基于MSP430G2553单片机的循迹避撞小车循迹模块+超声波模块.docx

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基于MSP430G2553单片机的循迹避撞小车循迹模块+超声波模块.docx

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基于MSP430G2553单片机的循迹避撞小车循迹模块+超声波模块

摘要

随着现代科技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化的趋势。

同时，随着汽车工业的飞速发展，汽车的产量和保有量都在急剧增加。

但公路发展、交通管理相对落后，导致了交通事故与日俱增，城市交通拥堵成为城市管理的难题。

本设计在汽车前端放置超声波检测装置，通过对前方汽车车距的检测，送到中心控制器作出判断，进行车辆车速控制，从而达到车辆主动安全行驶，避免不必要的碰撞。

设计利用智能小车来模拟真实车辆行驶环境，采用红外对管检测黑线实现循迹,超声波传感器测距实现避障，采用MSP430G2553作为主控制芯片，电动车电机驱动采用L298N芯片，根据内置的程序分别控制小车四个直流电机运转，实现小车自动识别路线循迹行驶，能较有效的控制其在碰上障碍物时能及时停车。

本设计结构简单，较容易实现，具有一定的智能性。

这个系统安装在汽车上，能探测车辆前方的行人、车辆或周围障碍物，能向司机提前发出即将发生撞车危险的信号，促使司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失，在日常交通环境中提高了车辆行驶安全性，具有一定的市场推广价值。

关键词：

智能小车；msp430单片机；L298N；超声波传感器；红外传感器

Abstract

Alongwiththeprogressofmodernscienceandtechnology,thetrendofhighwaytransportationisthetrendofhighspeedandtrafficflow..Atthesametime,withtherapiddevelopmentoftheautomobileindustry,theoutputandthequantityoftheautomobileareincreasingsharply..However,thedevelopmentofhighway,trafficmanagementisrelativelybackward,resultinginthetrafficaccidentgrowing,urbantrafficcongestionbeethecitymanagementproblems.

Thedesignatthefrontendofthecarplacedultrasonicdetectiondevice,throughthedistancetothefrontvehicledetection,senttothecentralcontrollertojudge,vehiclespeedcontrol,soastoachievevehicleactivesafetydriving,avoidunnecessarycollision.Designusingthesmartcartosimulatetherealvehicledrivingenvironment,usinginfraredtodetectblacklinepipetoachievethetracking,ultrasonicrangingsensortoachieveobstacleavoidanceandthemsp430g2553asthemaincontrolchip,motordriveusingL298Nchip,built-inproceduresaccordingtorespectivelycontrolcarfourDCmotorrunning,achieveautomaticcaridentificationroutetrackingdriving,canmoreeffectivelycontroltherunintoobstaclescanstopintime.Thisdesignissimpleandeasytoachieve,withacertainintelligence.

Thesystemwasinstalledinthecar,candetectvehiclesinfrontofthepedestrians,vehicles,oraroundobstacles.,tothedriverinadvancefromtheimpendingcollisiondangersignal,tourgethedrivertotakeemergencymeasurestocopewiththespecialdanger,avoidlosses,indailytrafficenvironmentimprovesthevehicledrivingsafety,hasacertainmarketpopularizationvalue.

Keywords:

Intelligentcar;MSP430microcontroller;L298N;ultrasonicsensor;infraredtube

1绪论

1.1课题背景

随着汽车科学技术的进步，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化的趋势。

同时，随着汽车工业的飞速发展，日常生活中，汽车的产量和保有量都在急剧增加。

但公路发展、交通管理相对落后，导致了交通事故与日俱增，城市交通拥堵成为城市管理的难题。

智能交通系统ITS（IntelligentTransportSystem）是目前世界上交通运输科学技术的高新技术，它在充分着发挥基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通堵塞，改善城市环境等方面有着卓越的效能，已得到各国政府的普遍关注。

