摘要：智能小車采用TI公司的MSP430F2274單片機作為核心控制芯片，由液晶顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊、電源模塊組成。在機械結(jié)構(gòu)上，用兩個直流電機作為兩個前輪，再外加一個從動輪，使小車的轉(zhuǎn)向更加靈敏。采用PWM驅(qū)動芯片控制電機，紅外LED和一體化接收頭來避障。基于可靠的硬件設(shè)計和穩(wěn)定的軟件算法，實現(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

    智能機器人的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)廣泛應用于機械、電子、交通等領(lǐng)域，人們也在不斷地著力于改進機器人的智能，讓它更好地為人們提供便捷、舒適的生活。而智能電動車作為機器人的典型代表，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單片機作為核心控制芯片，由液品顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊、電源模塊組成?；诳煽康挠布O(shè)計和穩(wěn)定的軟件算法，實現(xiàn)智能避障、測速等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計
1．1 設(shè)計思路
    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驅(qū)動模塊，顯示模塊，控制器模塊，計時模塊，狀態(tài)標志模塊。模塊框圖如圖1所示。

1．2 設(shè)計方案
    (1)控制器模塊
    本系統(tǒng)的控制器主要用于各個傳感器信號的接收與辨認、控制小車電機的動作、控制顯示車速與運行的時間以及小車在停止時發(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。MSP430在電池供電的低功耗應用中具有獨特的優(yōu)勢。其工作電壓為1．8～3．6 V，正常工作時功耗可控制在200μA左右，低功耗模式可實現(xiàn)2μA甚至0．1μA的低功耗。MSP430系列單片機作為性能優(yōu)異的MCU在中國已經(jīng)得到了廣泛的應用。MSP430具有高集成度，通常在單個芯片上集成了12位的A／D轉(zhuǎn)換器、比較器、多個定時器，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)的應用需要。支持JTAG在線編程，可以方便地實現(xiàn)程序的下載、仿真、調(diào)試和升級。
    (2)電機驅(qū)動模塊
    電機的驅(qū)動電路主要通過電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車前后或者左右方向的選擇，并使用PWM控制芯片來實現(xiàn)對電機的控制，L298芯片實現(xiàn)電機的驅(qū)動。
    (3)顯示模塊
    在小車運行過程中，需要對運行的時間和路程做必要的顯示，系統(tǒng)選用液晶顯示屏顯示時間和路程。液晶顯示屏(LCD)具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，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，抗干擾能力強等特點。
    (4)障礙物探測模塊
    采用左右兩個紅外傳感器。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)計時模塊
    計時模塊要求對小車從啟動到停止的過程進行計時，最小單位為0．01 s。由于本系統(tǒng)的控制器是由單片機構(gòu)成的，其內(nèi)部有很好的定時系統(tǒng)，因此系統(tǒng)使用MSP430F2274內(nèi)置的定時器實現(xiàn)該模塊功能。
    (6)電源模塊
    雙電源供電。電機驅(qū)動部分、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。單片機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)計雖然不如單電源方便靈活，但可以將電極驅(qū)動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)計與實現(xiàn)
2．1 控制電路的設(shè)計
    單片機接收從傳感器檢測電路輸入的邏輯信號和脈沖信號，并將輸入的信號進行處理運算，以控制電流或控制電壓的形式輸出給被控制的單元電路，完成各項任務要求。
    單片機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。為了方便單片機引腳的使用，我們將單片機的所有引腳用接口引出。圖2為控制電路模塊電路圖。

2．2 電機驅(qū)動電路的設(shè)計
    電機的驅(qū)動芯片選用L298N。工作穩(wěn)定電機驅(qū)動信號由單片機提供，信號經(jīng)過光耦隔離后，傳至PWM控制芯片L298N，通過L298N的輸出腳與兩個電機相連。此電機驅(qū)動電路如圖3所示。
    芯片引腳情況如表1所示，11腳為高時，當10腳電平高于12腳時，13腳，14腳端電機正轉(zhuǎn)；12腳電平高于10腳時，電機倒轉(zhuǎn)；11腳為低時，電機自由控制。
2．3 顯示模塊的設(shè)計
    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)點在科研、生產(chǎn)和產(chǎn)品設(shè)計等領(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通信。

2．4 障礙物探測電路的設(shè)計
    小車行駛線路中，有兩個障礙物，要求小車繞過障礙物，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，并通過控制電機避開障礙物。

2．5 電源模塊的設(shè)計
    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。我們采用了一個蓄電池儲存電提供系統(tǒng)用電要求，所以要設(shè)計一充電電路，由于單片機MSP430F2274需要工作在3．3 V的電壓下，以達到低功耗的目的，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7805三端5 V穩(wěn)壓管、一個7812三端12 V穩(wěn)壓管和一個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
    系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。
    程序是在WIN XP環(huán)境下采用IAR Embedded Workbench軟件編寫?？梢詫崿F(xiàn)小車對傳感器的查詢，電機的控制，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，當沒有感應到障礙物時紅外傳感器為單片機提供高電平，當傳感器感應到障礙物時紅外傳感器為單片機提供低電平，并產(chǎn)生一個下降沿提供給單片機觸發(fā)中斷，從而調(diào)用中斷子程序。當檢測到障礙物時，控制小車左轉(zhuǎn)一定時間后，再右轉(zhuǎn)一定時間，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)鍵部分進行了實際的測試。
    (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，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。將檢測頭對準在白紙上，適當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。
　　②前輪測試
　　前輪驅(qū)動電路直接用穩(wěn)壓可調(diào)直流電源供電，用外加信號觸發(fā)，觀看電機轉(zhuǎn)速以及測量電機兩端的電壓。電機狀態(tài)見表3所示。

    由此表可看出，電機在正常行駛下不動作，在小車偏離軌道時電機發(fā)生了相應的轉(zhuǎn)動，同時電機在動作時的電流達到一定的強度，使輪子能偏轉(zhuǎn)到比較大的角度。
　?、巯到y(tǒng)實現(xiàn)的功能：躲避障礙物；自動測速。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)以MSP430單片機為核心部件，利用紅外測障并配合一套獨特的軟件算法實現(xiàn)了小車的方向速度控制、躲避障礙物、時間顯示等功能，最終使小車完成要求的各項任務。在系統(tǒng)設(shè)計中，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，來滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。因為時間有限，該系統(tǒng)還有許多值得改進的地方：紅外線有一定的缺陷，在光線較強的環(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。