摘要：智能小車采用TI公司的MSP430F2274單片機(jī)作為核心控制芯片，由液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊組成。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，用兩個(gè)直流電機(jī)作為兩個(gè)前輪，再外加一個(gè)從動(dòng)輪，使小車的轉(zhuǎn)向更加靈敏。采用PWM驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)，紅外LED和一體化接收頭來避障?；诳煽康挠布O(shè)計(jì)和穩(wěn)定的軟件算法，實(shí)現(xiàn)避障、測速等功能。
關(guān)鍵詞：MSP430；避障；PWM脈寬調(diào)制；低功耗；紅外傳感器

    智能機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、交通等領(lǐng)域，人們也在不斷地著力于改進(jìn)機(jī)器人的智能，讓它更好地為人們提供便捷、舒適的生活。而智能電動(dòng)車作為機(jī)器人的典型代表，也在不斷地發(fā)展，方便人們對安全性能的追求。
    文中智能小車采用TI公司的MSP430F2274單片機(jī)作為核心控制芯片，由液品顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊組成。基于可靠的硬件設(shè)計(jì)和穩(wěn)定的軟件算法，實(shí)現(xiàn)智能避障、測速等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)思路
    本系統(tǒng)劃分為控制部分和信號檢測部分。其中信號檢測部分包括：障礙物探測模塊，路程測量模塊?？刂撇糠职ǎ弘姍C(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，顯示模塊，控制器模塊，計(jì)時(shí)模塊，狀態(tài)標(biāo)志模塊。模塊框圖如圖1所示。

1．2 設(shè)計(jì)方案
    (1)控制器模塊
    本系統(tǒng)的控制器主要用于各個(gè)傳感器信號的接收與辨認(rèn)、控制小車電機(jī)的動(dòng)作、控制顯示車速與運(yùn)行的時(shí)間以及小車在停止時(shí)發(fā)出聲光等信號。
    本系統(tǒng)的控制器采用TI公司的MSP430單片機(jī)。MSP430在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其工作電壓為1．8～3．6 V，正常工作時(shí)功耗可控制在200μA左右，低功耗模式可實(shí)現(xiàn)2μA甚至0．1μA的低功耗。MSP430系列單片機(jī)作為性能優(yōu)異的MCU在中國已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。MSP430具有高集成度，通常在單個(gè)芯片上集成了12位的A／D轉(zhuǎn)換器、比較器、多個(gè)定時(shí)器，以及片內(nèi)USART、看門狗、片內(nèi)DCO等。一般單片就可滿足大多數(shù)的應(yīng)用需要。支持JTAG在線編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載、仿真、調(diào)試和升級。
    (2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)小車前后或者左右方向的選擇，并使用PWM控制芯片來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，L298芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
    (3)顯示模塊
    在小車運(yùn)行過程中，需要對運(yùn)行的時(shí)間和路程做必要的顯示，系統(tǒng)選用液晶顯示屏顯示時(shí)間和路程。液晶顯示屏(LCD)具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
    (4)障礙物探測模塊
    采用左右兩個(gè)紅外傳感器。紅外傳感器，是目前使用比較普遍的一種避障傳感器，可調(diào)節(jié)紅外傳感器的檢測距離為10～80 cm，開關(guān)量輸出(TTL電平)，簡單、可靠。
    (5)計(jì)時(shí)模塊
    計(jì)時(shí)模塊要求對小車從啟動(dòng)到停止的過程進(jìn)行計(jì)時(shí)，最小單位為0．01 s。由于本系統(tǒng)的控制器是由單片機(jī)構(gòu)成的，其內(nèi)部有很好的定時(shí)系統(tǒng)，因此系統(tǒng)使用MSP430F2274內(nèi)置的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)該模塊功能。
    (6)電源模塊
    雙電源供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、顯示電路、紅外傳感器部分用小型蓄電池供電。小型蓄電池具有，輸出功率大，在負(fù)載不穩(wěn)定的情況下能保證合適的電壓和電流輸出的特點(diǎn)。單片機(jī)和傾角傳感器則對電壓參數(shù)要求比較高．使用9 V干電池穩(wěn)壓到5 V。這樣設(shè)計(jì)雖然不如單電源方便靈活，但可以將電極驅(qū)動(dòng)所造成的干擾有較高的抑制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 控制電路的設(shè)計(jì)
    單片機(jī)接收從傳感器檢測電路輸入的邏輯信號和脈沖信號，并將輸入的信號進(jìn)行處理運(yùn)算，以控制電流或控制電壓的形式輸出給被控制的單元電路，完成各項(xiàng)任務(wù)要求。
    單片機(jī)MSP730F2274外接各種傳感器電路和顯示電路，其中金屬探測電路和距離測量電路是信號輸入，顯示電路是信號輸出。為了方便單片機(jī)引腳的使用，我們將單片機(jī)的所有引腳用接口引出。圖2為控制電路模塊電路圖。

