUT：探頭與中控板連接端 OUT OUT OUT OUT4: 對應輸出端 LED LED LED LED4: 對應輸出指示 R R R R4: 對應比較電壓調(diào)節(jié) 輸出端為集電極開路，板載 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。用萬用表測輸出端電壓應當接近電源電壓。 華中科技大學 2020 年 TI 杯電子設計競賽總結報告 電機驅(qū)動 模塊概述： 電機驅(qū)動芯片選用 L298N，電機的調(diào)速，采用 PWM調(diào)速算法。在硬件電路的連接上， 引腳號 引腳功能 硬件連接 電機模塊 TA1CCR1 電機模塊 ENA（輸出） TA1CCR2 電機模塊 ENB（輸出） I/O 電機模塊 IN1（輸出） I/O 電機模塊 IN2（輸出） I/O 電機模塊 IN3（輸出） I/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(zhuǎn)速 。 （ 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 PWM輸出。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。通過改變 CCR0 值，可重置計數(shù)周期。計數(shù)周期仍由 CCR0 定義，它是 CCR0 計數(shù)器數(shù)值的 2 倍。 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。 循跡模塊 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，華中科技大學 2020 年 TI 杯電子設計競賽總結報告 確保不偏離軌跡較遠。為了保證小車沿著黑線 行駛。 本模塊選用了超聲波測距模塊 HCSR04，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。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。 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 HCSR04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 。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。 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： （ Timer） TA1： （ CCR1）、 （ CCR2） TA2： （ CCR0）、 （ CCR1） TB0： （ Timer）、 （ CCR3） 與 I/O 中斷相關的端口有： P1口： P2口： 、 、 、 、 MSP430F5529 總共有四個定時器， TA0、 TA TA TB0，其中 TA0 有 CCR0~CCR2，TA1 有 CCR0~CCR2， TA2 有 CCR0~CCR4， TB0 有 CCR0~CCR6。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。 CCIFG標志會在中斷執(zhí)行后自動清零，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。 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。 IO 中斷的語句格式為： pragma vector=PORT1_VECTOR __interrupt void P1_ISR(void)//聲明一個中斷服務程序，名為 P1_ISR() 模塊方案設計 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。使用端口 （ TB0 Timer）輸出信號到 Trig，使用 （ TA1 Timer）連接到 Echo。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。 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。 無線控制模塊 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、 DD 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 、 、 、 ， VT 作為 I/O中斷接口，可用的有 、 、 、 、 、其中的 、 、 、 可能作為其他時鐘中斷輸出，因此這里選用 I/O中斷。 結果分析：電機部分工作正常，可以通過 ENA和 ENB 來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、前進等的速度調(diào)節(jié)。 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/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。 首先我編碼測試，發(fā)現(xiàn)右側(cè)電機是好的，排除電機的問題。這次我分別檢測超聲波的Trig和 Echo端口，將示波器連接到 ，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 ，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。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。 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。 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。 ，確定先后關系，編寫兼容的各相關代 碼。另外還需要四個普通 I/O口連接 IN IN IN 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 、 、 、 、 、 、 和 、 、 、 P 。 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。首先是主函數(shù)的 編寫。而且為了處理避障和循跡的兼容性問題， 可以設置一個標志位，當標志位為 0 的時候執(zhí)行避障，當標志位為 1的時候執(zhí)行循跡，可以想到的方案是在執(zhí)行循跡的時候?qū)⒈苷纤璧亩丝谥袛嗥帘危綀?zhí)行避障的時候使 while 語句終止，中斷打開。這樣這兩個模塊的兼容性問題就解決了。 在整個課程設計的過程中，我們也遇到了很多問題，先是對開發(fā)板一 無所知，對 MSP430的 C 語言一無所知，對硬件連接一無所知，但是通過閱讀書目，積極查找資料，及時交流，經(jīng)過一段時間后，終于入門了，我們多次改變方案，更改分工，最后得到了一個最合理、最有效率的方案。 通過這次課程設計我學到了很多，對單片機的應用有了更深刻的理解，在動手實踐的過程中，加深了對課本理論知識的理解，也認識到自己的不足，使我體會到實踐的重要性。汪老師做事很認真，在其他課題還沒有開始時，汪老師已經(jīng)給我制定了計劃，并且每兩周會檢查我們的進度，通過郵件和短信告 知我們每一個人，督促我們不