中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。

汽车主动安全防撞系统作为ITS发展的一个基础，它的成功与否对整个系统有着很大的作用。

从传统上说，汽车的行驶安全可以分为两个主要研究方向：

一是主动式安全技术，即防止事故的发生，该种方式是当前汽车安全研究领域的最终目的；二是被动式安全技术，即事故发生后对乘员的保护。

目前汽车安全领域被动安全的方向研究较多，主要从安全气囊、ABS（防抱死系统）和悬架等方面着手，以保证驾乘人员的人身安全。

从经济性和安全性两方面来说，这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行的保护，有很大的局限性，因而车辆的主动安全性研究尤为重要，引出了本课题研究的基于单片机汽车主动安全防撞系统。

这个系统是一种在事故发生前主动向司机发出预警信号，并同时主动降低汽车行驶速度的控制装置。

它安装在汽车上，能探测车辆前方的行人、车辆或周围障碍物；能提前向司机发出即将发生撞车危险的信号，提醒司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。

现今社会智能小车发展很快，从智能玩具到其它各行业都有实质成果。

其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能，这几界的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展。

比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。

我此次的设计主要实现循迹避障这两个功能。

根据实际设计制作基于MSP430单片机智能小车的过程，在智能小车的自动循线、避障、检测、控制、显示等方面提出一些观点和见解。

1.2课题研究意义

随着现代社会工业化的发展，汽车作为交通工具正为越来越多的人所用，但是随之而来的问题同时也显而易见。

随着车辆的增多，交通事故的频繁发生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。

对于汽车交通事故的分析表明，70%以上的车祸是由于驾驶员反应不及时所引起的。

超过60%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。

奔驰汽车公司对各种交通事故的研究表明：

若驾驶员能够提前1s意识到有事故危险并采取相应的正确措施，如果现有汽车能安装主动安全避撞系统，则绝大多数的交通事故都能够避免。

因此，研究开发汽车防撞装置等主动式保护汽车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和错误判断，对于提高交通行驶安全将起到重要的作用。

可见，此类产品的研究开发具有极大的现实意义和广阔的市场前景。

汽车主动防撞安全产品最早出现在1989年；奔驰于1997年开始对自身品牌进行防撞的配置，随后通用、福特、OPEL、SAAB以及VOLVO跟进。

目前在欧盟、美国和日本等地，汽车主动防撞安全产品已竞相采用。

在中国，部分进口车中也已崭露头角，而汽车生产厂家目前都还没有推出此类产品。

目前国内汽车主动防碰撞技术方面的研究，主要在一些大型汽车企业和科学研究所开展，如：

某一汽大众、某大众、东风汽车、交通部科学研究院、某汽车研究院、清华大学汽车系、理工大学机械系等，但只是初步的探索性研究，还没有可以使用的产品，可以说汽车主动防撞智能安全系统在中国的市场才刚刚起步，这个市场具有巨大的开发潜力和升值空间。

该设计的实际意义是通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。

在研究的过程中，熟悉以单片机为核心的控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用算法实现小车的精确控制。

灵活运用所学的相关的理论知识，结合实际电路设计的实现方法，达到理论和实际的统一。

在此过程中，加深对理论知识的理解和认识。

且该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、娱乐等许多方面。

尤其是在玩具机器人研究方面具有很好的发展前景。

所以本设计与实际生活相结合，现实意义很强。

在智能小车中，传感器起到举足轻重的作用。

视觉、激光、红外、超声传感器等都在实际生活中得到了广泛的应用。

其中，超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低，被广泛地应用于智能小车测距的传感器，能实现避障、环境建模和导航等功能。

考虑到实际情况，传感器检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器和超声波传感器来替代。

智能小车的执行部分，是用直流电机来充当的，从而控制小车的行进方向和速度。

单片机驱动直流电机一般有两种方案：

第一，勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，且难以精确调速，但单片机选择型号的余地较大。

TI公司的MSP430单片机广泛地应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

MSP430单片机可以说是单片机领域的主流产品，其应用如此广泛，所以有必要学习和应用该单片机，以满足产品开发的实际需求，同时是适应社会智能化、以MSP430为控制核心，采用超声波传感器来检测道路上的障碍，控制小车的自动避障，速度调节，以及自动停车，并可以自动记录行车时间、里程和速度，自动寻迹等功能。

