智能机器人小车.docx
《智能机器人小车.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能机器人小车.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
智能机器人小车
智能机器人小车
所在院系：
电控学院
作者：
赵宇何鱼张晓斌
2013-7-10
智能机器人小车
摘要
在很多的未知领域信息探测，还有遭受灾难区域的处理监测等会对人体健康安全存在潜在威胁，更有甚者对人的生命都造成不可挽回的惨痛结果。
因此我们需要一个可以代替人的装置，去进行一些特殊区域的各种信息监测以及相应的任务操作执行。
本次机器人小车，主要任务是：
对未知领域或者对人体可能存在伤害和潜在威胁领域的环境探测监视相应的执行工作。
本次设计的这个小车以模型车体为基础架构，以MSP430F149为主控芯片，包括L298N电机驱动模块、温度测量模块、超声波测距模块、采集数据显示模块、无线路由器视频收发模块、语音报警器模块、自主循迹模块、还有电源模块等基本小模块。
在本次设计中最大的创新点是在车上加了无线路由器视频收发模块，该模块可以在车上架构局域网，使人可以在上位机上直接接收小车在未知领域所探测到的环境视频、温度等需要探测的先关信息。
还有就是可以用上位机通过小车上的无线路由器架构的局域网给小车发送指令，对其进行控制，最大的实现了对小车的无线操控。
语音模块的添加也增加了亮点，可以通过程序控制录放音，不仅可以报告小车的行驶状态，还可以对所需要的声音信息采集。
关键词：
MSP430F149；L298N；ST188；无线路由器；
1引言
当今社会，科学技术日新月异，时代前进的步伐越迈越宽，应用自动化设备,计算机处理,现代化通讯,数字化信息,现代化显示设备等高新技术而建立的现代化智能,监控等系统已经得到充分的发展与应用,智能机器人也就应运而生。
同时，在建设以人为本的和谐社会的过程中，智能服务机器人能够完成考古发掘，海底揭密，宇宙探索等危险作业，以保证人身安全。
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》一文指出：
智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。
以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。
重点研究低成本的自组织网络，个性化的智能机器人和人机交互系统、高柔性免受攻击的数据网络和先进的信息安全系统。
现在正是我们最具有活力和最激情洋溢的时段。
因为我们三人都对智能小车的研发和制作有着强烈的好奇心，有着共同爱好和理想，所以我们想用自己的青春和智慧挥写这段焕发青春活力的乐谱。
2各模块的方案设计与论证
2.1总体方案描述
整个系统以以MSP430F149为主控芯片，模型车体为基础架构，包括L298N电机驱动模块、无线遥控控制模块、温度测量模块、超声波测距模块、12864数据显示模块、无线路由器视频收发模块、语音报警器模块、自主循迹模块、还有电源模块等基本小模块。
总体方案如下图所示：
图2-1系统框图
2.2主控芯片的选择与比较
方案一：
采用51单片机
51单片机比较普及，它不光体积小，而且价格低廉，学习资料比较多，易于自主的学习与掌握，而且这方面的图书和教材`比较多，学习资料易于获取。
而且它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，易操作和程序编写，供电简单，但引脚为20脚，不够搭载这么多模块故放弃。
方案二：
采用TI的MSP430F149芯片
MSP430超低功耗电源电压1.8~3.6V；待机电流小于1uA；两种不同的时钟系统；5种低功耗模式；中断可任意嵌套；内部模块可关闭。
强大的处理能力16位单片机，采用RISC结构，单周期指令，某些型号有硬件乘法器、DMA模块，可实现如FFT、DTMF等算法。
丰富的片内外围模块:
ADC、DAC、UART、IIC、SPI、MPY、SVS、DMA、WDT、Timer_A、Timer_B、P1～P8、RTC、OA、LCD驱动等方便高效的开发环境FLASH型具有片内JTAG接口，整个开发在一个软件集成环境进行，不需专用仿真器和编程器。
开发语言有汇编和C语言。
综合考虑,为了简化硬件电路的制作，以及保证性能的优越，后选用MSP430F149芯片作为主控芯片。
2.3电机驱动模块的选用与比较
方案一：
采用８０５０和８５５０三极管手工焊接成Ｈ桥
该Ｈ桥可以满足一般需要，但由于三极管构成的Ｈ正向导通和反向导通时管压降不一样，手工焊接时电路的阻抗不一样，存在小车前进时和后退时动力不一致，左轮和右轮前进时的速度也不一样（三极管的参数不可能完全一致）使前进时左右轮存在偏差。
而且三极管Ｈ桥容易出现左右桥同时导通（死区），使Ｈ桥烧坏。
方案二：
采用Ｌ２９８电机驱动芯片
L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以很方便的驱动两个直流电机或则一个步进电机。
L298N芯片性能稳定，通过电流可达２Ａ，内部集成死区调节功能，可以为小车提供充足的动力。
而且易于ＰＷＭ调速，综合考虑，采用方案二比较可靠。
2.4数据显示模块的选用与比较
方案一：
采LED点阵
LED点阵显示器，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。
具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。
程序设计会有一些复杂。
方案二：
采用lcd12864
利用该显示模块接口方式灵活和简单、操作指令方便，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
结合本系统，权衡两方案利弊，我们最后决定采用方案二为数据显示模块模块。
2.5循迹模块选用与比较
方案一：
采用光电对管对小车行驶的路况进行判断