2．2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
    電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N。工作穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號由單片機(jī)提供，信號經(jīng)過光耦隔離后，傳至PWM控制芯片L298N，通過L298N的輸出腳與兩個(gè)電機(jī)相連。此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。
    芯片引腳情況如表1所示，11腳為高時(shí)，當(dāng)10腳電平高于12腳時(shí)，13腳，14腳端電機(jī)正轉(zhuǎn)；12腳電平高于10腳時(shí)，電機(jī)倒轉(zhuǎn)；11腳為低時(shí)，電機(jī)自由控制。
2．3 顯示模塊的設(shè)計(jì)
    液晶顯示模塊以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、模塊化以及接口電路簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)在科研、生產(chǎn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。
    本系統(tǒng)中采用液晶屏來顯示時(shí)間、路程、小車與起跑線的距離等信息。
    圖4所示為液晶與MSP430F2274的連接圖。為節(jié)省I／O口，采用串口方式與單片機(jī)通信。

2．4 障礙物探測電路的設(shè)計(jì)
    小車行駛線路中，有兩個(gè)障礙物，要求小車?yán)@過障礙物，避免與障礙物相撞。為了檢測障礙物并確定障礙物的距離，在小車的前方安置兩個(gè)紅外線發(fā)射與接收電路。圖5為障礙物探測電路。調(diào)節(jié)其電位器，可以改變紅外發(fā)射與接收的距離。將紅外檢測到的信息發(fā)送到MSP430F2 274，并通過控制電機(jī)避開障礙物。

2．5 電源模塊的設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)要求有3．3 V，5 V，9 V混合輸出可充電蓄電池電源。我們采用了一個(gè)蓄電池儲存電提供系統(tǒng)用電要求，所以要設(shè)計(jì)一充電電路，由于單片機(jī)MSP430F2274需要工作在3．3 V的電壓下，以達(dá)到低功耗的目的，而一些傳感器，液晶等外圍設(shè)備需要5 V與9 V的工作電壓。所以我們利用一個(gè)7805三端5 V穩(wěn)壓管、一個(gè)7812三端12 V穩(wěn)壓管和一個(gè)AMS1085CT三端3．3 V穩(wěn)壓管做為電路主要組成部分。電路原理圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言對單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。
    程序是在WIN XP環(huán)境下采用IAR Embedded Workbench軟件編寫。可以實(shí)現(xiàn)小車對傳感器的查詢，電機(jī)的控制，液晶顯示等功能。主程序流程圖如圖7所示。

    紅外探測障礙物時(shí)，當(dāng)沒有感應(yīng)到障礙物時(shí)紅外傳感器為單片機(jī)提供高電平，當(dāng)傳感器感應(yīng)到障礙物時(shí)紅外傳感器為單片機(jī)提供低電平，并產(chǎn)生一個(gè)下降沿提供給單片機(jī)觸發(fā)中斷，從而調(diào)用中斷子程序。當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，控制小車左轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，再右轉(zhuǎn)一定時(shí)間，再次判斷前方是否有障礙物，直到?jīng)]有障礙物的信號。避障子程序流程如圖8所示。其它子程序包括：顯示子程序、延時(shí)子程序、路程測量子程序等。

4 系統(tǒng)測試
    為了確定系統(tǒng)符合要求，我們對系統(tǒng)中關(guān)鍵部分進(jìn)行了實(shí)際的測試。
    (1)測試使用的儀器
    測試中所使用的儀器儀表等設(shè)備如表2所示。

    (2)指標(biāo)測試和測試結(jié)果
    ①光電檢測部分測試
　　紅外發(fā)射管的電流在5～20 mA之間，電流大，發(fā)射的紅外線強(qiáng)，但雜散反射光分量多，不易調(diào)整，檢測誤差大；電流小，工作可靠，檢測頭相對被檢測的物體的距離范圍窄，對于寬度為5 cm的黑色條紋，電流在10 mA左有就可以了。將檢測頭對準(zhǔn)在白紙上，適當(dāng)靠近或拉開與白紙間的距離，調(diào)整電位器，使得反向器輸出為一個(gè)高電平。在用一張畫有黑白相間條紋的劃過檢測頭，用示波器觀察波形是否在高、低電平中跳變。若沒有此現(xiàn)象，可慢慢調(diào)整電位器，直到滿意為止。
　?、谇拜啘y試
　　前輪驅(qū)動(dòng)電路直接用穩(wěn)壓可調(diào)直流電源供電，用外加信號觸發(fā)，觀看電機(jī)轉(zhuǎn)速以及測量電機(jī)兩端的電壓。電機(jī)狀態(tài)見表3所示。

    由此表可看出，電機(jī)在正常行駛下不動(dòng)作，在小車偏離軌道時(shí)電機(jī)發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)在動(dòng)作時(shí)的電流達(dá)到一定的強(qiáng)度，使輪子能偏轉(zhuǎn)到比較大的角度。
　　③系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：躲避障礙物；自動(dòng)測速。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心部件，利用紅外測障并配合一套獨(dú)特的軟件算法實(shí)現(xiàn)了小車的方向速度控制、躲避障礙物、時(shí)間顯示等功能，最終使小車完成要求的各項(xiàng)任務(wù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，力求硬件線路簡單，并充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因?yàn)闀r(shí)間有限，該系統(tǒng)還有許多值得改進(jìn)的地方：紅外線有一定的缺陷，在光線較強(qiáng)的環(huán)境下輸出的高低電平不穩(wěn)定，因此，可以在光電管上加上固定管以減少與外界環(huán)境的接觸。