CPU使用MSP430单片机，配合软件编程实现。

MSP430是一款十六位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。

1.3超声波技术

1.3.1超声波测距原理

超声波是一种在弹性介质中可传播的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种方式，超声波可以在气体、液体及固体中传播，而且其传播速度不同。

它有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。

利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路设计，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中得到广泛应用。

作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。

通过超声波的发射装置发出超声波，根据接收器接到的超声波时的时间差就可以计算出距离了。

这与雷达测距原理相似。

超声波发射器向某一物体发射超声波，在发射时刻的马上开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即折返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

（超声波在空气中传播的速度为340m/s，根据计时器记录下的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：

s=340t/2）

1.3.2超声波传感器的分类

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制造了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电式、磁致伸缩型和电动型等。

机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性不相同，因而用途也也不相同。

目前，常用的是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器是利用压电陶瓷晶体的谐振来工作的。

它内部结构有两个压电芯片和一个共振板。

当两极外加脉冲信号，其频率等于晶体的固有频率时，压电芯片将会发生共振，并且带动共振板振动，便可以产生超声波。

如果两电极间没有外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电芯片做成共振，把机械能转化成电信号，这时就形成了超声波接收器。

1.3.3超声波测距的特点

超声波的指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以采用超声波来实现。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业实际的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

由于超声实现方便，技术成熟，成本低，且周围环境对于超声波的影响也不大，所以超声波避障成为智能小车常用的避障方法。

从国内外研究情况来看，超声波装置主要用作测距，通过测量声源与目标物之间的往返传播时间，求得目标物的距离。

但是在有些情况下，超声波传感器是光学系统无可比拟的。

超声波传感器的优点主要表现如下：

1、对于黑暗的环境和物体，超声波传感器几乎不受恶劣环境的影响，仍然能实时获得准确的探测障碍物信息，并反馈给信息处理设备。

2、和光学传感器相比，超声波传感器不仅能探测到障碍物的存在，而且能够得到障碍物与智能小车的距离，以便于做出正确的决策。

3、虽然光传播速度比声音快，但计算机控制器延时和电机响应速度等特点将限制机器执行任务的速度，因此光速快的优势并不明显。

2元器件介绍

2.1红外传感器TCRT5000

TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000芯片设计的一款红外反射式光电开关。

传感器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，输出的信号经施密特电路整形，反应迅速，稳定可靠。

可应用场合：

（1）电度表脉冲数据采样。

（2）传真机碎纸机纸X检测。

（3）障碍检测。

（4）黑白线检测。

传感器的红外发射二极管不断发射出红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来的强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭的状态；当被检测的物体出现在可检测X围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。

如下图所示。

图2.1TCRT5000实物图

图2.2TCRT5000引脚图

2.2比较器LM393

LM393是双电压比较器的集成电路，输出负载电阻能够衔接在可允许电源电压X围内的任何电源电压上，而不受Vcc端电压值的限制。

此输出能够作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻时没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制。

当达到极限电流（16mA）时，输出的晶体管将退出且输出的电压将很快上升。

LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供或ORing功能。

此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制。

当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压会很快上升。

输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。

当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许输出箝位则在零电平。

LM393内部采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8），如下图所示。

图2.3LM393比较器实物图

图2.4LM393比较器引脚图

2.3LM7805稳压芯片

三端稳压集成电路LM7805。

电子产品中，常见的三端稳压集成电路中有正电压输出的lm78××系列和负电压输出的lm79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压电路用的集成电路，有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。

当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：

并联使用的集成稳压电路电子元器件应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致性。

另外在输出电流上应该留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

LM7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护等功能，这能使它的性能更加稳定，从而能够实现1A以上的输出电流。

该器件具有良好的温度系数，因此产品的应用X围十分广泛。

可以运用本地调节来消除噪声的影响，解决了与单点调节有关的分散问题，输出电压的误差精度分为±3%和±5%两种。

7805三端稳压IC在电路运用中应注意以下事项：

输入输出压差不能太大,太大会导致转换效率急速下降，而且容易使元件击穿损坏。

最高输入电压不能超过35V;输出电流不能太大，1.5A是其极限值。

由于有大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则温度过高时会导致高温保护或热击穿;同时，输入输出压差也不能太小,低于2V时，稳压效率急速下降。