普通光电对管，具有价格低，采购时容易购买到的优点，但其缺点是，探测距离近，易受外界其他红外光的干扰，这样无法保证小车在高速行驶时单片机能够准确的获取小车行驶的路况状态，易造成行驶过程中的误判，是小车掉下跑到。
经我们多次测试，其稳定性无法满足赛道要求，故，果断放弃该方案。
方案二：
利用投射式光电对管ST188
采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
检测距离可调整范围大，4-13mm可用。
采用非接触检测方投射式光电对管较一般的光电对管要更灵敏，其光束能量高，方向性强。
在我们经过多次测试后得出这种经自己改装的光电对管ST88具有探测距离远，稳定性高等优点。
在市场上也较易购得，所以选用了该方案。
2.6电源板模块
方案一：
采用四节电池供电
经三端稳压器7805稳压后送给单片机和光电对管等需要５Ｖ供电的部分6V直接给L298供电，驱动左右两个电机。
该方案简单，但是电池在用一段后会有一个管压降，使得电路得到的电压不稳定，不利于PWM调速和光电开关的探测距离。
方案二：
采用6节电池，串联产生9Ｖ电压，经过DCDC降压模块给L298和光电开关。
再经过7805稳压电路后，共给单片机和光电对管。
该方案解决了电池用一段后压降降低的影响，在电池电压降低时可以调节降压模块的降压差，来达到弥补电池压降的目的。
共给电路稳定的电压，使得小车的行驶动力充足，性能稳定。
故采用方案二作为电路的电源模块，给系统提供稳定电压。
3系统硬件、软件设计与实现
3.1硬件设计
MSP430系列单片机具有极低的功耗，运算速度快，丰富的片内外设和方便高效的开发环境；而且采用无线路由器建立局域网，抗干扰性强，集成度高，通信稳定，相对其他无线装置具有较低的成本，而且其使用比较简单，便于阅读和使用具有较长的使用寿命、可靠的稳定性和快速的响应恢复特性。
通过局域网的构建，使用上位机直接监测小车的行驶情况，而且可以接收小车采集的相关数据信息，显示到上位机上，而且上位机还可以给小车发送指令，控制小车，真正实现无线交互。
这些强大的功能，为我们实现本项目的核心功能提供了有力的硬件保证。
3.1.1总体硬件框图
图表3-1系统结构框图
整个系统的工作过程大致如下:
小车在运动的过程中摄像头会持续监测周围的环境，图像通过无线路由器发送给上位机，温度测量模块实时测量空气的温度及时传送给上位机，在不可视环境下超声波测距模块可以测量周围障碍物及前方距离，并且会将这些数据进行实时的采集并送到单片机内部，单片机会将这些数据在显示模块进行显示，另外单片机也会通过无线路由器传出数据，检测者可以通过上位机对小车进行控制，充分利用了其全双工的通信模式，高效可靠的实现双机通信。
3.1.2本设计元器件清单
元件
数量
红外对管St188
4
超声波测距模块
1
电动小车套件
1
电阻
若干
L298N电机驱动芯片
1
集成电路芯片
若干
Msp430系列f149芯片
1
摄像头
1
无线路由器
２
7805三段稳压电路
1
ISD语音模块
1
扬声器
1
遥控及接收头
一套
图表3-2
3.1.3硬件各模块电路
3.1.3.1主控芯片msp430f149:
具有超低功耗和高度集成的特点，多I/O口和多中断让系统更好更稳定的运行。
图3-1微控制器主系统控制电路图
3.1.3.2L298N型驱动器的原理及应用:
电机的驱动是由集成芯片L298N来实现的，由四个IO口经四个与门再由L298N输出四路信号来控制两电机。
图3-2l298n驱动电路
3.1.3.3温度测试模块设计:
DSl820数字温度计提供9位（二进制）温度读数指示器件的温度。
图3-3DS18B20电路
3.1.3.4超声波测距模块:
通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。
本设计超声波测距模块电路图如下图所示：
图3-4HC-SR04超声波模块原理图
3.1.3.5无线路由器视频收发模块：
将小车拍摄到的画面信息、数据传送给上位机视频监测界面。
3.4.6红外遥控控制模块：
通过红外遥控发送指令，控制小车执行相应的操作。
红外遥控模块电路图如下所示
图3-6st188红外循迹电路
3.4.7ST188循迹模块：
通过ST188红外对管监测黑线，完成循迹功能。
图3-7ST188电路图
3.4.8ISD1820语音模块电路:
SD1820进行语音播报、提醒等功能。
电路如下所示。
ISD1820语音模块电路
3.2软件设计
3.2.1软件设计思路
该方案的编程思路是先确定主程序，之后根据各硬件电路功能来设计子程序模块，最后再将各模块嵌入主程序中。
这样编程结构简单，由于子程序模块与硬件电路一一对应，所以调试起来十分方便。
本设计是基于集成环境下的C语言程序设计，软件方框图如图2所示
图3-7系统程序结构框图
4系统测试
4.1主要测试用的仪器
①TDS1002数字示波器；
②自制电源；
③UT39A数字万用表。
4.2指标测试结果
4.2.1红外解码波形：
4.2.2超声波测距波形：
参考文献
[1]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用,北京航空航天大学出版社2000
[2]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例,北京航空航天大学出版社2002
[3]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用,清华大学出版社,2004
[4]张晞.MSP430系列单片机实用C语言程序设计,人民邮电出版社2005
[5]秦龙MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲,电子工业出版社2006
附录
1.实物照片图
（1）超声波测距模块
（图一）超声波模块图
（2）L298N驱动模块
（图二）驱动l298n模块图
（3）转向灯模块
（图三）转向灯模块图
（4）温度距离测量显示模块
（图四）12864显示模块
（5）循迹模块
（图五）循迹ST188模块图
（6）遥控控制模块
升级会员 