7805引脚正确的顺序：

1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。

如下图所示。

图2.5LM7805实物图

2.4L298N电机驱动芯片

L298N是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以单独提供2A的电流，功率部分的供电电压X围是2.5-48v，逻辑部分5v供电，接受5v的TTL电平。

一般情况下，功率部分的电压应当大于6V，否则芯片可能不能正常工作。

L298N电机驱动芯片的参数：

（1）逻辑部分输入电压：

6～7V

（2）驱动部分输入电压Vs：

4.8～46V

（3）逻辑部分工作电流Iss：

≤36mA

（4）驱动部分工作电流Io：

≤2A

（5）最大耗散功率：

25W（T=75℃）

（6）控制信号输入电平：

高电平：

2.3V≤Vin≤Vs，低电平：

-0.3V≤Vin≤1.5V

（7）工作温度：

-25℃～＋130℃

（8）驱动形式：

双路大功率H桥驱动

L298N的使用方法：

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V的电压。

4脚VS接电源电压，VS电压X围VIH在＋2．5～46V。

输出电流可达到2．5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

一个L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机。

实际运用中我们控制一个电动机，只需控制5，7，10，12脚的输入电平，从而来控制电机的正反转。

EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

如下图所示。

图2.6L298N实物图

图2.7L298N引脚图

3硬件系统设计

3.1电源模块

在本系统中，需要用到的电源有单片机的5V，L298N芯片的电源5V和电机的电源7—15V。

所以需要提供正确和稳定可靠的电源。

方法1：

用9V的锌电源给前、后轮电机供电，然后使用7805稳压管来把高电压稳成5V分别给单片机和电机驱动芯片供电。

这种接法比较简单，但小车的电路功耗过大会导致后轮电机动力不足。

方法2：

采用双电源。

为了确保单片机控制部分和电机驱动的部分的电压不会互相影响，要把单片机的供电和驱动电路分开来，，即：

用直流可调电压源10V来驱动电机芯片，然后用7805稳压管来稳成5V供给单片机，这样有助于消除电机干扰，提高系统的稳定性。

基于以上分析，选择方法2。

以下为电源模块图。

图3.1电源模块实物图

图3.2电源模块

3.2电机驱动模块

L298N是ST公司生产的芯片。

该种型号的特点是：

最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；并且可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压。

L298N芯片采用15脚封装。

其芯片的特点是：

工作电压较高，最高工作电压可高达46V，并且可以驱动两个电机，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供控制信号，而且电路设计简单，使用比较方便。

经实验比较，L298N驱动模块运行可靠，取得效果较好，而且电路的电气性能和散热性能较好，本设计选用L298N驱动模块。

下图为电机驱动模块图。

图3.3L298N电机驱动模块实物图

图3.4L298N电机驱动模块

3.3循迹模块

小车循迹功能的原理是小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”——黑线。

本设计采用的是红外探测法，选用TCRT5000，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光能够被装在小车上的接收管所接收；如果遇到黑线时则红外光被黑线所吸收，则小车上的接收管则接收不到信号，再通过LM393作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测，然后再发送信号到单片机。

如下图所示。

图3.5循迹模块实物图

图3.6循迹模块电路图

3.4超声波模块

本设计采用HC-SR04超声波测距模块，为非接触式距离感测功能，测量精度可高达到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

如下图所示。

图3.7HC-SR04模块实物图

3.4.1超声波测距基本工作原理

（1）采用IO口控制TRIG来触发测距，给至少10us的高电平信号；

（2）模块自动发送8个40khz的方波，并且自动检测是否有信号返回；

（3）当有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，则高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=（高电平时间*声速（340M/S）/2）。

3.4.2HC-SR04主要技术参数

表3.1HC-SR04电气参数

电气参数

HC-SR04超声波模块

工作电压

DC5V

工作电流

15mA

工作频率

40kHZ

最远射程